CN103701347A - 一种基于多目标优化的mmc冗余子模块配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法，属于多电平电力电子变换器的控制技术领域。主要包括以下步骤：(1)确定MMC系统的可靠性R_M；(2)确定MMC系统冗余子模块有效利用率E_M；(3)确定冗余子模块数量转换函数C_M；(4)建立并求解多目标优化函数T_M。该方法主要是从MMC系统可靠性R_M、冗余子模块有效利用率E_M和冗余子模块数量转换函数C_M这三个目标出发，建立了多目标优化函数T_M，求解最优冗余子模块数量。在保证系统可靠性的前提下，节约成本，有利于系统的经济运行。

Description

一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法。

背景技术

目前，模块化多电平MMC变换器已经在高压直流输电系统(HVDC)得到了较好的应用。

模块化多电平MMC相对传统多电平技术有着很多优点。传统二极管钳位型多电平技术，随着电平数的增加，钳位二极管增加，直流侧电容电压的均衡控制较难，算法复杂，二极管钳位型三电平一般使用较多，但很难使用在更高的电平领域。H桥级联型多电平技术，采用模块化控制，使得控制变得相对简单，但是应用于高压直流输电系统(HVDC)时，网侧电压须经过多重移相变压器，通过二极管整流后，给各个功率模块提高直流电压，这样使得整个装置的成本和体积变大，不利于高压直流输电系统(HVDC)的发展。然而模块化多电平MMC技术，同样采用模块化控制，高度模块化，拓展容易，冗余设计简单，无需使用多重化移相变压器，大大减小了装置体积和重量，减少了成本和损耗。因此，模块化多电平技术在高压直流输电系统(HVDC)领域越来越受到人们的关注，将来将会成为高压直流输电系统(HVDC)的主要拓扑结构。

高压直流输电系统(HVDC)正常、稳定的工作在输配电领域是非常重要的。但是模块化多电平功率模块较多，随着功率模块的长期使用，必然会出现损坏的现象，这就会影响模块化多电平变换器的正常工作，影响正常的输配电，对电网造成一定损失。在此背景下，通过冗余子模块的配置和使用，来提高系统的可靠性就变得十分重要了。冗余子模块配置越多，系统可靠性越高，但是成本较高，冗余子模块利用率较差，不经济；冗余子模块配置越少，成本较低，但是系统的可靠性得不到保障。因此，合理有效的配置冗余子模块数量就变得十分重要了。但是，目前并没有冗余子模块的配置方法。

针对冗余子模块的配置方法，当前在高压直流输电系统中，主要是根据保守原则，结合工程经验和实际情况来选择冗余子模块数量。目前，有相关文献对冗余子模块的配置做出了分析，但是未能给出具体的配置方法；不过也有文献对冗余子模块的配置做了深入研究，只是给出了冗余子模块配置的大概范围，未能更加深入的研究。基于以上的分析，本发明提出了一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法，主要从系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量这三个目标出发，建立了多目标优化函数，求解最优冗余子模块数量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法。该方法主要是从系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量这三个目标出发，建立了多目标优化函数，求解最优冗余子模块数量。

本发明提供一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤(1)：根据工程实际，结合正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，确定MMC系统的可靠性R_M；

步骤(2)：借助建立MMC系统的可靠性R_M的思想，建立冗余子模块数量n与冗余子模块有效利用率E_M的函数关系；

步骤(3)：为了便于多目标优化问题的统一求解，将冗余子模块数量n进行变换，转换到[0,1]；

步骤(4)：MMC冗余子模块配置目标：系统可靠性尽可能的高，冗余子模块有效利用率尽可能的高，冗余子模块数量尽可能的少。基于上述三个目标，建立了系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数T_M，求解最优冗余子模块数n。

步骤(1)：确定MMC系统的可靠性R_Ｍ

首先，确定单个模块SM的可靠性R，对于单个SM只考虑IGBT，二极管和电容器，则可以得到单个SM的可靠性R：

$R=R_1^2{R}_2^2{R}_3$

(1)

其中，R₁为单个IGBT的可靠性，R₂为单个二极管的可靠性，R₃为单个电容器的可靠性。

然后，根据正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，可以得到A相上桥臂的可靠性R_A1：

$R_{A1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)$

(2)

最后，假设MMC系统的可靠性R_Ｍ只与模块SM的可靠性R有关，其他设备暂不考虑，则可以得到MMC系统的可靠性R_Ｍ：

$R_M={\left[\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right]}^6$

(3)

步骤(2)：确定MMC系统冗余子模块有效利用率Ｅ_Ｍ

首先，借助建立A相上桥臂可靠性R_A1的思想，得到Ａ相上桥臂冗余子模块有效数量：

$Q_{A1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)$

(4)

然后，同理可以得到MMC系统的冗余子模块有效数量Ｑ_M：

$Q_M=6\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)$

(5)

最后，根据冗余子模块数量n，可以得到MMC系统的冗余子模块有效利用率Ｅ_Ｍ：

$E_M=\frac{Q_M}{6n}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)$

(6)

