一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法及装置
阅读：1021发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法及装置，该方法包括步骤：对系统数据进行初始化处理；将子模 块 中的 开关 器件用一双值可变 电阻 等效代替，采用权重数值积分法离散化子模块中的电容；计算每一个子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效 电压 ；求取CDSM-MMC的等效模型，以使等效模型进行仿真运行；采用分类排序均压 算法 分别对MMC所有子模块的电容电压进行排序，得到排序结果；判断当前仿真时刻是否大于仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，根据排序结果以及获取当前各桥臂需要投入的电容数目和桥臂 电流 ，确定下一仿真时刻各桥臂的开关器件的触发状态。本发明能根据仿真需求灵活调整权重系数以获得不同的 稳定性 和计算 精度 。，下面是一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法及装置专利的具体信息内容。
1.一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
对系统数据进行初始化处理，包括对仿真时刻、仿真步长、仿真总时长、所有的子模块中的电容电流和电容电压进行初始化；
将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容；
计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；
通过叠加求和模块化多电平换流器中的每一桥臂的所述戴维南等效电阻和所述戴维南等效电压，得到基于权重法CDSM-MMC的等效模型，以使所述等效模型进行仿真运行；
采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果；
判断当前仿真时刻是否大于所述仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；其中，所述下一个仿真时刻等于所述当前仿真时刻加上所述仿真步长；同时，
根据所述排序结果以及获取所述当前仿真时刻对应的各桥臂需要投入的电容数目和桥臂电流，确定所述下一仿真时刻各桥臂的所有的所述子模块对应的开关器件的触发状态，以返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。
2.如权利要求1所述的基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法，其特征在于，所述将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容，具体包括：
将每一个所述子模块中的绝缘栅双极型晶体管及其反并联二极管用一个双值可变电阻等效代替；其中，当所述绝缘栅双极型晶体管导通时，所述可变电阻取较小值，当所述绝缘栅双极型晶体管关断时，所述可变电阻取较大值；
采用权重数值积分法对所述子模块中的电容进行离散化，将电容离散化为电压源串联电阻，得到仿真时刻为t对应的电容电压为
其中，VC
(t)、VC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电压值，IC(t)、IC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电流值，RC为所述电容等效电阻，θ为权重系数，0.5≤θ≤1，C为电容值。
3.如权利要求2所述的基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法，其特征在于，所述采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果，具体包括：
1)、获取所述系统预设的权重系数，并判断所述权重系数的取值，若θ＝1，则执行步骤
7)～步骤9)；若0.5≤θ＜1，则执行步骤2)～步骤6)；
2)将所述模块化多电平换流器的单个桥臂内全部2N个子模块电容按仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的投切状态划分为以下四类：第1类，仿真时刻为t和仿真时刻为t-ΔT对应的电容均为投入状态；第2类，仿真时刻为t对应的电容为投入状态、仿真时刻为t-ΔT对应的电容为切除状态；第3类，仿真时刻为t对应的电容为切除状态、仿真时刻为t-ΔT对应的电容为投入状态；第4类，仿真时刻为t和仿真时刻为t-ΔT对应的电容均为切除状态；
其中，这四类中子模块电容电压均为升序排列。
3)根据VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，完成单个仿真步长内这四类中各自子模块电容电压的更新；其中，同一类别中各子模块电容电压更新后依然为升序排列。
4)将所述第1类升序排列的子模块电容电压设定为a1、a2～aM，将所述第2类升序排列的子模块电容电压设定为b1、b2～bK，排序时首先比较a1和b1的大小，若a1
6)同样地按照步骤4)的方法对第5类、第6类子模块电容电压进行排序，得到仿真时刻为t对应的单个桥臂内全部2N个子模块电容按升序排列的电容电压；
7)将单个桥臂内全部2N个子模块电容按仿真时刻为t对应的投切状态划分为以下两类：第7类，仿真时刻为t对应的电容为投入状态；第8类，仿真时刻为t对应的电容为切除状态；其中，这两类中子模块电容电压均为升序排列；
8)根据VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，完成单个仿真步长内这两类中各自子模块电容电压的更新；其中，同一类别中各子模块电容电压更新后依然为升序排列；
