本發(fā)明專(zhuān)利屬于高壓大功率電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柔性直流輸電系統(tǒng)中全橋MMC換流閥冗余度優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的高壓直流輸電以晶閘管為換流元件，采用相控?fù)Q流技術(shù)，以交流母線(xiàn)線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)為基準(zhǔn)，通過(guò)順序發(fā)出的觸發(fā)脈沖，形成一定順序的硅閥的通與斷，從而實(shí)現(xiàn)交流電與直流電的相互轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)高壓直流輸電相比，柔性直流輸電的換流器采用IGBT等可關(guān)斷器件替代傳統(tǒng)的晶閘管，因此具有很多傳統(tǒng)直流輸電所不具備的特性。特別適用于風(fēng)力發(fā)電、海上孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、等應(yīng)用領(lǐng)域，是改變大電網(wǎng)發(fā)展格局的重要戰(zhàn)略選擇。

基于MMC換流閥的柔性直流輸電系統(tǒng)是電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)。MMC換流閥的三相主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包含6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂均由N+N₀個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊(SM)和1個(gè)橋臂電感L串聯(lián)組成，每個(gè)子模塊都采用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率器件一般采用IGBT。此時(shí)，通過(guò)改變子模塊的投入個(gè)數(shù)，就可以靈活改變輸出功率及電壓等級(jí)。

MMC換流閥的經(jīng)濟(jì)性能和供電可靠性對(duì)柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。MMC換流閥中功率器件的損耗及其熱應(yīng)力制約著供電系統(tǒng)的供電可靠性；增大MMC換流閥的冗余度時(shí)，保證了供電可靠性的增大，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)更多的損耗。因此，換流閥損耗與供電可靠性相互影響，相互制約，成為柔性直流輸電系統(tǒng)亟待解決的難題。

因此，有必要設(shè)計(jì)一種兼顧經(jīng)濟(jì)性能和供電可靠性的基于全橋MMC柔性直流輸電系統(tǒng)冗余度優(yōu)化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種柔性直流輸電系統(tǒng)中MMC換流閥冗余度的優(yōu)化方法，這種方法提高了MMC換流閥的經(jīng)濟(jì)性能與供電可靠性，使柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)、安全。

一種柔性直流輸電系統(tǒng)中全橋MMC換流閥冗余度優(yōu)化方法，該MMC換流閥由6個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂均由N+N₀個(gè)子模塊和1個(gè)橋臂電感串聯(lián)組成，其中，N表示常用子模塊個(gè)數(shù)，N₀表示冗余子模塊個(gè)數(shù)；冗余度δ＝N₀/N，每個(gè)子模塊都采用相同的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；本發(fā)明中MMC換流器的子模塊由4個(gè)IGBT和4個(gè)反向續(xù)流二極管構(gòu)成的全橋與儲(chǔ)能電容并聯(lián)而成；

所述的全橋MMC換流閥冗余度優(yōu)化方法為：首先計(jì)算出全橋MMC換流閥的閥損耗率L(δ)與冗余度的關(guān)系式，然后計(jì)算出全橋MMC換流閥的可靠性R_MMC(δ)與冗余度的關(guān)系式，最后以?xún)蓚€(gè)關(guān)系式為目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到最優(yōu)的冗余度值。

