模型背景柔性直流輸電（MMC-HVDC）技術具有有功無功獨立快速控制、方便的潮流反轉、不依靠交流電網換相、可為無源網絡供電等優勢，使其成為目前直流輸電技術的重要組成部分，是未來直流輸電的發展方向。隨著全控型功率器件的不斷發展，柔性直流輸電工程的功率傳輸容量不斷提升且正成為新能源接入與電網互聯的重要功率傳輸通道。在進行MMC相關的研究時，通過搭建電磁暫態仿真模型的方式進行控制保護算法等的實驗驗證是一種被廣泛認可的方式。但由于MMC本身的電路拓撲中含有大量的電力電子元器件（子模塊），如果仿真中采用單個IGBT等器件進行每個子模塊的搭建，最終模型將會耗費龐大的計算量和時間成本。目前廣泛采用的是基于平均值或戴維南等效等方式搭建的快速模型，當然在matlab中也有集成好的模塊，除了器件級模型，還可以選擇平均值和開關函數模型。平均值模型將所有子模塊等效為1個子模塊或直接將參考波作為整個橋臂電壓，是一種穩態模型，無法模擬充電、閉鎖以及單個子模塊的情況；開關函數模型是一種較為準確的模型，但是matlab中的模塊雖然可以模擬單個子模塊的情況，但同樣的電路拓撲下與器件模型的結果在某些工況下波形不一致，存在缺陷。

圖1 MMC電路拓撲結構

(資料圖片)

建模思路本文在之前巨人的肩膀上，基于matlab搭建了搭建了一種基于半橋結構的快速仿真模型，模型分為兩部分：子模塊主電路電氣部分和邏輯部分。電氣部分采用目前被廣泛使用的受控電壓源串聯二極管后并聯的形式，由于MMC換流閥的各橋臂是由子模塊串聯組成，各子模塊等效電路可由如下圖2中a所示的電路等效，進一步各串聯的二極管可以等效為一個二極管，各受控電壓源也可以等效為一個受控電壓源，這樣整個橋臂等效電路可以進一步的簡化為如下圖2中b所示；邏輯處理部分主要根據流入子模塊的電流、所有可能的輸脈沖情況以及子模塊電容等計算子模塊電容兩端的電壓及受控電壓源電壓。當子模塊數量增加時，子模塊主電路電氣部分無需變化，只需在邏輯部分進行更改即可。大大減小計算量。

圖2 子模塊等效電路

仿真模型及驗證根據上述建模思路，在matlab中搭建簡單的單個子模塊及驗證對比模型如下圖3所示，其中對比模型采用matlab自帶的集成半橋器件模型，兩模型采用完全相同的參數。

圖3 測試驗證電路

圖4子模塊參數

圖5子模塊主電路電氣部分

考慮測試方便，僅對單個子模塊的各種工況進行對比測試，分別測試流入子模塊電流及子模塊電容兩端電壓；脈沖可能的情況為：00（閉鎖）、01（切除）、10（投入）、11（短路），對比四種工況波形情況如下：

（1）閉鎖

脈沖為00（閉鎖）情況下電流波形（黃色：器件模型，藍色：快速模型）

脈沖為00（閉鎖）情況下模塊電容電壓波形（黃色：器件模型，藍色：快速模型）

（2）切除

脈沖為01（切除）情況下電流波形（黃色：器件模型，藍色：快速模型）

脈沖為01（切除）情況下模塊電容電壓波形（黃色：器件模型，藍色：快速模型）

（3）投入

脈沖為10（投入）情況下電流波形（黃色：器件模型，藍色：快速模型）

脈沖為10（投入）情況下模塊電容電壓波形（黃色：器件模型，藍色：快速模型）

（4）短路

脈沖為11（短路）情況下電流波形（黃色：器件模型，藍色：快速模型）

脈沖為11（短路）情況下模塊電容電壓波形（黃色：器件模型，藍色：快速模型）

通過上述模型及仿真結果可以看出，除了子模塊切除時子模塊電容電壓波形（實際在整體模型使用中完全不會有影響）略有差別之外，其余情況下波形均基本完全重合，驗證了電磁暫態快速模型的正確性（實際上目前的商用仿真軟件也是采用類似的建模思路）。

當然，采用本文方法所搭建的子模塊模型用于MMC-HVDC仿真模型上的案例在后續有時間的時候也會進一步更新。

審核編輯：劉清