9)将第7类升序排列的子模块电容电压设定为c1、c2～cM，将第8类升序排列的子模块电容电压设定为d1、d2～d2N-M，排序时首先比较c1和d1的大小，若c1
初始化模块，用于对系统数据进行初始化处理，包括对仿真时刻、仿真步长、仿真总时长、所有的子模块中的电容电流和电容电压进行初始化；
调整模块，用于将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容；
计算模块，用于计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；
模型获取模块，用于通过叠加求和模块化多电平换流器中的每一桥臂的所述戴维南等效电阻和所述戴维南等效电压，得到基于权重法CDSM-MMC的等效模型，以使所述等效模型进行仿真运行；
排序模块，用于采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果；
判断模块，用于判断当前仿真时刻是否大于所述仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；其中，所述下一个仿真时刻等于所述当前仿真时刻加上所述仿真步长；同时，根据所述排序结果以及获取所述当前仿真时刻对应的各桥臂需要投入的电容数目和桥臂电流，确定所述下一仿真时刻各桥臂的所有的所述子模块对应的开关器件的触发状态，以返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。
5.一种使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3中任意一项所述的基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法。
一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法及装置
技术领域
背景技术
[0002] 模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)已在世界各大柔性直流输电工程中得到了广泛应用，相比于半桥子模块(half bridge sub-module，HBSM)和全桥子模块(full bridge sub-module，FBSM)，钳位双子模块(clamp double sub-module，CDSM)能同时隔离直流短路电流并降低成本，具有一定的优势。对于高电平数的CDSM-MMC而言，其非线性换流器模型的导纳矩阵阶数较高，这将使得CDSM-MMC详细的电磁暂态仿真中对非线性换流器模型的导纳矩阵求逆的计算量很大，导致高电平数CDSM-MMC详细的电磁暂态仿真速度极其缓慢。
[0003] 目前应用最广的CDSM-MMC戴维南等效模型，通过将开关器件用一双值可变电阻替换且关断电阻为一实际值(0.1MΩ～10MΩ)，同时使用梯形积分法离散化子模块电容，并求出单个桥臂的戴维南等效电路，从而实现导纳矩阵的降阶。该模型具有很高的仿真精度，但无法根据仿真需求灵活调整以获得不同的稳定性和计算精度等性能。
发明内容
[0004] 本发明实施例的目的是提供一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法及装置，能根据仿真需求灵活调整权重系数的大小以获得不同的稳定性和计算精度。
[0005] 为实现上述目的，本发明一实施例提供了一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法，包括以下步骤：
[0007] 将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容；
[0008] 计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；
[0009] 通过叠加求和模块化多电平换流器中的每一桥臂的所述戴维南等效电阻和所述戴维南等效电压，得到基于权重法CDSM-MMC的等效模型，以使所述等效模型进行仿真运行；
[0011] 判断当前仿真时刻是否大于所述仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；其中，所述下一个仿真时刻等于所述当前仿真时刻加上所述仿真步长；同时，
[0012] 根据所述排序结果以及获取所述当前仿真时刻对应的各桥臂需要投入的电容数目和桥臂电流，确定所述下一仿真时刻各桥臂的所有的所述子模块对应的开关器件的触发状态，以返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。
[0013] 优选地，所述将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容，具体包括：
[0014] 将每一个所述子模块中的绝缘栅双极型晶体管及其反并联二极管用一个双值可变电阻等效代替；其中，当所述绝缘栅双极型晶体管导通时，所述可变电阻取较小值，当所述绝缘栅双极型晶体管关断时，所述可变电阻取较大值；
[0015] 采用权重数值积分法对所述子模块中的电容进行离散化，将电容离散化为电压源串联电阻，得到仿真时刻为t对应的电容电压为其中 ，VC
(t)、VC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电压值，IC(t)、IC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电流值，RC为所述电容等效电阻，θ为权重系数，0.5≤θ≤1，C为电容值。
(t)、VC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电压值，IC(t)、IC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电流值，RC为所述电容等效电阻，θ为权重系数，0.5≤θ≤1，C为电容值。