進(jìn)一步地，所述計(jì)算全橋MMC換流閥的閥損耗率L(δ)的與冗余度的關(guān)系式包括以下步驟：

1)計(jì)算通態(tài)損耗P_con：

其中，

上式中，T為控制周期，T₀為工頻周期，t表示時(shí)間；ω為交流電壓的基波角頻率；S為MMC換流閥額定容量，為MMC換流閥額定功率因數(shù)角，U_dc為MMC換流閥直流母線(xiàn)電壓額定值，U_SM為MMC換流閥子模塊電壓額定值，i_ap(t)為t時(shí)刻MMC換流閥上橋臂的電流值，n_ap(t)為t時(shí)刻MMC換流閥上橋臂投入的子模塊個(gè)數(shù)；U_CE0為IGBT的通態(tài)電壓偏置，r_ce為IGBT的通態(tài)電阻；U_f0為二極管的通態(tài)電壓偏置，r_f為二極管的通態(tài)電阻；P_Tcon(kT)為kT時(shí)刻IGBT的通態(tài)損耗，P_Dcon(kT)為kT時(shí)刻二極管的通態(tài)損耗；U_CE0、r_ce、U_f0、r_f可從IGBT廠家給出的說(shuō)明書(shū)中獲得；round()表示取整函數(shù)，N等于round(U_dc/U_SM)；

2)計(jì)算必要開(kāi)關(guān)損耗P_sw1：

其中，

式中，P_IGBTon(kT)為kT時(shí)刻IGBT的開(kāi)通損耗；P_IGBToff(kT)為kT時(shí)刻IGBT的關(guān)斷損耗，P_Dioderec(kT)為kT時(shí)刻二極管的反向恢復(fù)損耗；a₁、b₁、c₁是IGBT開(kāi)通損耗系數(shù)；a₂、b₂、c₂是IGBT關(guān)斷損耗系數(shù)；a₃、b₃、c₃是二極管的反向恢復(fù)損耗系數(shù)；a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃和c₃可從IGBT生產(chǎn)廠家的說(shuō)明書(shū)中得到；

3)計(jì)算附加開(kāi)關(guān)損耗P_sw2：

其中，η為均壓控制率；

4)計(jì)算冗余子模塊的開(kāi)關(guān)損耗P_sw3：

5)全橋MMC換流閥的閥損耗率L(δ)與冗余度的關(guān)系式為：

L(δ)＝6(P_con+P_sw1+P_sw2+P_sw3)/S×100％。

進(jìn)一步地，所述全橋MMC換流閥的可靠性R_MMC(δ)與冗余度的關(guān)系式為：

其中，R_SM表示子模塊可靠性。

進(jìn)一步地，所述以?xún)蓚€(gè)關(guān)系式為目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到最優(yōu)的冗余度值，包括以下步驟：

首先，定義目標(biāo)函數(shù)F(δ)：

F(δ)＝w₁L(δ)-w₂R_MMC(δ)

w₁+w₂＝1

上式中，w₁、w₂是權(quán)系數(shù)，由用戶(hù)根據(jù)穩(wěn)定性要求和損耗要求取值；

然后，采用遺傳算法求取最優(yōu)的冗余度值，即目標(biāo)函數(shù)F(δ)的最優(yōu)解。

進(jìn)一步地，所述采用遺傳算法求取最優(yōu)的冗余度值包括以下步驟：

(1)基因編碼：每一條基因采用m₁位的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，表示一個(gè)冗余度δ，m₁≥7；然后進(jìn)行下一步；

(2)初始種群的生成：隨機(jī)生成m₂個(gè)δ值作為初始種群，m₂≥50；然后進(jìn)行下一步；

(3)個(gè)體評(píng)價(jià)及終止條件判斷：計(jì)算出每個(gè)冗余度值δ對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值F；判斷是否滿(mǎn)足連續(xù)m₃次遺傳前后兩代的最小目標(biāo)函數(shù)值F之差都小于m₄，m₃≥5，0<m₄<0.01；若滿(mǎn)足，則計(jì)算結(jié)束，此時(shí)最后一代種群中最小目標(biāo)函數(shù)值F對(duì)應(yīng)的δ值即為最優(yōu)冗余度值；否則進(jìn)行下一步；

(4)選擇：選取m₅個(gè)最小的F值對(duì)應(yīng)的δ值作為下一代的父輩種群，并將最大F值對(duì)應(yīng)的δ值復(fù)制m₂-m₅個(gè)補(bǔ)充到父輩群體中；m₅<m₂；然后進(jìn)行下一步；

