一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法和装置

1.一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模方法，所述CDSM为钳位双子模块，其特征在于，所述方法包括：确定CDSM的状态；若所述CDSM的状态是非闭锁状态，建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型，以及根据CDSM的故障特性建立非闭锁状态且故障工况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若所述CDSM的状态是闭锁状态，建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；所述CDSM包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、电容C1和电容C2；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阳极分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5的发射极连接，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阴极分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5的集电极连接，形成开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5；IGBT1的集电极连接二极管D6的阴极，二极管D6的阳极同时连接IGBT3的集电极、IGBT5的集电极以及电容C2的第一端，IGBT3的发射极连接IGBT4的集电极，IGBT4的发射极同时连接电容C2的第二端和二极管D7的阳极，二极管D7的阴极同时连接IGBT2的发射极和IGBT5的发射极，IGBT2的集电极连接IGBT1的发射极，电容C1的第一端连接二极管D6阴极，其第二端连接二极管D7阴极；所述CDSM的端口记为N1和N2，N1连接IGBT1的发射极，N2连接IGBT4集电极；所述确定CDSM的状态包括：若CDSM中的IGBT5导通，IGBT1和IGBT4导通，同时IGBT2和IGBT3关断，CDSM为双投入状态；若IGBT5导通，IGBT1和IGBT4关断，同时IGBT2和IGBT3导通，CDSM为双旁路状态；若IGBT5导通，IGBT1和IGBT3导通，同时IGBT2和IGBT4关断，CDSM为单投单旁状态；若IGBT5导通，IGBT2和IGBT4导通，同时IGBT1和IGBT3关断，CDSM为单旁单投状态；若IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5均关断，CDSM为闭锁状态；所述建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型；将每个CDSM的电磁暂态等效模型中电阻和电压源分别求和得到非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；所述建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型包括：将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R T1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ，将电容C1和电容C2的电流按照差分方程表示为：其中，C 1 和C 2 分别为电容C1和电容C2的容值，Δt为仿真步长，i C1 (t)和i C2 (t)分别为t时刻电容C1和电容C2的电流，i C1 (t-Δt)和i C2 (t-Δt)分别为t-Δt时刻电容C1和电容C2的电流，u C1 (t)和u C2 (t)分别为t时刻电容C1和电容C2的电压，u C1 (t-Δt)和u C2 (t-Δt)分别为t-Δt时刻电容C1和电容C2的电压；CDSM处于非闭锁状态下，二极管D6和二极管D7一直关断，二极管D6的等效电阻R D6 和二极管D7的等效电阻R D7 为无穷大，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式，并将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式，电阻R C1 的阻值和电阻R C2 的阻值分别表示为：且有：其中，I CS1 (t-Δt)和I CS2 (t-Δt)分别为t-Δt时刻电流源I CS1 和电流源I CS2 的电流；将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R T1 、电阻R T2 等效为电压源U eq1 和电阻R eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式，于是形成电压源U eq1 、电阻R eq1 、电阻R T5 、电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式；且有：其中，U eq1 (t)、U eq2 (t)分别为t时刻电压源U eq1 、电压源U eq2 的电压，R eq1 (t)、R eq2 (t)分别为电阻R eq1 、电阻R eq2 的阻值，R T1 (t)、R T2 (t)、R T3 (t)、R T4 (t)和R T5 (t)分别为电阻R T1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 的阻值。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据CDSM的故障特性建立非闭锁状态且故障工况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：若CDSM的故障工况为电容击穿故障，根据CDSM内部的电容击穿故障特性，建立非闭锁状态且电容击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若CDSM的故障工况为IGBT击穿故障，根据CDSM内部的IGBT击穿故障特性，建立非闭锁状态且IGBT击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若CDSM的故障工况为IGBT拒动故障，根据CDSM内部的IGBT拒动故障，建立非闭锁状态且IGBT拒动故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且电容击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R T1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ；电容C1发生击穿故障时，将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式；将电阻R T1 、电阻R T2 等效为电压源U′ eq1 和电阻R′ eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式，于是形成电压源U′ eq1 、电阻R′ eq1 、电阻R T5 、电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式；且有：U′ eq1 (t)＝0其中，U′ eq1 (t)为t时刻电压源U′ eq1 的电压，R′ eq1 (t)为电阻R′ eq1 的阻值。 