一種混合模塊化多電平換流器的可靠性分析和冗余配置計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輸配電技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種混合模塊化多電平換流器的可靠性分 析和冗余配置計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統(tǒng)（Mo化Iar multilevel converter based hi曲voltage direct current,MMC-HVDC)正在得到日益廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)兩電平 和S電平電壓源換流器（Voltage-sourced Converter, VSC)相比，MMC具有無需大量IGBT 串聯(lián)、器件承受電壓變化率低、輸出波形諧波含量較低等優(yōu)點(diǎn)。可W預(yù)見的是，MMC-HVDC將 在未來得到更為廣泛的應(yīng)用。 目前，直流短路故障是MMC-HVDC的一個(gè)重要問題。實(shí)際工程多采用半橋子模塊 (化If-bridge Sub-mo化Ie,皿SM),但其不具備直流故障穿越能力，極大地限制了其在架空 線領(lǐng)域的應(yīng)用。直流斷路器（DC Circuit化eaker，DCCB)雖然可W迅速隔離直流短路故 障，但由于技術(shù)不成熟，直流斷路器在高壓大容量場合仍鮮有應(yīng)用。在運(yùn)樣的技術(shù)背景下， 一種比較實(shí)際和可行的方案是采用具有可巧位直流故障電流的子模塊拓?fù)鋀組成具備直 流故障穿越能力的MMC，主要全橋子模塊（化ll-bridge Sub-mo化Ie, FBSM)，雙巧位子模塊 (Clamp-double Sub-module, CDSM)，單巧位子模塊（Clamp-single Sub-module, CSSM)。但 與皿SM相比，具有直流故障電流巧位能力的子模塊拓?fù)湫枰嗟碾娏﹄娮悠骷靸r(jià)較 高。一種較為可行的技術(shù)方案是采用由兩種類型的子模塊拓?fù)浣M成的混合MMC，其中一種為 皿SM,另一種子模塊拓?fù)渚邆渲绷鞴收想娏髑晌荒芰Α７€(wěn)態(tài)情況下兩種子模塊拓?fù)涔餐?撐直流電流，直流短路故障情況下閉鎖換流器，由具備直流故障電流巧位能力的子模塊拓 撲切斷直流故障。 實(shí)際工程中，MMC的每個(gè)橋臂都有上百個(gè)子模塊，子模塊故障在工程上有可能隨時(shí)會(huì)發(fā) 生，因此，常配置一定數(shù)目的冗余子模塊。冗余子模塊的數(shù)目對(duì)MMC的可靠性和工程造價(jià)有 重要影響。由于混合MMC-般由兩種類型的子模塊拓?fù)錁?gòu)成，兩種類型子模塊的冗余配置 相互影響，因而混合MMC的冗余配置是一個(gè)非常復(fù)雜的決策過程，且對(duì)工程的可靠性和經(jīng) 濟(jì)性有重要影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是混合MMC的可靠性分析和子模塊冗余配置方法。為 了便于說明該方法，本發(fā)明W由皿SM和CSSM組成的混合MMC為例進(jìn)行說明，其中CSSM具 有直流故障電流巧位能力。 所述方法具體包括W下步驟： 步驟1 : W混合MMC可靠穿越直流雙極短路故障為前提，在不考慮冗余的情況下，計(jì)算 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下每個(gè)橋臂中CSSM數(shù)目的最小比例。 步驟2 :建立混合MMC的冗余數(shù)目與可靠性的關(guān)系模型，計(jì)算基于皿SM和CSSM的混合 MMC的可靠性 步驟3 :定義和Wws分別為每個(gè)橋臂中皿SM和CSSM的冗余子模塊數(shù)目，利用一階 向后差分分別計(jì)算麻IC對(duì)Wdh和Wdcs的變化率； 步驟4:篩選臨界值，當(dāng)和Wws的值大于臨界值時(shí)，輸?shù)脑鲩L很?。ㄐ∮谠O(shè)定的闊 值）； 步驟5 :計(jì)算臨界值處冗余子模塊中絕緣柵雙極晶體管的有效利用率； 步驟6 :兼顧冗余模塊數(shù)目對(duì)混合MMC的可靠性影響和經(jīng)濟(jì)性的影響，建立考慮權(quán)重的 目標(biāo)函數(shù)，利用步驟3中臨界值處的麻和步驟4中計(jì)算結(jié)果選擇混合MMC中子模塊的最 優(yōu)冗余配置。 通過W上6個(gè)步驟，本發(fā)明能夠在保證混合MMC可靠切斷直流故障電流的前提下，W混 合MMC的可靠性分析為基礎(chǔ)，計(jì)算混合MMC的最優(yōu)冗余配置，為工程設(shè)計(jì)提供參考。
【附圖說明】
[0004] 圖1為MMC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中SM表示子模塊（Sub-mo化Ie, SM), Z為橋臂 電抗器，征為直流側(cè)電壓。圖2為皿SM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中T1、T2表示絕緣柵雙極晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)，Dl、D2 表不二極管，C 表不電容，/?為電容 電壓，虛線為換流器閉鎖時(shí)在不同電流方向下子模塊中的電流路徑。圖3為CSSM的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)，其中T1、T2和T3表示IGBT，D1、D2、D3和D4表示二極管，虛線為換流器閉鎖時(shí)在不同 電流方向下子模塊中的電流路徑。圖4為閉鎖時(shí)混合MMC中的電流通路，其中虛線為電流 路徑，W A相上橋臂和C相下橋臂為例。
【具體實(shí)施方式】
[0005] 下面將對(duì)本發(fā)明設(shè)及的混合MMC的可靠性分析和冗余計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng) 該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在保證混合MMC的直流故障穿越能力的前提下，通過計(jì) 算混合MMC的可靠性和冗余子模塊中IGBT的有效利用率選擇混合MMC的最優(yōu)配置方案。本 發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 本發(fā)明通過如下六個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)： 步驟1 : W混合MMC可靠穿越直流雙極短路故障為前提，在不考慮冗余的情況下，計(jì)算 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下每個(gè)橋臂中CSSM數(shù)目的最小比例。 不計(jì)冗余時(shí)，假設(shè)混合MMC每個(gè)橋臂中所需的皿SM和CSSM模塊的數(shù)目分別為^和筆， 子模塊電容電壓為如則混合MMC直流電壓喘和交流電壓之間關(guān)系如公式（1)所示。 (I) 公式（I)中，妨J調(diào)制比（)，攝和K分別為換流變壓器副邊交流相電壓和線電壓的 幅值。如圖4所示，故障電流在不同相的上下橋臂之間流動(dòng)，W A相上橋臂和C相下橋臂為 例進(jìn)行說明。故障電流通路中共有2筆個(gè)電容串聯(lián)，為了保證混合MMC的直流故障穿越能 力，每個(gè)橋臂中的CSSM數(shù)目應(yīng)滿足公式（2 )的要求。
(2) 結(jié)合公式（1)和公式（2)，可W得到每個(gè)橋臂中CSSM的數(shù)目比例，如公式（3)所示：
(3) 步驟2 :建立混合MMC的冗余數(shù)目與可靠性的關(guān)系模型，計(jì)算基于皿SM和CSSM的混合 MMC的可靠性 由于MMC的6個(gè)橋臂在電氣上完全對(duì)稱，因此，一個(gè)橋臂的可靠性可W在一定程度上代 表MMC的可靠性，本發(fā)明W-個(gè)橋臂的可靠性表示MMC的可靠性。如果每個(gè)橋臂中發(fā)生故 障的皿SM和CSSM的數(shù)目分別為而和如，由于橋臂中CSSM的數(shù)目影