[0016] 优选地，所述采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果，具体包括：
[0017] 1)、获取所述系统预设的权重系数，并判断所述权重系数的取值，若θ＝1，则执行步骤7)～步骤9)；若0.5≤θ＜1，则执行步骤2)～步骤6)；
[0018] 2)将所述模块化多电平换流器的单个桥臂内全部2N个子模块电容按仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的投切状态划分为以下四类：第1类，仿真时刻为t和仿真时刻为t-ΔT对应的电容均为投入状态；第2类，仿真时刻为t对应的电容为投入状态、仿真时刻为t-ΔT对应的电容为切除状态；第3类，仿真时刻为t对应的电容为切除状态、仿真时刻为t-ΔT对应的电容为投入状态；第4类，仿真时刻为t和仿真时刻为t-ΔT对应的电容均为切除状态；其中，这四类中子模块电容电压均为升序排列。
[0019] 3)根据VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，完成单个仿真步长内这四类中各自子模块电容电压的更新；其中，同一类别中各子模块电容电压更新后依然为升序排列。
[0020] 4)将所述第1类升序排列的子模块电容电压设定为a1、a2～aM，将所述第2类升序排列的子模块电容电压设定为b1、b2～bK，排序时首先比较a1和b1的大小，若a1b1则令b1＝e1，之后再对比a1与b2的大小并依此类推，最后得到第5类升序排列的子模块电容电压为e1
[0021] 5)按照步骤4)的方法对第3类、第4类子模块电容电压进行排序，得到第6类升序排列的子模块电容电压；
[0022] 6)同样地按照步骤4)的方法对第5类、第6类子模块电容电压进行排序，得到仿真时刻为t对应的单个桥臂内全部2N个子模块电容按升序排列的电容电压；
[0023] 7)将单个桥臂内全部2N个子模块电容按仿真时刻为t对应的投切状态划分为以下两类：第7类，仿真时刻为t对应的电容为投入状态；第8类，仿真时刻为t对应的电容为切除状态；其中，这两类中子模块电容电压均为升序排列；
[0024] 8)根据VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，完成单个仿真步长内这两类中各自子模块电容电压的更新；其中，同一类别中各子模块电容电压更新后依然为升序排列；
[0025] 9)将第7类升序排列的子模块电容电压设定为c1、c2～cM，将第8类升序排列的子模块电容电压设定为d1、d2～d2N-M，排序时首先比较c1和d1的大小，若c1d1则令d1＝r1，之后再对比c1与d2的大小并依此类推，最后得到仿真时刻为t对应的单个桥臂全部2N个子模块电容按升序排列的电容电压r1
[0026] 本发明另一实施例提供了一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模装置，所述装置包括：
[0027] 初始化模块，用于对系统数据进行初始化处理，包括对仿真时刻、仿真步长、仿真总时长、所有的子模块中的电容电流和电容电压进行初始化；
[0028] 调整模块，用于将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容；
[0029] 计算模块，用于计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；
[0030] 模型获取模块，用于通过叠加求和模块化多电平换流器中的每一桥臂的所述戴维南等效电阻和所述戴维南等效电压，得到基于权重法CDSM-MMC的等效模型，以使所述等效模型进行仿真运行；
[0031] 排序模块，用于采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果；
[0032] 判断模块，用于判断当前仿真时刻是否大于所述仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；其中，所述下一个仿真时刻等于所述当前仿真时刻加上所述仿真步长；同时，[0033] 根据所述排序结果以及获取所述当前仿真时刻对应的各桥臂需要投入的电容数目和桥臂电流，确定所述下一仿真时刻各桥臂的所有的所述子模块对应的开关器件的触发状态，以返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。
[0034] 本发明还有一实施例对应提供了一种使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法。
[0035] 与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法及装置，可根据仿真需求灵活调整权重系数的取值从而获得不同的仿真稳定性和计算精度，并且采用分类排序均压算法对等效模型的均压排序环节进行改进优化，能有效降低基于权重法CDSM-MMC等效模型中子模块电容电压的排序运算量，极大地提高其电磁暂态仿真速度。附图说明
[0036] 图1是本发明一实施例提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的流程示意图；
[0037] 图2是本发明一实施例提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的简单流程示意图；
[0038] 图3是本发明一实施例提供的一种钳位双子模块的示意图：(a)子模块电路结构，(b)正常运行时子模块伴随电路,(c-d)子模块戴维南等效电路；
[0039] 图4是本发明一实施例提供的一种基于权重法CDSM-MMC的等效模型的示意图；
[0040] 图5是本发明一实施例提供的一种分类排序均压算法的流程示意图；