4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且电容击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R T1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ；电容C2发生击穿故障时，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式；将电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U′ eq2 和电阻R′ eq2 串联的形式，并将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R T1 、电阻R T2 等效为电压源U eq1 和电阻R eq1 串联的形式，于是形成电压源U′ eq2 、电阻R′ eq2 、电阻R T5 、电压源U eq1 和电阻R eq1 串联的形式；且有：U′ eq2 (t)＝0其中，U′ eq2 (t)为t时刻电压源U′ eq2 的电压，R′ eq2 (t)为电阻R′ eq2 的阻值。 5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且IGBT击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：IGBT1发生击穿故障时，电阻R T1 的阻值为0，将开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式，并将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式；将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R T2 等效为电压源U″ eq1 和电阻R″ eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式，于是形成电压源U″ eq1 、电阻R″ eq1 、电阻R T5 、电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式；且有：其中，U″ eq1 (t)为t时刻电压源U″ eq1 的电压，R″ eq1 (t)为电阻R″ eq1 的阻值。 6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立非闭锁状态且IGBT拒动故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：IGBT1发生拒动故障时，将二极管D1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R D1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式，并将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式；将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R D1 、电阻R T2 等效为电压源U″′ eq1 和电阻R″′ eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式，于是形成电压源U″′ eq1 、电阻R″′ eq1 、电阻R T5 、电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式；且有：其中，U″′ eq1 (t)为t时刻电压源U″′ eq1 的电压，R″′ eq1 (t)为电阻R″′ eq1 的阻值，R D1 (t)为电阻R D1 的阻值；当IGBT2关断且桥臂电流为正时，二极管D1导通，此时R D1 (t)＝0＝0，R T2 (t)＝∞；当IGBT2关断且桥臂电流为负时，二极管D1导通，此时R D1 (t)＝∞，R T2 (t)＝0；当IGBT2导通且桥臂电流为正时，二极管D1导通，此时R D1 (t)＝∞，R T2 (t)＝0；当IGBT2导通且桥臂电流为负时，二极管D1导通，此时R D1 (t)＝∞，R T2 (t)＝0。 7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型包括：建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型；将每个CDSM的电磁暂态等效模型中的电阻和电压源分别求和得到闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。 8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型包括：CDSM闭锁状态下，将二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4分别等效为电阻R D1 、电阻R D2 、电阻R D3 、电阻R D4 ，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式，并将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式；将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R D1 、电阻R D2 等效为电压源U″″ eq1 和电阻R″″ eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R D3 、电阻R D4 等效为电压源U″ eq2 和电阻R″ eq2 串联的形式，于是形成电压源U″″ eq1 、电阻R″″ eq1 、电阻R T5 、电压源U″ eq2 和电阻R″ eq2 串联的形式；且有：其中，U″″ eq1 (t)为t时刻电压源U″″ eq1 的电压，R″″ eq1 (t)为电阻R″″ eq1 的阻值，U″ eq2 (t)为t时刻电压源U″ eq2 的电压，R″ eq2 (t)为电阻R″ eq2 的阻值。 