(5)交叉：對(duì)父輩群體中的m₂個(gè)δ值進(jìn)行隨機(jī)兩兩配對(duì)；隨機(jī)選擇一對(duì)δ值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，在這對(duì)二進(jìn)制數(shù)中隨機(jī)選取一對(duì)二進(jìn)制位互換；然后進(jìn)行下一步；

(6)變異：對(duì)交叉后的父輩群體中的m₂個(gè)δ值，隨機(jī)選擇一個(gè)δ值；在這個(gè)δ值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)中，再隨機(jī)選擇一個(gè)二進(jìn)制位進(jìn)行0、1翻轉(zhuǎn)；然后轉(zhuǎn)入步驟(3)。

進(jìn)一步地，所述遺傳算法中，為了使冗余度精度達(dá)到0.01，設(shè)置變量m₁為7；為加快收斂速度，設(shè)置m₂為50；為提高收斂可靠性，設(shè)置m₃為5，m₄為0.001，m₅為40。

進(jìn)一步地，所述計(jì)算必要開(kāi)關(guān)損耗P_sw1中，a₁、b₁、c₁是IGBT開(kāi)通損耗系數(shù)，通過(guò)對(duì)IGBT生產(chǎn)廠家的說(shuō)明書(shū)中“125℃時(shí)典型集電極電流—開(kāi)通損耗”曲線(xiàn)采用二次曲線(xiàn)擬合的方式獲得，a₁是擬合方法中的二次項(xiàng)系數(shù)，b₁是擬合方法中的一次項(xiàng)系數(shù)，c₁是擬合方法中的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；a₂、b₂、c₂是IGBT關(guān)斷損耗系數(shù)，通過(guò)對(duì)IGBT生產(chǎn)廠家的說(shuō)明書(shū)中“125℃時(shí)典型集電極電流—關(guān)斷損耗”曲線(xiàn)采用二次曲線(xiàn)擬合的方式獲得，a₂是擬合方法中的二次項(xiàng)系數(shù)，b₂是擬合方法中的一次項(xiàng)系數(shù)，c₂是擬合方法中的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；a₃、b₃、c₃是二極管的反向恢復(fù)損耗系數(shù)，通過(guò)對(duì)IGBT生產(chǎn)廠家的說(shuō)明書(shū)中“125℃時(shí)典型通態(tài)電流—反向恢復(fù)損耗”曲線(xiàn)采用二次曲線(xiàn)擬合的方式獲得，a₃是擬合方法中的二次項(xiàng)系數(shù)，b₃是擬合方法中的一次項(xiàng)系數(shù)，c₃是擬合方法中的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)。

進(jìn)一步地，所述a₁為684.4，b₁為3.659，c₁為0.0006558，a₂為378.2，b₂為4.025，c₂為0.00006071，a₃為644.2，b₃為3.103，c₃為-0.0007948。

進(jìn)一步地，所述ω取值為100π，MMC換流閥額定容量S為500MW，為0，直流側(cè)額定電壓U_dc為±800kV，MMC換流閥子模塊電壓額定值U_SM為3kV，子模塊可靠性R_SM為0.98；IGBT采Infineon-FZ1200R45HL3，IGBT的通態(tài)電壓偏置U_CE0為1.342V、IGBT的通態(tài)電阻r_ce為0.00126Ω，二極管的通態(tài)電壓偏置U_f0為1.079V，二極管的通態(tài)電阻r_f為0.001109Ω；器件參數(shù)均壓控制率η取值為0.1。

有益效果：

本發(fā)明基于對(duì)MMC換流閥閥損耗率和可靠性的分析，設(shè)計(jì)了一種柔性直流輸電系統(tǒng)中MMC換流閥冗余度的優(yōu)化方法，采用線(xiàn)性加權(quán)和法將多目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)，再采用遺傳算法求取最優(yōu)的冗余度，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)對(duì)MMC換流閥的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值；2)提高了MMC換流閥的經(jīng)濟(jì)性能；3)增強(qiáng)了柔性直流輸電系統(tǒng)的供電可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1MMC換流閥的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2導(dǎo)通器件與橋臂電流以及觸發(fā)信號(hào)的關(guān)系圖。