步骤(3)：确定冗余子模块数量转换函数C_M

首先，冗余子模块数量n的目标：在满足高可靠性的前提下，冗余子模块数量n越小越好，即：

C_M(n)＝min(n)

(7)

然后，为了便于多目标优化问题的统一求解，将其转换到[0,1]，转化公式为：

$C_M\left(n\right)=\max \left(\frac{N-n}{N}\right)$

(8)

步骤(4)：建立并求解多目标优化函数T_M

首先，基于步骤(1)、(2)和(3)，建立系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数:

$\left\{\begin{array}{c}{R}_M\left(n\right)=\max \left\{{\left[\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right]}^6\right\}\\ E_M\left(n\right)=\max \left\{\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right\}\\ C_M\left(n\right)=\max \left(\frac{N-n}{N}\right)\end{array}\right.$

(9)

然后，为了便于求解最优冗余子模块数n，引入权值系数w₁，w₂和w₃，将三个目标函数统一为一个目标函数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_M=w_1{R}_M+w_2{E}_M+w_3{C}_M\\ w_1+w_2+w_3=1\end{array}\right.$

(10)

与现有技术相比，本发明有如下优势：

1.本发明综合考虑系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量这三个因素，求解得到的最优冗余子模块数量，更能体现实际工程情况；

2.本发明给出了具体的冗余子模块配置方法和步骤。

附图说明

图1为本发明模块化多电平变换器的拓扑结构图；

图2为本发明单个功率模块SM的结构图；

图3为本发明冗余子模块配置方法流程图；

图4为本发明MMC系统的可靠性R_Ｍ、冗余子模块有效利用率Ｅ_Ｍ、冗余子模块数量转换函数C_M和目标函数T_M随冗余子模块数量n的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明模块化多电平变换器的拓扑结构图，图中u，v和w表示模块化多电平变换器的交流进线端，SM代表单个功率模块，L_s表示桥臂电抗器，u_dc表示直流侧电容电，N表示正常工作时的模块数量，n表示冗余子模块数量。

图2是本发明单个功率模块SM的结构图。T₁，T₂表示IGBT，D₁，D₂表示二极管，C表示电容器。

图3是本发明冗余子模块配置方法流程图，其主要包括以下步骤：

步骤(1)：确定MMC系统的可靠性R_Ｍ

根据工程实际，结合正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，确定MMC系统的可靠性R_M；

步骤(2)：确定MMC系统冗余子模块有效利用率Ｅ_Ｍ

借助建立MMC系统的可靠性R_M的思想，建立冗余子模块数量n与冗余子模块有效利用率E_M的函数关系；

步骤(3)：确定冗余子模块数量转换函数C_M

为了便于多目标优化问题的统一求解，将冗余子模块数量n进行变换，转换到[0,1]；

步骤(4)：建立并求解多目标优化函数TM

MMC冗余子模块配置目标：系统可靠性尽可能的高，冗余子模块有效利用率尽可能的高，冗余子模块数量尽可能的少。基于上述三个目标，建立了系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数，求解最优冗余子模块数n。

步骤(1)：确定MMC系统的可靠性R_Ｍ

首先，确定单个模块SM的可靠性R，对于单个SM只考虑IGBT，二极管和电容器，则可以得到单个SM的可靠性R：

$R=R_1^2{R}_2^2{R}_3$

(11)

其中，R₁为单个IGBT的可靠性，R₂为单个二极管的可靠性，R₃为单个电容器的可靠性。

然后，根据正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，可以得到A相上桥臂的可靠性R_A1：

$R_{A1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)$

(12)

最后，假设MMC系统的可靠性R_Ｍ只与模块SM的可靠性R有关，其他设备暂不考虑，则可以得到MMC系统的可靠性R_Ｍ：

$R_M={\left[\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right]}^6$

(13)

步骤(2)：确定MMC系统冗余子模块有效利用率Ｅ_Ｍ

首先，借助建立A相上桥臂可靠性R_A1的思想，得到Ａ相上桥臂冗余子模块有效数量：

$Q_{A1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)$

(14)

然后，同理可以得到MMC系统的冗余子模块有效数量Ｑ_M：

$Q_M=6\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)$

(15)

最后，根据冗余子模块数量n，可以得到MMC系统的冗余子模块有效利用率Ｅ_Ｍ：

$E_M=\frac{Q_M}{6n}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)$

(16)

步骤(3)：确定冗余子模块数量转换函数C_M

首先，冗余子模块数量n的目标：在满足高可靠性的前提下，冗余子模块数量n越小越好，即：

C_M(n)＝min(n)

(17)

然后，为了便于多目标优化问题的统一求解，将其转换到[0,1]，转化公式为：

$C_M\left(n\right)=\max \left(\frac{N-n}{N}\right)$

(18)

步骤(4)：建立并求解多目标优化函数T_M

首先，基于步骤(1)、(2)和(3)，建立系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数:

$\left\{\begin{array}{c}{R}_M\left(n\right)=\max \left\{{\left[\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right]}^6\right\}\\ E_M\left(n\right)=\max \left\{\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right\}\\ C_M\left(n\right)=\max \left(\frac{N-n}{N}\right)\end{array}\right.$