9.一种CDSM-MMC桥臂电磁暂态建模装置，所述CDSM为钳位双子模块，其特征在于，所述装置包括：确定模块，用于确定CDSM的状态；第一建模模块，用于建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型和非闭锁状态且故障工况下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；以及第二建模模块，用于建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；所述确定模块确定的CDSM包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、电容C1和电容C2；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阳极分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5的发射极连接，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的阴极分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5的集电极连接，形成开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5；IGBT1的集电极连接二极管D6的阴极，二极管D6的阳极同时连接IGBT3的集电极、IGBT5的集电极以及电容C2的第一端，IGBT3的发射极连接IGBT4的集电极，IGBT4的发射极同时连接电容C2的第二端和二极管D7的阳极，二极管D7的阴极同时连接IGBT2的发射极和IGBT5的发射极，IGBT2的集电极连接IGBT1的发射极，电容C1的第一端连接二极管D6阴极，其第二端连接二极管D7阴极；所述CDSM的端口记为N1和N2，N1连接IGBT1的发射极，N2连接IGBT4集电极；所述确定模块，具体用于若CDSM中的IGBT5导通，IGBT1和IGBT4导通，同时IGBT2和IGBT3关断，CDSM为双投入状态；若IGBT5导通，IGBT1和IGBT4关断，同时IGBT2和IGBT3导通，CDSM为双旁路状态；若IGBT5导通，IGBT1和IGBT3导通，同时IGBT2和IGBT4关断，CDSM为单投单旁状态；若IGBT5导通，IGBT2和IGBT4导通，同时IGBT1和IGBT3关断，CDSM为单旁单投状态；若IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5均关断，CDSM为闭锁状态；所述第一建模模块，具体用于建立非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型；将每个CDSM的电磁暂态等效模型中电阻和电压源分别求和得到非闭锁状态且非故障工况下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；所述第一建模模块，具体用于将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R T1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ，将电容C1和电容C2的电流按照差分方程表示为：其中，C 1 和C 2 分别为电容C1和电容C2的容值，Δt为仿真步长，i C1 (t)和i C2 (t)分别为t时刻电容C1和电容C2的电流，i C1 (t-Δt)和i C2 (t-Δt)分别为t-Δt时刻电容C1和电容C2的电流，u C1 (t)和u C2 (t)分别为t时刻电容C1和电容C2的电压，u C1 (t-Δt)和u C2 (t-Δt)分别为t-Δt时刻电容C1和电容C2的电压；CDSM处于非闭锁状态下，二极管D6和二极管D7一直关断，二极管D6的等效电阻R D6 和二极管D7的等效电阻R D7 为无穷大，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式，并将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式，电阻R C1 的阻值和电阻R C2 的阻值分别表示为：且有：其中，I CS1 (t-Δt)和I CS2 (t-Δt)分别为t-Δt时刻电流源I CS1 和电流源I CS2 的电流；将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R T1 、电阻R T2 等效为电压源U eq1 和电阻R eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式，于是形成电压源U eq1 、电阻R eq1 、电阻R T5 、电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式；且有：其中，U eq1 (t)、U eq2 (t)分别为t时刻电压源U eq1 、电压源U eq2 的电压，R eq1 (t)、R eq2 (t)分别为电阻R eq1 、电阻R eq2 的阻值，R T1 (t)、R T2 (t)、R T3 (t)、R T4 (t)和R T5 (t)分别为电阻R T1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 的阻值。 10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一建模模块，具体用于若CDSM的故障工况为电容击穿故障，根据CDSM内部的电容击穿故障特性，建立非闭锁状态且电容击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若CDSM的故障工况为IGBT击穿故障，根据CDSM内部的IGBT击穿故障特性，建立非闭锁状态且IGBT击穿故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型；若CDSM的故障工况为IGBT拒动故障，根据CDSM内部的IGBT拒动故障，建立非闭锁状态且IGBT拒动故障下的CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。 