[0041] 图6是本发明一实施例提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模装置的结构示意图。
[0042] 图7是本发明一实施例提供的一种使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置的示意图。
具体实施方式
[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044] 参见图1，是本发明一实施例提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的流程示意图，所述方法包括步骤S1至步骤S6：
[0045] S1、对系统数据进行初始化处理，包括对仿真时刻、仿真步长、仿真总时长、所有的子模块中的电容电流和电容电压进行初始化；
[0046] S2、将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容；
[0047] S3、计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；
[0048] S4、通过叠加求和模块化多电平换流器中的每一桥臂的所述戴维南等效电阻和所述戴维南等效电压，得到基于权重法CDSM-MMC的等效模型，以使所述等效模型进行仿真运行；
[0049] S5、采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果；
[0050] S6、判断当前仿真时刻是否大于所述仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；其中，所述下一个仿真时刻等于所述当前仿真时刻加上所述仿真步长；同时，
[0051] 根据所述排序结果以及获取所述当前仿真时刻对应的各桥臂需要投入的电容数目和桥臂电流，确定所述下一仿真时刻各桥臂的所有的所述子模块对应的开关器件的触发状态，以返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。
[0052] 具体地，为了更清晰地了解本发明的方法，参见图2，是本发明该实施例提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的简单流程示意图。对系统数据进行初始化处理，包括对仿真时刻、仿真步长、仿真总时长、所有的子模块中的电容电流和电容电压进行初始化，一般地，令初始仿真时刻为t＝0，仿真步长为ΔT，优选地，ΔT＝20us，电容电流IC(0)＝0，电容电压UC(0)＝0。因为本发明主要针对于钳位双子模块(clamp double sub-module，CDSM)，所以全文的子模块默认为CDSM。
[0053] 另外，权重系数也在初始化中进行设定，一般根据仿真需求在[0.5,1]内选择一合适的取值，以获得想要的仿真稳定性和计算精度，当θ取值越靠近1时，仿真稳定性越高，但仿真精度越低；当θ取值越靠近0.5时，仿真精度越高，但仿真稳定性越低。除了在仿真开始前根据本次仿真的需求预先对权重系数θ进行灵活调整，还可以在仿真过程中根据某些情况需要调整权重系数θ，这种情况可以在仿真程序中预先添加一个条件判断语句，如果仿真过程中出现了这些情况，就在当前仿真时刻将权重系数θ调整为所需值，之后再求解单个CDSM的戴维南等效电路即可。
[0054] 参见图3(a)，是本发明该实施例提供的一种单个CDSM在正常运行(非闭锁)时的电路结构的示意图。将系统的数据初始化后，就要建立仿真等效模型，等效模型的建立就要对CDSM的电路结构进行等效优化，也就是将子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化子模块中的电容，从而得到图3(b)所示的正常运行(非闭锁)时单个CDSM的伴随电路。
[0055] 根据单个CDSM的伴随电路，可以求解得到单个CDSM的戴维南等效电路，将单个CDSM等效为一个电压源串联一个电阻的形式，如图3(c)和图3(d)所示。根据单个CDSM的戴维南等效电路，可以计算每一个子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。其中，单个CDSM的戴维南等效电阻为 单个CDSM的戴维南等效电压为
[0056] 模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)中的每一桥臂由N个CDSM组成，通过叠加求和模块化多电平换流器中的每一桥臂的戴维南等效电阻和戴维南等效电压，可以得到单个桥臂的戴维南等效电路，最后用单个桥臂的戴维南等效电路依次替换CDSM-MMC的6个桥臂，可以得到基于权重法CDSM-MMC的等效模型，以使等效模型进行仿真运行，也就是说仿真模型为等效模型。参见图4，是本发明该实施例提供的一种基于权重法CDSM-MMC的等效模型的示意图，即CDSM-MMC的6个桥臂分别都被等效为一个等效电压源与一个等效电阻串联的电路结构。
[0057] 采用分类排序均压算法分别对模块化多电平换流器的各桥臂中所有的子模块的电容电压进行排序，得到排序结果。其中，分类排序均压算法是一种排序效果与冒泡法严格等效且最大时间复杂度仅为4N-3或2N-1的分类排序均压算法。
[0058] 判断当前仿真时刻是否大于仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，返回重新计算每一个子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；其中，下一个仿真时刻等于当前仿真时刻加上仿真步长，即t＝t+ΔT；同时，可以根据控制系统指令确定各子模块电容的投切状态，具体如下：