(19)

然后，为了便于求解最优冗余子模块数n，引入权值系数w₁，w₂和w₃，将

三个目标函数统一为一个目标函数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_M=w_1{R}_M+w_2{E}_M+w_3{C}_M\\ w_1+w_2+w_3=1\end{array}\right.$

(20)

图4为本发明MMC系统的可靠性R_Ｍ、冗余子模块有效利用率Ｅ_Ｍ、冗余子模块数量转换函数C_M和目标函数T_M随冗余子模块数量n的变化图。其中，假定N=100，R=0.98，w₁=0.6，w₂=0.2，w₃=0.2(对于工程实际，N和R必然是确定的，w₁，w₂和w₃是由系统可靠性和成本权衡得到的，在一定范围内可以选择的)。

根据前面的分析，结合表达式(19)和(20)，并利用工程实际选择N，R，w₁，w₂和w₃，则可以得到最优冗余子模块数量n与N的关系，将两者的关系绘制成表格，这样便于工程实际的查阅，快速选择最优冗余子模块的数量n。表1给出了当R=0.98，w₁=0.6，w₂=0.2，w₃=0.2时，最优冗余子模块数量n与N的关系表格。

表1最优冗余子模块数量n(R=0.98，w₁=0.6，w₂=0.2，w₃=0.2)

N	50	100	150	200	250	300
							n	5	7	9	11	12	14
TM	0.8209	0.8416	0.8531	0.8610	0.8675	0.8731
							RM	0.9952	0.9914	0.9912	0.9925	0.9840	0.9886

本发明提供了一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法。该方法主要是从系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量这三个目标出发，建立了多目标优化函数，求解最优冗余子模块数量。能够在保证系统可靠性的前提下，节约成本，有利于系统的经济运行。

Claims (5)

1.一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤(1)：根据工程实际，结合正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，确定MMC系统的可靠性R_M；

步骤(2)：借助建立MMC系统的可靠性R_M的思想，建立冗余子模块数量n与冗余子模块有效利用率E_M的函数关系；

步骤(3)：为了便于多目标优化问题的统一求解，将冗余子模块数量n进行变换，转换到[0,1]区间；

步骤(4)：MMC冗余子模块配置目标：系统可靠性尽可能的高，冗余子模块有效利用率尽可能的高，冗余子模块数量尽可能的少，基于上述三个目标，建立了系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数T_M，求解最优冗余子模块数n。

2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于所述步骤(1)具体包括：首先，确定单个模块SM的可靠性R，对于单个SM只考虑绝缘栅双极晶体管IGBT、二极管和电容器，则可以得到单个SM的可靠性R：

$R=R_1^2{R}_2^2{R}_3---\left(1\right)$

其中，R₁为单个IGBT的可靠性，R₂为单个二极管的可靠性，R₃为单个电容器的可靠性。

然后，根据正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，可以得到A相上桥臂的可靠性R_A1：

$R_{A1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)---\left(2\right)$

最后，假设MMC系统的可靠性R_Ｍ只与模块SM的可靠性R有关，其他设备暂不考虑，则可以得到MMC系统的可靠性R_Ｍ：

$R_M={\left[\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right]}^6---\left(3\right)$

3.根据权利要求2所述的一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于所述步骤(2)具体包括：首先，借助建立A相上桥臂可靠性R_A1的思想，得到Ａ相上桥臂冗余子模块有效数量：

$Q_{A1}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)---\left(4\right)$

然后，同理可以得到MMC系统的冗余子模块有效数量Ｑ_M：

$Q_M=6\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)---\left(5\right)$

最后，根据冗余子模块数量n，可以得到MMC系统的冗余子模块有效利用率Ｅ_Ｍ：

$E_M=\frac{Q_M}{6n}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)---\left(6\right)$

4.根据权利要求3所述的一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于所述步骤(3)具体包括：首先，冗余子模块数量n的目标：在满足高可靠性的前提下，冗余子模块数量n越小越好，即：

C_M(n)＝min(n)            (7)

然后，为了便于多目标优化问题的统一求解，将其转换到[0,1]，转化公式为：

$C_M\left(n\right)=\max \left(\frac{N-n}{N}\right)---\left(8\right)$

5.根据权利要求4所述的一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于所述步骤(4)具体包括：首先，基于步骤(1)、(2)和(3)，建立系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数:

$\left\{\begin{array}{c}{R}_M\left(n\right)=\max \left\{{\left[\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right]}^6\right\}\\ E_M\left(n\right)=\max \left\{\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\left(C_{N+n}^i{(1-R)}^i{R}^{N+n-i}\right)\right\}\\ C_M\left(n\right)=\max \left(\frac{N-n}{N}\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

然后，为了便于求解最优冗余子模块数n，引入权值系数w₁，w₂和w₃，将三个目标函数统一为一个目标函数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_M=w_1{R}_M+w_2{E}_M+w_3{C}_M\\ w_1+w_2+w_3=1\end{array}\right.---\left(10\right)$

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