本發(fā)明專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MMC換流閥控制頻率優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)方式相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網(wǎng)的增容改造、交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)等方面具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是改變大電網(wǎng)發(fā)展格局的重要戰(zhàn)略選擇。柔性直流輸電作為構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要裝備，其換流裝置顯得至關(guān)重要。因此，從德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)的R.Marquardt提出MMC以來(lái)，基于柔性直流輸電的MMC換流閥就倍受人們的關(guān)注。

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半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率器件一般采用IGBT。通過(guò)控制上下橋臂子模塊投入個(gè)數(shù)，得到希望的輸出電壓等級(jí)和輸出功率。

效率是電力設(shè)備最重要的評(píng)估指標(biāo)之一，而MMC換流閥的損耗大小對(duì)換流閥的效率產(chǎn)生直接影響，對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行成本和運(yùn)行性能起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，MMC交流側(cè)諧波對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的污染。在柔性直流輸電系統(tǒng)中，MMC的諧波特性和損耗大小通常是換流閥濾波設(shè)計(jì)、散熱裝置設(shè)計(jì)重要的參考依據(jù)。

因此，有必要設(shè)計(jì)一種同時(shí)考慮基于損耗和電能質(zhì)量的MMC柔性直流輸電系統(tǒng)優(yōu)化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種柔性直流輸電系統(tǒng)中MMC換流閥控制頻率優(yōu)化方法，這種優(yōu)化方法提高了MMC換流閥的經(jīng)濟(jì)性能與供電質(zhì)量，使柔性直流輸電系統(tǒng)具有更佳的性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明所采用的優(yōu)化方案是：

一種柔性直流輸電系統(tǒng)中MMC換流閥控制頻率優(yōu)化方法，所述的MMC換流閥采用三相六橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相包括上、下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)SM子模塊和1個(gè)電感L串聯(lián)而成，每個(gè)橋臂的N個(gè)SM子模塊從上到下依次標(biāo)號(hào)為SM₁、SM₂……SM_N，上、下橋臂連接點(diǎn)引出相線；三條相線接入公共電網(wǎng)；每個(gè)子模塊都采用相同的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

所述MMC換流閥控制頻率優(yōu)化方法的步驟為：首先，計(jì)算MMC換流閥總損耗率與控制頻率的函數(shù)表達(dá)式和MMC換流閥的諧波畸變率(柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)諧波含量)與控制頻率的函數(shù)表達(dá)式，然后，采用線性加權(quán)和法將這兩個(gè)函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)；最后，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化的控制頻率。

進(jìn)一步地，所述計(jì)算MMC換流閥總損耗率與控制頻率的函數(shù)表達(dá)式包括以下步驟：

1)計(jì)算MMC換流閥的通態(tài)損耗P_con：

其中，

其中，T₀為工頻周期，f為控制頻率，S為MMC換流閥額定容量，為MMC換流閥額定功率因數(shù)角；ω為MMC換流閥交流側(cè)電壓基波角速度；U_dc為MMC換流閥直流側(cè)額定電壓，U_SM為MMC換流閥子模塊電壓額定值，N等于round(U_dc/U_SM)，U_CE0為IGBT的通態(tài)電壓偏置，r_ce為IGBT的通態(tài)電阻；U_f0為二極管通態(tài)電壓偏置，r_f為二極管通態(tài)電阻；根據(jù)器件廠商給出的數(shù)據(jù)，U_CE0、r_ce、U_f0、r_f可以通過(guò)IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得；round()函數(shù)表示取整；

2)計(jì)算MMC換流閥的必要開(kāi)關(guān)損耗P_MMCsw：

其中，

其中，P_IGBTon(k/f)表示IGBT的開(kāi)通損耗，P_IGBToff(k/f)表示IGBT的關(guān)斷損耗，P_Dioderec(k/f)表示二極管的反向恢復(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、c₃可從IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得；

3)計(jì)算MMC換流閥的附加開(kāi)關(guān)損耗P_addsw：

式中，η為均壓控制率；

4)計(jì)算MMC換流閥的總損耗率L(f)：

進(jìn)一步地，所述MMC換流閥的諧波畸變率與控制頻率的函數(shù)表達(dá)式為：

其中，N_h為需要考慮的最高諧波次數(shù)，D_n為第n次諧波畸變率。

進(jìn)一步地，所述采用線性加權(quán)和法得到的單目標(biāo)函數(shù)為：

F(f)＝w₁L(f)+w₂T(f)

其中，權(quán)系數(shù)w₁和w₂為：

D為控制頻率f的取值范圍，D＝{f|1000≤f≤8000}。

進(jìn)一步地，所述采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化的控制頻率包括以下步驟：

(1)基因編碼：根據(jù)控制頻率f的取值范圍，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)控制頻率值f，m₁≥14；然后進(jìn)行下一步；

(2)初始種群的生成：隨機(jī)生成m₂個(gè)f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)算出當(dāng)前種群中每個(gè)f值對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值F，并判斷是否滿足連續(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<0.1；若滿足，則計(jì)算結(jié)束，此時(shí)最后一代最小目標(biāo)函數(shù)值F對(duì)應(yīng)的f值即為最優(yōu)控制頻率值；否則進(jìn)行下一步；

(4)選擇：將計(jì)算得到的F值從小到大保留m₅個(gè)，m₅<m₂；將保留的F值所對(duì)應(yīng)的f值作為下一代的父輩種群；并將最大的F值所對(duì)應(yīng)的f值復(fù)制m₂-m₅個(gè)補(bǔ)充到父輩種群中；然后進(jìn)行下一步；