[0059] 根据排序结果以及获取当前仿真时刻对应的各桥臂需要投入的电容数目和桥臂电流，确定下一仿真时刻各桥臂的所有的子模块对应的开关器件的触发状态，以返回重新计算每一个子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。也就是说，根据排序结果，可以得到单个桥臂全部2N个模块电容电压从小到大的排序，此时再根据控制器下发的模块电容的投入个数N0及桥臂电流的流向，按照电流流向的正向取小，负向取大的原则选择前N0或后N0个模块电容作为下一仿真时刻t+ΔT投入的模块电容，其他模块电容则是切除状态。
[0060] 本发明实施例1提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法，可根据仿真需求灵活调整权重系数的取值从而获得不同的仿真稳定性和计算精度，并且采用分类排序均压算法对等效模型的均压排序环节进行改进优化，能有效降低基于权重法CDSM-MMC等效模型中子模块电容电压的排序运算量，极大地提高其电磁暂态仿真速度。
[0061] 作为上述方案的改进，所述将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容，具体包括：
[0062] 将每一个所述子模块中的绝缘栅双极型晶体管及其反并联二极管用一个双值可变电阻等效代替；其中，当所述绝缘栅双极型晶体管导通时，所述可变电阻取较小值，当所述绝缘栅双极型晶体管关断时，所述可变电阻取较大值；
[0063] 采用权重数值积分法对所述子模块中的电容进行离散化，将电容离散化为电压源串联电阻，得到仿真时刻为t对应的电容电压为其中 ，VC
(t)、VC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电压值，IC(t)、IC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电流值，RC为所述电容等效电阻，θ为权重系数，0.5≤θ≤1，C为电容值。
(t)、VC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电压值，IC(t)、IC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电流值，RC为所述电容等效电阻，θ为权重系数，0.5≤θ≤1，C为电容值。
[0064] 具体地，将每一个子模块中的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)及其反并联二极管T1、D1，T2、D2，……，T5、D5分别用一个双值可变电阻R1，R2，……，R5等效代替，即T1、D1等效为R1，T2、D2等效为R2，……，T5、D5等效为R5。其中，当绝缘栅双极型晶体管导通时，可变电阻取较小值，一般为0.01Ω；当绝缘栅双极型晶体管关断时，可变电阻取较大值，一般为1MΩ。正常运行(非闭锁)时单个CDSM中的T5始终处于导通状态，R5＝0.01Ω，二极管D6、D7始终处于关断状态可视为开路。
[0065] 采用权重数值积分法对子模块中的电容C1、C2进行离散化，将电容离散化为电压源串联电阻，如图3(b)所示，得到仿真时刻为t对应的电容电压为其中，VC
(t)、VC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电压值，IC(t)、IC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电流值，RC为所述电容等效电阻，θ为权重系数，0.5≤θ≤1，C为电容值。
(t)、VC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电压值，IC(t)、IC(t-ΔT)分别是仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的电容电流值，RC为所述电容等效电阻，θ为权重系数，0.5≤θ≤1，C为电容值。
[0066] 作为上述方案的改进，所述采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果，具体包括：
[0067] 1)、获取所述系统预设的权重系数，并判断所述权重系数的取值，若θ＝1，则执行步骤7)～步骤9)；若0.5≤θ＜1，则执行步骤2)～步骤6)；
[0068] 2)将所述模块化多电平换流器的单个桥臂内全部2N个子模块电容按仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的投切状态划分为以下四类：第1类，仿真时刻为t和仿真时刻为t-ΔT对应的电容均为投入状态；第2类，仿真时刻为t对应的电容为投入状态、仿真时刻为t-ΔT对应的电容为切除状态；第3类，仿真时刻为t对应的电容为切除状态、仿真时刻为t-ΔT对应的电容为投入状态；第4类，仿真时刻为t和仿真时刻为t-ΔT对应的电容均为切除状态；其中，这四类中子模块电容电压均为升序排列。
[0069] 3)根据VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，完成单个仿真步长内这四类中各自子模块电容电压的更新；其中，同一类别中各子模块电容电压更新后依然为升序排列。
[0070] 4)将所述第1类升序排列的子模块电容电压设定为a1、a2～aM，将所述第2类升序排列的子模块电容电压设定为b1、b2～bK，排序时首先比较a1和b1的大小，若a1b1则令b1＝e1，之后再对比a1与b2的大小并依此类推，最后得到第5类升序排列的子模块电容电压为e1
[0071] 5)按照步骤4)的方法对第3类、第4类子模块电容电压进行排序，得到第6类升序排列的子模块电容电压；
[0072] 6)同样地按照步骤4)的方法对第5类、第6类子模块电容电压进行排序，得到仿真时刻为t对应的单个桥臂内全部2N个子模块电容按升序排列的电容电压；
