一种混合模块化多电平换流器的可靠性分析和冗余配置计算方法

摘要

本发明涉及一种混合模块化多电平换流器可靠性分析和冗余配置方法。本发明的有益效果在于，以保证混合模块化多电平换流器可靠切断直流故障电流为前提，分析了混合模块化多电平换流器中不同类型子模块数目的初始临界比例，进而提出了混合模块化多电平换流器的最优冗余子模块配置方法，该方法同时考虑了换流器的可靠性和冗余子模块中绝缘栅双极晶体管的有效利用率，兼顾了可靠性和经济性。本发明所提出的方法可以为工程设计提供参考。

说明书

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种混合模块化多电平换流器的可靠性分析和冗余配置计算方法。

背景技术

模块化多电平换流器型高压直流输电系统（Modularmultilevelconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，MMC-HVDC）正在得到日益广泛的关注。与传统两电平和三电平电压源换流器（Voltage-sourcedConverter，VSC）相比，MMC具有无需大量IGBT串联、器件承受电压变化率低、输出波形谐波含量较低等优点。可以预见的是，MMC-HVDC将在未来得到更为广泛的应用。

目前，直流短路故障是MMC-HVDC的一个重要问题。实际工程多采用半桥子模块（Half-bridgeSub-module，HBSM），但其不具备直流故障穿越能力，极大地限制了其在架空线领域的应用。直流断路器（DCCircuitBreaker，DCCB）虽然可以迅速隔离直流短路故障，但由于技术不成熟，直流断路器在高压大容量场合仍鲜有应用。在这样的技术背景下，一种比较实际和可行的方案是采用具有可箝位直流故障电流的子模块拓扑以组成具备直流故障穿越能力的MMC，主要全桥子模块（Full-bridgeSub-module，FBSM），双箝位子模块（Clamp-doubleSub-module，CDSM），单箝位子模块（Clamp-singleSub-module，CSSM）。但与HBSM相比，具有直流故障电流箝位能力的子模块拓扑需要更多的电力电子器件，造价较高。一种较为可行的技术方案是采用由两种类型的子模块拓扑组成的混合MMC，其中一种为HBSM，另一种子模块拓扑具备直流故障电流箝位能力。稳态情况下两种子模块拓扑共同支撑直流电流，直流短路故障情况下闭锁换流器，由具备直流故障电流箝位能力的子模块拓扑切断直流故障。

实际工程中，MMC的每个桥臂都有上百个子模块，子模块故障在工程上有可能随时会发生，因此，常配置一定数目的冗余子模块。冗余子模块的数目对MMC的可靠性和工程造价有重要影响。由于混合MMC一般由两种类型的子模块拓扑构成，两种类型子模块的冗余配置相互影响，因而混合MMC的冗余配置是一个非常复杂的决策过程，且对工程的可靠性和经济性有重要影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是混合MMC的可靠性分析和子模块冗余配置方法。为了便于说明该方法，本发明以由HBSM和CSSM组成的混合MMC为例进行说明，其中CSSM具有直流故障电流箝位能力。

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：以混合MMC可靠穿越直流双极短路故障为前提，在不考虑冗余的情况下，计算稳态运行情况下每个桥臂中CSSM数目的最小比例。

步骤2：建立混合MMC的冗余数目与可靠性的关系模型，计算基于HBSM和CSSM的混合MMC的可靠性R_MMC；

步骤3：定义N_0H和N_0CS分别为每个桥臂中HBSM和CSSM的冗余子模块数目，利用一阶向后差分分别计算R_MMC对N_0H和N_0CS的变化率；

步骤4：筛选临界值，当N_0H和N_0CS的值大于临界值时，R_MMC的增长很小（小于设定的阈值）；

步骤5：计算临界值处冗余子模块中绝缘栅双极晶体管的有效利用率；

步骤6：兼顾冗余模块数目对混合MMC的可靠性影响和经济性的影响，建立考虑权重的目标函数，利用步骤3中临界值处的R_MMC和步骤4中计算结果选择混合MMC中子模块的最优冗余配置。

通过以上6个步骤，本发明能够在保证混合MMC可靠切断直流故障电流的前提下，以混合MMC的可靠性分析为基础，计算混合MMC的最优冗余配置，为工程设计提供参考。

附图说明

图1为MMC的基本拓扑结构，其中SM表示子模块（Sub-module，SM），L为桥臂电抗器，U_dc为直流侧电压。图2为HBSM的拓扑结构，其中T1、T2表示绝缘栅双极晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT），D1、D2表示二极管，C表示电容，U_C为电容电压，虚线为换流器闭锁时在不同电流方向下子模块中的电流路径。图3为CSSM的拓扑结构，其中T1、T2和T3表示IGBT，D1、D2、D3和D4表示二极管，虚线为换流器闭锁时在不同电流方向下子模块中的电流路径。图4为闭锁时混合MMC中的电流通路，其中虚线为电流路径，以A相上桥臂和C相下桥臂为例。

具体实施方式

下面将对本发明涉及的混合MMC的可靠性分析和冗余计算方法进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明所要解决的技术问题是在保证混合MMC的直流故障穿越能力的前提下，通过计算混合MMC的可靠性和冗余子模块中IGBT的有效利用率选择混合MMC的最优配置方案。本发明采用如下技术方案实现：

