[发明专利]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

说明书

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。

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(Modular multilevel converterbased high voltage direct current，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-sourced Converter，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-bridge Sub-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(DC Circuit Breaker，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-bridge Sub-module，FBSM)，双箝位子模块(Clamp-double Sub-module，CDSM)，单箝位子模块(Clamp-single Sub-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；