[0073] 7)将单个桥臂内全部2N个子模块电容按仿真时刻为t对应的投切状态划分为以下两类：第7类，仿真时刻为t对应的电容为投入状态；第8类，仿真时刻为t对应的电容为切除状态；其中，这两类中子模块电容电压均为升序排列；
[0074] 8)根据VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，完成单个仿真步长内这两类中各自子模块电容电压的更新；其中，同一类别中各子模块电容电压更新后依然为升序排列；
[0075] 9)将第7类升序排列的子模块电容电压设定为c1、c2～cM，将第8类升序排列的子模块电容电压设定为d1、d2～d2N-M，排序时首先比较c1和d1的大小，若c1d1则令d1＝r1，之后再对比c1与d2的大小并依此类推，最后得到仿真时刻为t对应的单个桥臂全部2N个子模块电容按升序排列的电容电压r1
[0076] 具体地，参见图5，是本发明一实施例提供的一种分类排序均压算法的流程示意图，分类排序均压算法的具体流程步骤如下：
[0077] 1)、在对系统数据进行初始化时，会预设权重系数，所以可以获取系统预设的权重系数，并判断权重系数的取值，若θ＝1，则执行步骤7)～步骤9)；若0.5≤θ＜1，则执行步骤2)～步骤6)。
[0078] 当0.5≤θ＜1时，执行如下步骤：
[0079] 2)由采用权重数值积分法对子模块中的电容进行离散化，得知子模块的电容电压为VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，所以当θ≠1时，单个仿真步长内功率模块电容电压的增量与仿真时刻为t的电容电流、仿真时刻为t-ΔT的电容电流都有关，所以将模块化多电平换流器的单个桥臂内全部2N个子模块电容按仿真时刻为t、仿真时刻为t-ΔT对应的投切状态划分为以下四类：第1类，仿真时刻为t和仿真时刻为t-ΔT对应的电容均为投入状态；第2类，仿真时刻为t对应的电容为投入状态、仿真时刻为t-ΔT对应的电容为切除状态；第3类，仿真时刻为t对应的电容为切除状态、仿真时刻为t-ΔT对应的电容为投入状态；第4类，仿真时刻为t和仿真时刻为t-ΔT对应的电容均为切除状态；其中，这四类中子模块电容电压均为升序排列。
[0080] 3)根据VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，完成单个仿真步长内这四类中各自子模块电容电压的更新；其中，同一类别中各子模块电容电压更新后依然为升序排列。
[0081] 4)将第1类升序排列的子模块电容电压设定为a1、a2～aM，将第2类升序排列的子模块电容电压设定为b1、b2～bK，排序时首先比较a1和b1的大小，若a1b1则令b1＝e1，之后再对比a1与b2的大小并依此类推，最后得到第5类升序排列的子模块电容电压为e1
[0082] 5)按照步骤4)的方法对第3类、第4类子模块电容电压进行排序，得到第6类升序排列的子模块电容电压，假设为m1
[0083] 6)同样地按照步骤4)的方法对第5类、第6类子模块电容电压进行排序，得到仿真时刻为t对应的单个桥臂内全部2N个子模块电容按升序排列的电容电压，假设为n1
[0084] 当θ＝1时，执行如下步骤：
[0085] 7)因为当采用权重数值积分法对子模块中的电容进行离散化，子模块的电容电压为VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，当θ＝1时，是权重数值积分法的一个特例，此时单个仿真步长内功率模块电容电压的增量只和仿真时刻为t的电容电流有关，所以将单个桥臂内全部2N个子模块电容按仿真时刻为t对应的投切状态划分为以下两类：第7类，仿真时刻为t对应的电容为投入状态；第8类，仿真时刻为t对应的电容为切除状态；
其中，这两类中子模块电容电压均为升序排列；
其中，这两类中子模块电容电压均为升序排列；
[0086] 8)根据VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，完成单个仿真步长内这两类中各自子模块电容电压的更新；其中，同一类别中各子模块电容电压更新后依然为升序排列；
[0087] 9)将第7类升序排列的子模块电容电压设定为c1、c2～cM，将第8类升序排列的子模块电容电压设定为d1、d2～d2N-M，排序时首先比较c1和d1的大小，若c1d1则令d1＝r1，之后再对比c1与d2的大小并依此类推，最后得到仿真时刻为t对应的单个桥臂全部2N个子模块电容按升序排列的电容电压r1＜r2＜...＜r2N。
[0088] 值得注意的是，以下针对同一类别中呈升序排列的子模块电容电压在一个仿真步长内完成更新后，依然为升序排列进行证明。
[0089] 根据图3(b)，由KCL定律、KVL定律分别求得仿真时刻为t对应的权重法CDSM-MMC等效模型单个CDSM所包含的2个子模块电容C1和C2各自对应的电容电流IC1(t)、IC2(t)的表达式如下：
[0090]
[0091] 其中，IARM(t)为仿真时刻为t时对应的CDSM所在桥臂的桥臂电流，R1(t)为仿真时刻为t时开关器件T1、D1对应的等效电阻，R2(t)为仿真时刻为t时开关器件T2、D2对应的等效电阻，R3(t)为仿真时刻为t时开关器件T3、D3对应的等效电阻，R4(t)为仿真时刻为t时开关器件T4、D4对应的等效电阻，UC1(t)为仿真时刻为t时电容C1对应的电容电压值，UC2(t)为仿真时刻为t时电容C2对应的电容电压值。
[0092] 将电容电流IC1(t)、IC2(t)的表达式代入VC(t)＝VC(t-ΔT)+RC·[θ·IC(t)+(1-θ)IC(t-ΔT)]，可以得到各自对应的电容电压VC1(t)、VC2(t)的表达式如下：
[0093]
[0094]
[0095] 由电容电压VC1(t)、VC2(t)的表达式可知，子模块电容C1的投切状态是由CDSM中T1、T2这组开关器件的触发状态决定，子模块电容C2的投切状态是由CDSM中的T4、T3这组开关器件的触发状态决定，如表1所示。其中，T1、T2、T3和T4是通过R1、R2、R3、R4的取值影响公式。