本发明通过如下六个步骤来实现：

步骤1：以混合MMC可靠穿越直流双极短路故障为前提，在不考虑冗余的情况下，计算稳态运行情况下每个桥臂中CSSM数目的最小比例。

不计冗余时，假设混合MMC每个桥臂中所需的HBSM和CSSM模块的数目分别为N_H和N_CS，子模块电容电压为U_C，则混合MMC直流电压U_dc和交流电压之间关系如公式(1)所示。

（1）

公式（1）中，m为调制比（m<1），U_ph和U_L分别为换流变压器副边交流相电压和线电压的幅值。如图4所示，故障电流在不同相的上下桥臂之间流动，以A相上桥臂和C相下桥臂为例进行说明。故障电流通路中共有2N_CS个电容串联，为了保证混合MMC的直流故障穿越能力，每个桥臂中的CSSM数目应满足公式（2）的要求。

（2）

结合公式（1）和公式（2），可以得到每个桥臂中CSSM的数目比例，如公式（3）所示：

（3）

步骤2：建立混合MMC的冗余数目与可靠性的关系模型，计算基于HBSM和CSSM的混合MMC的可靠性R_MMC。

由于MMC的6个桥臂在电气上完全对称，因此，一个桥臂的可靠性可以在一定程度上代表MMC的可靠性，本发明以一个桥臂的可靠性表示MMC的可靠性。如果每个桥臂中发生故障的HBSM和CSSM的数目分别为i_H和i_CS，由于桥臂中CSSM的数目影响MMC的直流故障穿越能力。为了保证MMC的可靠性，规定冗余的CSSM可以用于替代发生故障的HBSM和CSSM，而冗余的HBSM仅可以替代发生故障的HBSM，而不能替代发生故障的CSSM，否则桥臂中可正常运行的CSSM数目减少，可能使混合MMC失去直流故障穿越能力。因此，根据发生故障的子模块数目的不同，可靠性计算应包括两部分：

1）i_H≤N_0H，i_CS≤N_0CS，此时MMC可靠性为R₁，如公式(4)所示：

(4)

2）i_H>N_0H，i_CS≤N_0H+N_0CS-i_H，此时MMC可靠性为R₂，如公式(5)所示:

(5)

公式（4）和公式（5）中C为组合数。综合考虑上述两种情况后的混合MMC的可靠性R_MMC可由公式(6)表示为：

(6)

为了便于计算，将R_MMC的值放入矩阵R中，如式(7)所示:

(7)

其中，N_H和N_CS分别为稳态运行情况下每个桥臂中HBSM和CSSM的数目，N_0H和N_0CS分别为每个桥臂中HBSM和CSSM的冗余数目，N_0Hm和N_0CSm分别是N_0H和N_0CS的最大值，即N_0H从1到N_0Hm变化，N_0CS从1到N_0CSm变化，对应每一组N_0H和N_0CS的值，都可以计算出相应的R_MMC，亦即计算在不同的冗余配置下换流器的可靠性。需要说明的是i_H、i_CS、N_0H、N_0CS、N_0Hm和N_0CSm均为整数。

步骤3：定义N_0H和N_0CS分别为每个桥臂中HBSM和CSSM的冗余子模块数目，利用一阶向后差分分别计算R_MMC对N_0H和N_0CS的变化率。

因为N_0H和N_0CS均为正数，因此由步骤1得到的R_MMC是关于N_0H和N_0CS的二元离散函数。对于离散数据，可用差分近似表示R_MMC随着N_0H和N_0CS的变化规律。

为了便于计算，将R_MMC对N_0H和N_0CS的一阶向后差分分别放入矩阵D_H和D_CS中，矩阵D_H和D_CS中元素的计算方法分别如公式(8)和(9)所示。

(8)

(9)

步骤4：筛选临界值，当N_0H和N_0CS的值大于临界值时，R_MMC的增长很小（小于设定的阈值）；

设定阈值t，则选择临界点的方法如公式(10)和公式(11)所示。

(10)

(11)

满足公式（10）和公式（11）的N_0H和N_0CS的值即为临界值。

步骤5：计算临界值处冗余子模块中绝缘栅双极晶体管的有效利用率。

首先计算冗余子模块中IGBT的有效数目，与可靠性计算类似，冗余子模块中IGBT有效数目的计算也分为两部分，分别如公式(12)和公式(13)所示：

(12)

(13)

则冗余子模块中IGBT的有效数目Q可由公式(14)表示：

(14)

冗余子模块中IGBT的有效利用率η的定义如公式(15)所示：

(15)

步骤6：兼顾冗余模块数目对混合MMC的可靠性影响和经济性的影响，建立考虑权重的目标函数，利用步骤3中临界值处的R_MMC和步骤4中计算结果选择混合MMC中子模块的最优冗余配置。

为了综合考虑冗余模块数目对混合MMC可靠性的影响以及冗余模块中IGBT的有效利用率，提出了如公式（16）所示的目标函数：

(16)

其中ω₁和ω₂为权重系数。目标函数的计算使用由公式(10)和(11)得到的N_0H和N_0CS的临界值。与目标函数F的最大值相对应的N_0H和N_0CS即为混合MMC的最优冗余配置。

本发明的有益效果在于，以保证混合MMC可靠切断直流故障电流为前提，分析了混合MMC中不同类型子模块数目的初始临界比例，进而提出了混合MMC的最优冗余子模块配置方法，该方法同时考虑了换流器的可靠性和冗余子模块中IGBT的有效利用率。

本发明所提出的可靠性分析和最优冗余配置方法可以推广应用于任何由不同类型以及包含两种以上类型子模块拓扑的混合MMC中，具有工程实用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。