(5)交叉：對(duì)父輩種群中的m₂個(gè)f值進(jìn)行隨機(jī)兩兩配對(duì)；隨機(jī)選擇一對(duì)f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)f值，隨機(jī)選擇一個(gè)f值；在這個(gè)f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，為加快收斂速度和提高收斂可靠性，設(shè)置變量m₁為14，m₂為50，m₃為5，m₄為0.01，m₅為40。

進(jìn)一步地，所述步驟一中，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”曲線采用二次曲線擬合的方式獲得，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”曲線采用二次曲線擬合的方式獲得，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)二極管生產(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”曲線采用二次曲線擬合的方式獲得，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，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，其特征在于，MMC換流閥額定容量S為500MW，φ為0，T₀為100π，直流側(cè)額定電壓U_dc為±800kV，子模塊額定電壓U_SM為3kV，均壓控制率η為0.1，最高諧波次數(shù)N_h為50；IGBT采用Infineon-FZ1200R45HL3，IGBT的通態(tài)電壓偏置U_CE0為1.342V、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和通態(tài)電阻r_f為0.001109Ω。

有益效果：

本發(fā)明考慮到控制頻率對(duì)MMC柔性直流輸電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)損耗及供電質(zhì)量的影響；推導(dǎo)出了MMC損耗率和諧波畸變率的計(jì)算公式，采用遺傳算法得到能夠優(yōu)化MMC損耗率和諧波畸變率的控制頻率的最優(yōu)值，具有以下優(yōu)點(diǎn)

1)為MMC換流閥的控制提供了可靠的參考，提高了柔性直流輸電系統(tǒng)性能；2)提高了MMC換流閥的經(jīng)濟(jì)性能和供電質(zhì)量。

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4MMC換流閥單相等值電路圖。

圖5遺傳算法結(jié)果圖，圖5(a)為目標(biāo)函數(shù)值，圖5(b)為每代最優(yōu)控制頻率。

圖6損耗與諧波變化過(guò)程圖，圖6(a)為MMC總損耗率變化曲線，圖6(b)為MMC諧波畸變率。

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半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率器件一般采用IGBT。通過(guò)控制上下橋臂子模塊投入個(gè)數(shù)，得到希望的輸出電壓等級(jí)和輸出功率。

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，

其中，t表示時(shí)間，為MMC換流閥額定功率因數(shù)角，ω為MMC換流閥交流側(cè)電壓基波角速度。U_SM為MMC換流閥子模塊電壓額定值，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；根據(jù)器件廠商給出的數(shù)據(jù)，U_CE0、r_ce、U_f0、r_f可以通過(guò)IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得；round()函數(shù)表示取整。

MMC換流閥的必要開(kāi)關(guān)損耗P_MMCsw為：

其中，

式中，P_IGBTon表示IGBT的開(kāi)通損耗；P_IGBToff表示IGBT的關(guān)斷損耗；P_Dioderec表示二極管的反向恢復(fù)損耗。a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃為損耗系數(shù)，可從IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得。

MMC換流閥的附加開(kāi)關(guān)損耗P_addsw為：

式中，η為均壓控制率，取值為0.1。

根據(jù)MMC換流閥的工作原理，可得MMC換流閥的總損耗率L為：

圖4是MMC換流閥單相等值電路圖，第n次諧波畸變率D_n為：

則諧波畸變率T為：

其中，N_h為需要考慮的最高諧波次數(shù)。

根據(jù)線性加權(quán)和法可得目標(biāo)函數(shù)F為：

F(f)＝w₁L(f)+w₂T(f)

其中，目標(biāo)函數(shù)的權(quán)系數(shù)w₁、w₂為：

其中，D為控制頻率f的取值范圍：

D＝{f|1000≤f≤8000}

采用遺傳算法求取最優(yōu)的控制頻率；

(1)基因編碼：每一條基因采用14位的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，表示一個(gè)控制頻率值f；然后進(jìn)行下一步；

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

(3)選擇：計(jì)算出每個(gè)f值對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值F；將計(jì)算得到F值從小到大保留40個(gè)；將保留的F值所對(duì)應(yīng)的f值遺傳到下一代；并將最大F值所對(duì)應(yīng)的f值復(fù)制10個(gè)補(bǔ)充到下一代群體中；然后進(jìn)行下一步；

(4)交叉：對(duì)當(dāng)前群體中的50個(gè)f值進(jìn)行隨機(jī)兩兩配對(duì)；將每一對(duì)f值，隨機(jī)選取一個(gè)二進(jìn)制位互換；然后進(jìn)行下一步；

(5)變異：對(duì)當(dāng)前群體中的50個(gè)f值，隨機(jī)選擇10個(gè)f值；對(duì)這10個(gè)f值，再隨機(jī)選擇一個(gè)二進(jìn)制位進(jìn)行0、1翻轉(zhuǎn)；然后進(jìn)行下一步；

(6)判斷：當(dāng)連續(xù)5次遺傳后，前后兩代的最低目標(biāo)函數(shù)值F相差都小于0.001時(shí)，計(jì)算結(jié)束，此時(shí)最小目標(biāo)函數(shù)值F對(duì)應(yīng)的f值即為最優(yōu)控制頻率值；否則轉(zhuǎn)入(3)。

圖5是遺傳算法結(jié)果圖。遺傳算法中，直流母線電壓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，橋臂電感L₀為4mH，N_h為50，IGBT采用Infineon-FZ1200R45HL3。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)約100代進(jìn)化，算法收斂，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為3600Hz。

圖6是損耗與諧波變化過(guò)程圖，可以得出算法收斂時(shí)的諧波含量為2.5051％，損耗為0.6393％，滿足工程要求，證明本發(fā)明提出的優(yōu)化方法的有效性。