11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一建模模块，具体用于将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R T1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ；电容C1发生击穿故障时，将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式；将电阻R T1 、电阻R T2 等效为电压源U′ eq1 和电阻R′ eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式，于是形成电压源U′ eq1 、电阻R′ eq1 、电阻R T5 、电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式；且有：U′ eq1 (t)＝0其中，U′ eq1 (t)为t时刻电压源U′ eq1 的电压，R′ eq1 (t)为电阻R′ eq1 的阻值。 12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一建模模块，具体用于将开关组T1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R T1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ；电容C2发生击穿故障时，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式；将电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U′ eq2 和电阻R′ eq2 串联的形式，并将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R T1 、电阻R T2 等效为电压源U eq1 和电阻R eq1 串联的形式，于是形成电压源U′ eq2 、电阻R′ eq2 、电阻R T5 、电压源U eq1 和电阻R eq1 串联的形式；且有：U′ eq2 (t)＝0其中，U′ eq2 (t)为t时刻电压源U′ eq2 的电压，R′ eq2 (t)为电阻R′ eq2 的阻值。 13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一建模模块，具体用于IGBT1发生击穿故障时，电阻R T1 的阻值为0，将开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式，并将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式；将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R T2 等效为电压源U″ eq1 和电阻R″ eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式，于是形成电压源U″ eq1 、电阻R″ eq1 、电阻R T5 、电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式；且有：其中，U″ eq1 (t)为t时刻电压源U″ eq1 的电压，R″ eq1 (t)为电阻R″ eq1 的阻值。 14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一建模模块，具体用于IGBT1发生拒动故障时，将二极管D1、开关组T2、开关组T3、开关组T4和开关组T5分别等效为电阻R D1 、电阻R T2 、电阻R T3 、电阻R T4 和电阻R T5 ，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式，并将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式；将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R D1 、电阻R T2 等效为电压源U″′ eq1 和电阻R″′ eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R T3 、电阻R T4 等效为电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式，于是形成电压源U″′ eq1 、电阻R″′ eq1 、电阻R T5 、电压源U eq2 和电阻R eq2 串联的形式；且有：其中，U″′ eq1 (t)为t时刻电压源U″′ eq1 的电压，R″′ eq1 (t)为电阻R″′ eq1 的阻值，R D1 (t)为电阻R D1 的阻值；当IGBT2关断且桥臂电流为正时，二极管D1导通，此时R D1 (t)＝0＝0，R T2 (t)＝∞；当IGBT2关断且桥臂电流为负时，二极管D1导通，此时R D1 (t)＝∞，R T2 (t)＝0；当IGBT2导通且桥臂电流为正时，二极管D1导通，此时R D1 (t)＝∞，R T2 (t)＝0；当IGBT2导通且桥臂电流为负时，二极管D1导通，此时R D1 (t)＝∞，R T2 (t)＝0。 15.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二建模模块，具体用于建立闭锁状态下CDSM-MMC桥臂中每个CDSM的电磁暂态等效模型；将每个CDSM的电磁暂态等效模型中的电阻和电压源分别求和得到闭锁状态下CDSM-MMC桥臂电磁暂态模型。 16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第二建模模块，具体用于CDSM闭锁状态下，将二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4分别等效为电阻R D1 、电阻R D2 、电阻R D3 、电阻R D4 ，将电容C1等效为电流源I CS1 和电阻R C1 并联的形式，并将电容C2等效为电流源I CS2 和电阻R C2 并联的形式；将电流源I CS1 、电阻R C1 、电阻R D1 、电阻R D2 等效为电压源U″″ eq1 和电阻R″″ eq1 串联的形式，并将电流源I CS2 、电阻R C2 、电阻R D3 、电阻R D4 等效为电压源U″ eq2 和电阻R″ eq2 串联的形式，于是形成电压源U″″ eq1 、电阻R″″ eq1 、电阻R T5 、电压源U″ eq2 和电阻R″ eq2 串联的形式；且有：其中，U″″ eq1 (t)为t时刻电压源U″″ eq1 的电压，R″″ eq1 (t)为电阻R″″ eq1 的阻值，U″ eq2 (t)为t时刻电压源U″ eq2 的电压，R″ eq2 (t)为电阻R″ eq2 的阻值。