[0096] 表1子模块电容的投切状态
[0097]
[0098] 因此，仿真时刻为t对应的权重法CDSM-MMC等效模型单个桥臂内全部2N个子模块电容根据其投切状态是由T1、T2还是T4、T3的触发状态决定可分为两种类型：I类(由T1、T2触发状态决定)、II类(由T4、T3触发状态决定)。I类、II类的子模块电容在仿真时刻为t对应的电容电压表达式如上述所示。
[0099] 假设第i、j个子模块电容Ci、Cj为(t-ΔT)、t时刻投切状态相同(属于同一类别)的任意两个子模块电容，且VCi(t-ΔT)≥VCj(t-ΔT)，这两个子模块电容的类型组合有以下4种情况：
[0100] (1)、Ci、Cj都是I类
[0101] 此时可得以下四个等式：R1i(t-ΔT)＝R1j(t-ΔT)，R2i(t-ΔT)＝R2j(t-ΔT)，R1i(t)＝R1j(t)，R2i(t)＝R2j(t)。单个桥臂内所有CDSM是串联连接的，故在仿真时刻为t对应的桥臂电流IARM(t)及仿真时刻为t-ΔT对应的桥臂电流IARM(t-ΔT)两者相等，求解公式(1)。
[0102]
[0103] 其中，R1i(t)为仿真时刻为t第i个模块电容对应的开关器件T1对应的可变电阻阻值，R2i(t)为仿真时刻为t第i个模块电容对应的开关器件T2对应的可变电阻阻值，Rc为功率模块电容离散化得到的等效电阻，VC1i(t)、VC1j(t)分别为仿真时刻为t第i、j个模块电容的电容电压值，VC1i(t-ΔT)、VC1j(t-ΔT)分别为仿真时刻为t-ΔT第i、j个模块电容的电容电压值，θ为权重系数。
[0104] (2)、Ci、Cj都是II类
[0105] 此时可得以下四个等式：R3i(t-ΔT)＝R3j(t-ΔT)，R4i(t-ΔT)＝R4j(t-ΔT)，R3i(t)＝R3j(t)，R4i(t)＝R4j(t)。单个桥臂内所有CDSM是串联连接的，故在仿真时刻为t对应的桥臂电流IARM(t)及仿真时刻为t-ΔT对应的桥臂电流IARM(t-ΔT)两者相等，求解公式(2)。
[0106]
[0107] 其中，R3i(t)为仿真时刻为t第i个模块电容对应的开关器件T3对应的可变电阻阻值，R4i(t)为仿真时刻为t第i个模块电容对应的开关器件T4对应的可变电阻阻值。
[0108] (3)、Ci为I类、Cj为II类
[0109] 此时可得以下四个等式：R1i(t-ΔT)＝R4j(t-ΔT)，R2i(t-ΔT)＝R3j(t-ΔT)，R1i(t)＝R4j(t)，R2i(t)＝R3j(t)。单个桥臂内所有CDSM是串联连接的，故在仿真时刻为t对应的桥臂电流IARM(t)及仿真时刻为t-ΔT对应的桥臂电流IARM(t-ΔT)两者相等，求解公式(3)。
[0110]
[0111] (4)、Ci为II类、Cj为I类
[0112] 此时可得以下四个等式：R1j(t-ΔT)＝R4i(t-ΔT)，R2j(t-ΔT)＝R3i(t-ΔT)，R1j(t)＝R4i(t)，R2j(t)＝R3i(t)。单个桥臂内所有CDSM是串联连接的，故在仿真时刻为t对应的桥臂电流IARM(t)及仿真时刻为t-ΔT对应的桥臂电流IARM(t-ΔT)两者相等，求解公式(4)。
[0113]
[0114] 之前假设VCi(t-ΔT)≥VCj(t-ΔT)，此外在电磁暂态仿真平台例如PSCAD/EMTDC中，开关器件对应的可变电阻R1、R2、R3、R4在开关器件导通及关断状态时的取值分别为0.01Ω和1MΩ，而RC＝ΔT/C的数值一般不会超过1Ω，一般ΔT＝20us，C＝10mF，权重系数θ∈[0.5,1]。由此可知R3(t)+R4(t)-(1-θ)RC>0、R1(t)+R2(t)-(1-θ)RC>0，再由公式(1)至(4)可知在上述4种情况下VCi(t)-VCj(t)≥0恒成立。
[0115] 由此可知：同一类别中呈升序排列的子模块电容电压在一个仿真步长内完成更新后，依然为升序排列。
[0116] 参见图6，是本发明一实施例提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模装置的结构示意图，所述装置包括：
[0117] 初始化模块11，用于对系统数据进行初始化处理，包括对仿真时刻、仿真步长、仿真总时长、所有的子模块中的电容电流和电容电压进行初始化；
[0118] 调整模块12，用于将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容；
[0119] 计算模块13，用于计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；
[0120] 模型获取模块14，用于通过叠加求和模块化多电平换流器中的每一桥臂的所述戴维南等效电阻和所述戴维南等效电压，得到基于权重法CDSM-MMC的等效模型，以使所述等效模型进行仿真运行；
[0121] 排序模块15，用于采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果；
[0122] 判断模块16，用于判断当前仿真时刻是否大于所述仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；其中，所述下一个仿真时刻等于所述当前仿真时刻加上所述仿真步长；同时，
[0123] 根据所述排序结果以及获取所述当前仿真时刻对应的各桥臂需要投入的电容数目和桥臂电流，确定所述下一仿真时刻各桥臂的所有的所述子模块对应的开关器件的触发状态，以返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。