圖3換流閥交流側(cè)電壓與橋臂電流示意圖。

圖4損耗率與冗余度關(guān)系圖。

圖5可靠系與冗余度關(guān)系圖。

圖6遺傳算法結(jié)果圖；圖6(a)是目標(biāo)函數(shù)值的變化過(guò)程圖，圖6(b)是遺傳過(guò)程中每一代最優(yōu)冗余度變化過(guò)程圖。

圖7損耗率與可靠性變化過(guò)程圖；圖7(a)是損耗率變化過(guò)程圖，圖7(b)是可靠性變化過(guò)程圖。

具體實(shí)施方式

圖1是MMC換流閥的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，MMC換流閥的三相主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包含6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂均由N+N₀個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊(SM)和1個(gè)橋臂電感L串聯(lián)組成，每個(gè)子模塊都采用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由4個(gè)IGBT(T₁、T₂、T₃、T₄)和4個(gè)反向續(xù)流二極管(D₁、D₂、D₃、D₄)構(gòu)成的全橋與儲(chǔ)能電容并聯(lián)而成。

圖2是導(dǎo)通器件與橋臂電流以及觸發(fā)信號(hào)的關(guān)系圖，根據(jù)MMC換流閥的工作原理可知，通態(tài)損耗P_con為：

其中，

上式中，T為控制周期，T₀為工頻周期，t表示時(shí)間，ω為交流電壓的基波角頻率，S為MMC換流閥額定容量，為MMC換流閥額定功率因數(shù)角，U_dc為MMC換流閥直流母線(xiàn)電壓額定值，U_SM為MMC換流閥子模塊電壓額定值，i_ap(t)為t時(shí)刻MMC換流閥上橋臂的電流值，n_ap(t)為t時(shí)刻MMC換流閥上橋臂投入的子模塊個(gè)數(shù)。U_CE0為IGBT的通態(tài)電壓偏置，r_ce為IGBT的通態(tài)電阻；U_f0為二極管的通態(tài)電壓偏置，r_f為二極管的通態(tài)電阻；P_Tcon(kT)為kT時(shí)刻IGBT的通態(tài)損耗，P_Dcon(kT)為kT時(shí)刻二極管的通態(tài)損耗；U_CE0、r_ce、U_f0、r_f可從IGBT廠家給出的說(shuō)明書(shū)中獲得；round()函數(shù)表示取整，N等于round(U_dc/U_SM)。

圖3換流閥交流側(cè)電壓與橋臂電流示意圖，P_sw為MMC換流閥的閥開(kāi)關(guān)損耗，包括必要開(kāi)關(guān)損耗P_sw1、附加開(kāi)關(guān)損耗P_sw2和冗余子模塊的開(kāi)關(guān)損耗P_sw3，分析圖3可得：

其中，

式中，P_IGBTon(kT)為kT時(shí)刻IGBT的開(kāi)通損耗；P_IGBToff(kT)為kT時(shí)刻IGBT的關(guān)斷損耗，P_Dioderec(kT)為kT時(shí)刻二極管的反向恢復(fù)損耗，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃為器件參數(shù)，都可從IGBT廠家的說(shuō)明書(shū)中得到。

附加開(kāi)關(guān)損耗P_sw2為：

其中，η為均壓控制率，取值為0.1；

冗余子模塊的開(kāi)關(guān)損耗P_sw3為：

因此，MMC換流閥的開(kāi)關(guān)損耗為：

P_sw＝P_sw1+P_sw2+P_sw3

MMC換流閥的閥損耗率L為：

L(δ)＝6(P_con+P_sw)/S×100％

圖4為損耗率與冗余度關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨之冗余度的增大，損耗率也相應(yīng)的增大。

