2.2 电磁暂态仿真技术
主要包括等效建模和数值计算方法2大方面的科学和技术问题。
2.2.1 电磁暂态等效建模技术
换流器是柔性直流建模中最重要和最复杂的部分,除传输线以外,其他核心装备的核心组件结构均和换流器类似,因此本节主要关注换流器的建模,对其他机械组件和避雷器部分不予讨论。
1)柔性直流换流器模型。
根据从详细到简化程度的不同,目前常用的模型有详细开关模型、戴维南等效模型[25]、解耦等效模型[26]和平均值模型[27]4种。
①详细开关电路模型能够模拟换流器内部详细特性,体现每一个开关在每一控制周期指令下的动作过程。详细模型物理意义清晰,开关过程准确,但仿真效率较低,主要用于小规模柔性直流或需要特别关注换流过程的局部电路。
②戴维南等效模型兼具较快的仿真速度和较高的精度,建模原理如图8所示：首先根据子模块的开通/关断情况和桥臂电流方向,将IGBT及其反并联的二极管等效为小电阻和大电阻;再利用梯形积分法,将子模块电容离散表示为电压源的形式。图8中变量的具体含义可参见文献[25]。
图8 MMC等效戴维南建模机理
基于以上假设,可以求得单个子模块和MMC桥臂的等值电路,减少模型中的电气节点。戴维南等效模型的缺点是拓展性较差,当子模块拓扑改变时,需重新进行模型编程,并且对于子模块闭锁状态的模拟也不够准确。
③子模块-桥臂解耦等效模型通过将MMC桥臂模型和子模块模型在电气上进行解耦,进行了仿真加速。其特点是将子模块全部断开,正极通过受控电流源流入桥臂电流,负极接地;桥臂模型等效为受控电压源,即子模块电容电压之和,如图9所示。通过这种方式,软件对整个换流器高阶矩阵的求解变成了对多个子模块低阶矩阵的求解。图9中变量的具体含义可参见文献[26]。
图9 MMC桥臂解耦模型
解耦等效模型在速度和精度上并不明显优于戴维南等效模型,但其子模块模型可以方便地扩展为其他形式的拓扑结构,通用性更好。
④平均值模型不关注MMC内部特性,将每个换流器桥臂的所有级联子模块,等效为一个带直流偏置的交流可控电压源,在直流侧用可控的直流电流源等效交直流之间的功率传输,用等效电容来表示直流侧的动态响应,如图10所示。图10中变量的具体含义可参见文献[27]。
图10 MMC平均值模型