[0124] 本发明实施例所提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模装置能够实现上述任一实施例所述的基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的所有流程，装置中的各个模块、单元的作用以及实现的技术效果分别与上述实施例所述的基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的作用以及实现的技术效果对应相同，这里不再赘述。
[0125] 参见图7，是本发明实施例提供的一种使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置的示意图，所述使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置包括处理器10、存储器20以及存储在所述存储器20中且被配置为由所述处理器10执行的计算机程序，所述处理器10执行所述计算机程序时实现上述任一实施例所述的基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法。
[0126] 示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器20中，并由处理器10执行，以完成本发明。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法中的执行过程。例如，计算机程序可以被分割成初始化模块、调整模块、计算模块、模型获取模块、排序模块和判断模块，各模块具体功能如下：
[0127] 初始化模块11，用于对系统数据进行初始化处理，包括对仿真时刻、仿真步长、仿真总时长、所有的子模块中的电容电流和电容电压进行初始化；
[0128] 调整模块12，用于将所述子模块中的开关器件用一双值可变电阻等效代替，采用权重数值积分法离散化所述子模块中的电容；
[0129] 计算模块13，用于计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；
[0130] 模型获取模块14，用于通过叠加求和模块化多电平换流器中的每一桥臂的所述戴维南等效电阻和所述戴维南等效电压，得到基于权重法CDSM-MMC的等效模型，以使所述等效模型进行仿真运行；
[0131] 排序模块15，用于采用分类排序均压算法分别对所述模块化多电平换流器的各桥臂中所有的所述子模块的电容电压进行排序，得到排序结果；
[0132] 判断模块16，用于判断当前仿真时刻是否大于所述仿真总时长；若是，则结束仿真；若否，则进入下一个仿真时刻，返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压；其中，所述下一个仿真时刻等于所述当前仿真时刻加上所述仿真步长；同时，
[0133] 根据所述排序结果以及获取所述当前仿真时刻对应的各桥臂需要投入的电容数目和桥臂电流，确定所述下一仿真时刻各桥臂的所有的所述子模块对应的开关器件的触发状态，以返回重新计算每一个所述子模块的戴维南等效电阻和戴维南等效电压。
[0134] 所述使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，示意图7仅仅是一种使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置的示例，并不构成对所述使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0135] 处理器10可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者处理器10也可以是任何常规的处理器等，处理器10是所述使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置的各个部分。
[0136] 存储器20可用于存储所述计算机程序和/或模块，处理器10通过运行或执行存储在存储器20内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器20内的数据，实现所述使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置的各种功能。存储器20可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据程序使用所创建的数据等。此外，存储器20可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0137] 其中，所述使用基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法的装置集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0138] 本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述任一实施例所述的基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法。
[0139] 综上，本发明实施例所提供的一种基于权重法CDSM-MMC电磁暂态整体建模方法及装置，通过将CDSM的开关器件用一双值可变电阻等效替换，采用权重数值积分法替换梯形积分法对所有CDSM电容进行离散化处理，同时基于权重数值积分法的采用，提出了一种排序效果与冒泡法严格等效且最大时间复杂度仅为4N-3或2N-1的分类排序均压算法。本发明能根据仿真需求灵活调整以获得不同的稳定性和计算精度，同时能有效减少CDSM-MMC等效模型中子模块电容电压的排序运算量，从而极大地提高其电磁暂态仿真速度，对CDSM-MMC等效模型的进一步仿真提速研究具有重要的理论意义。
[0140] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
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