[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

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。

主权项

1.一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，其特征是在保证混合模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的直流故障穿越能力的前提下，通过计算混合模块化多电平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选择混合MMC的最优配置方案，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单箝位子模块(Clamp Single Sub‑module，CSSM)数目的最小比例：不计冗余时，假设混合MMC每个桥臂中所需的半桥子模块(Half Bridge Sub‑module，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：公式(1)中，m为调制比且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；故障电流在不同相的上下桥臂之间流动，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，2N_CSU_C≥U_L   (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：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：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：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: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：R_MMC＝R₁+R₂   (6)为了便于计算，将R_MMC的值放入矩阵R中，如式(7)所示：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；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2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：D_H(i，j)＝R(i，j+1)‑R(i，j) (i＝ 1，2，…，N_0CSm+1，j＝1，2，…，N_0Hm)   (8)D_CS(i，j)＝R(i+1，j)‑R(i，j) (i＝ 1，2，…，N_0CSm，j＝1，2，…，N_0Hm+1)   (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：D_H(i，j)≥t&D_H(i，j+1)＜t (i＝1，2，…，N_0CSm，j＝1，2，…，N_0Hm‑1)   (10)D_CS(i，j)≥t＆D_CS(i+1，j)＜t (i＝1，2，…，N_0CSm‑1，j＝1，2，…，N_0Hm)   (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：则冗余子模块中IGBT的有效数目Q可由公式(14)表示：Q＝Q₁+Q₂   (14)冗余子模块中IGBT的有效利用率η的定义如公式(15)所示：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；其中，所述目标函数如公式(16)所示：F＝ω₁R_MMC+ω₂η   (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。