圖5可靠系與冗余度關(guān)系圖。從圖中可以看出，當(dāng)冗余度較低的時(shí)候，可靠性也低；隨著冗余度的增大，可靠性迅速增大，但當(dāng)冗余度大于0.04后，系統(tǒng)的可靠性變化幅度不大。MMC換流閥的可靠性R_MMC為：

其中，R_SM為子模塊可靠性。

采用線(xiàn)性加權(quán)和法將多目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)，定義目標(biāo)函數(shù)F為：

F(δ)＝w₁L(δ)-w₂R_MMC(δ)

w₁+w₂＝1

上式中，w₁、w₂是權(quán)系數(shù)，由用戶(hù)根據(jù)穩(wěn)定性要求和損耗要求取值；

采用遺傳算法求取最優(yōu)的冗余度：

(1)基因編碼：每一條基因采用7位的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，表示一個(gè)冗余度δ，然后進(jìn)行下一步；

(2)初始種群的生成：隨機(jī)生成50個(gè)δ值作為初始種群；然后進(jìn)行下一步；

(3)個(gè)體評(píng)價(jià)及終止條件判斷：計(jì)算出每個(gè)冗余度值δ對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值F；判斷是否滿(mǎn)足連續(xù)5次遺傳前后兩代的最小目標(biāo)函數(shù)值F之差都小于0.001；若滿(mǎn)足，則計(jì)算結(jié)束，此時(shí)最后一代種群中最小目標(biāo)函數(shù)值F對(duì)應(yīng)的δ值即為最優(yōu)冗余度值；否則進(jìn)行下一步；

(4)選擇：選取40個(gè)最小的F值對(duì)應(yīng)的δ值作為下一代的父輩種群，并將最大F值對(duì)應(yīng)的δ值復(fù)制10個(gè)補(bǔ)充到父輩群體中；然后進(jìn)行下一步；

(5)交叉：對(duì)父輩群體中的50個(gè)δ值進(jìn)行隨機(jī)兩兩配對(duì)；隨機(jī)選擇一對(duì)δ值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，在這對(duì)二進(jìn)制數(shù)中隨機(jī)選取一對(duì)二進(jìn)制位互換；然后進(jìn)行下一步；

(6)變異：對(duì)交叉后的父輩群體中中的50個(gè)δ值，隨機(jī)選擇一個(gè)δ值；在這個(gè)δ值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)中，再隨機(jī)選擇一個(gè)二進(jìn)制位進(jìn)行0、1翻轉(zhuǎn)；然后轉(zhuǎn)入步驟(3)。

圖6是遺傳算法結(jié)果圖，圖6(a)是目標(biāo)函數(shù)值的變化過(guò)程圖，圖6(b)是遺傳過(guò)程中每一代最優(yōu)冗余度變化過(guò)程圖。采用線(xiàn)性加權(quán)和法將多目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)，并采用遺傳算法對(duì)MMC換流閥的閥損耗率和供電可靠性進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)冗余度。遺傳算法中，直流母線(xiàn)電壓U_dc為±800kV，額定容量S為500MW，為0，子模塊電容C為20mF,子模塊電容平均電壓U_c為3kV，子模塊可靠性R_SM為0.98，IGBT采用Infineon-FZ1200R45HL3。從從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)約25代進(jìn)化，算法開(kāi)始收斂，此時(shí)對(duì)應(yīng)的冗余度為0.055。

圖7是閥損耗與可靠性變化過(guò)程圖，圖7(a)是損耗率變化過(guò)程圖，圖7(b)是可靠性變化過(guò)程圖。可以得出算法收斂時(shí)的MMC換流閥損耗率為1.0616％，供電可靠性為0.9996，滿(mǎn)足工程要求，證明本發(fā)明提出的優(yōu)化方法的有效性。