[发明专利]一种模块化多电平换流器的子模块电容电压平衡优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统的电力电子直流输电领域的平衡优化算法，具体涉及一种模块化多电平换流器的子模块电容电压平衡优化方法。

背景技术

模块化多电平（MMC）技术在高压直流输电领域应用时，换流阀需要数百乃至数千只子模块串联，而每个子模块都必须单独控制；子模块储能电容彼此独立，由于材料和制造水平的限制，电容容量、等效串联内阻、自放电速率以及温度分布等参数，都具有一定的离散性，另外考虑到桥臂内能量脉动、功率脉动的变化以及损耗方面，在充放电、能量交换以及运行过程中，子模块电容电压会产生不平衡的状况；而均压问题的妥善解决与否直接决定换流器输出性能的优劣，因此，子模块电容电压平衡算法是整个柔性直流输电系统是否能够稳定运行的前提和基础。

当前，电容电平调制法及其优化方法（保证电压畸变率不太大的情况下，尽量降低器件的开关频率）是柔性直流输电系统对子模块电容电压进行平衡调制的主要方式，此方式以最大值为投入模块数、最小值为零的工频正弦波作为最近电平的调制波，通过实时跟踪子模块电容电压，并通过每周期整体排序，确定投切子模块决策；在建设工程的规模不大的情况下（如上海风电场柔性直流输电示范工程，工程规模20MW，模块最大投入数是49，工频正弦波阶梯波的台阶数为50），对于控制保护系统和阀基控制算法来讲，以200us（工频20ms，半周期50个台阶，控制周期10ms/50=200Us）为操作周期，其数据采集能力、数据处理能力、算法实现控制能力以及系统硬件引起的通道延时和可靠传输等方面要求，是完全可以满足的；但是，随着工程规模的剧增，其模块最大投入数将达到200到400以上，相应的工频正弦波的台阶数也将达到200到400以上，若还是按照原有的实时控制决策方式的控制策略，将需要以低于50Us的周期处理时间，对于系统的采集能力和通道延时及可靠传输等要求，规模将是成倍的，数据处理能力和算法实现控制能力要求则成指数倍的；因此，对于以实时采集、实时控制方式为主的算法平衡实现，将变得非常困难。

禁忌(Tabu Search)算法是一种智能启发式搜索优化算法，具有灵活的记忆功能，通过引入灵活的存储结构和相应的禁忌准则避免重复搜索，并通过特赦准则赦免一些禁忌表中的优良状态，进而保证算法能够搜索到多极值点目标函数的全局最优解；禁忌搜索算法在电力系统的机组负荷分配、配电网故障恢复重构、无功优化等多种领域得到了深入的研究和应用，但基于禁忌搜索优化算法的柔性直流输电系统阀基控制策略方面，国内外很少研究和应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器的子模块电容电压平衡优化方法，该方法以分布式并行处理方式为架构的柔性直流输电系统阀基控制体系架构，对子模块电容电压的调制和平衡算法作决策预测实现，以电流方向、调制投入切出个数、子模块电压大小、子模块状态、器件开关频率等作为算法实现的关键参数，通过禁忌搜索优化算法，对开关动作的子模块进行预先决策，并从整体上将三相上下桥臂的电流、直流电压、桥臂电流变化率等关键因素加入到算法中，将微秒级周期决策转化为毫秒级周期批处理决策，快速搜索一组全局最优解，作为下一周期的子模块投切对象，以此实现柔性直流输电系统阀基控制算法的整体预测子模块电容电压平衡调制算法的方式，从而达到系统调控的要求。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种模块化多电平换流器的子模块电容电压平衡优化方法，所述方法用的系统为模块化多电平换流系统，建立以分布式并行处理方式为架构的柔性直流输电系统阀基控制体系架构，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

（1）确定子模块电容电压平衡控制的控制目标；

（2）建立子模块状态决策优化模型；

（3）对子模块电容电压进行平衡优化；

（4）对子模块电容电压平衡优化进行验证。

进一步地，所述步骤（1）中，子模块电容电压平衡控制的控制目标包括：

1）电容总体波动系数δ：为总体控制目标；

2）电容不平衡度ε：为电容电压平衡的直接控制目标；

3）器件的开关频率；

4）平衡优化算法的实现难易。

进一步地，所述电容不平衡度ε用下述表达式表示：