CN106655851A - 一种基于mmc换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法 - Google Patents

一种基于mmc换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法。首先计算出MMC换流阀的通态损耗，然后计算出MMC换流阀的开关损耗，得出MMC换流阀总损耗与三次谐波含量的关系式；其次，计算出MMC换流阀的冗余度，得出冗余度与三次谐波含量的关系式；最后以两个关系式为目标，进行多目标优化，得到最优的三次谐波含量值。本发明在通过优化计算三次谐波含量值，可以兼MMC换流阀的损耗和冗余度，从整体上提高MMC换流阀的可靠性和经济性。

Description

一种基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法
技术领域
本发明专利属于柔性直流输电系统领域，特别涉及基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法。
背景技术
柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径，代表着直流输电的未来发展方向，已成为新一代智能电网的关键技术之一。模块化多电平换流阀(modular multilevel converter，MMC)具有易于实现多电平输出，模块化设计等优点，已经成为了VSC-HVDC(Voltage source converter，HVDC)领域最受关注的换流阀拓扑结构之一。损耗不仅是柔性直流输电系统的一个重要评价指标，而且对于换流阀散热器设计和器件选型也起着关键的作用。
随着电压等级的升高，功率模块数量将大幅提升，长期运行情况下，功率模块故障是不可避免的，为避免其影响系统的正常运行，需要配置冗余模块。冗余子模块数量，配置越多，系统可靠性越高，但成本也越高，且冗余子模块利用率较低，不经济；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、有效地配置冗余子模块数量十分重要。MMC由多个子模块构成，如果有1个或多个子模块发生故障，将会严重影响MMC的正常运行，冗余模块的配置能够解决这一问题。当某个工作子模块发生故障时，通过开关将其旁路后投入冗余模块，代替其工作，避免了系统停运，提高了系统可靠性和工作效率。并且MMC也会带来较大的损耗，降低MMC的损耗一直是工程上面所关心的问题。基于上述问题，有必要设计一种兼顾系统冗余度和损耗的优化计算方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出了一种基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，采用遗传算法得到了损耗和冗余最优配置时的三次谐波含量值。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量优化计算方法，所述的MMC换流阀采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块和1个电感L串联而成，每个桥臂的N个SM子模块从上到下依次标号为SM1、SM2……SMN，上、下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；N＝round(Udc/USM)，round()表示取整函数，Udc为MMC换流阀直流母线额定电压，USM为SM子模块额定电压；其特征在于，三次谐波含量优化计算方法的步骤为：首先计算出MMC换流阀的通态损耗，然后计算出MMC换流阀的开关损耗，得出MMC换流阀总损耗与三次谐波含量的关系式；其次，计算出MMC换流阀的冗余度，得出冗余度与三次谐波含量的关系式；最后以两个关系式为目标，进行多目标优化，得到最优的三次谐波含量值。
进一步地，所述计算MMC换流阀的通态损耗的公式为：
其中：
ipa(t)＝S/(3Udc)+2Scos(ωt)/(3Udc)
npa(t)＝(Udc-Udc(cos(ωt)-k cos(3ωt)))/(2USM)
上式中，T为电网工频周期；t表示时间；npa(t)为t时刻a相上桥臂需要投入的子模块个数；PDcond(ipa(t))和PTcond(ipa(t))分别为t时刻a相上桥臂二极管和IGBT的通态损耗，PDcond(-ipa(t))和PTcond(-ipa(t))分别为t时刻a相下桥臂二极管和IGBT的通态损耗，ipa(t)为t时刻a相上桥臂的电流；UCE0，Uf0分别为IGBT和二极管的通态偏置电压，rCE，rf分别为IGBT和二极管的通态电阻；UCE0、Uf0、
rCE、rf都可从IGBT生产厂家给出的数据手册中得到；ω为电网电压的基波角频率，k为叠加的三次谐波含量；S为MMC换流阀的额定功率。
进一步地，所述计算MMC换流阀的开关损耗包括1)计算MMC换流阀的必要开关损耗和2)计算MMC换流阀的附加开关损耗；
1)计算MMC换流阀的必要开关损耗的公式为：
其中：
上式中，Eoff(ipa(t))为t时刻a相下桥臂IGBT的关断损耗，Eoff(-ipa(t))为t时刻a相上桥臂IGBT的关断损耗，Eon(ipa(t))为t时刻a相上桥臂IGBT的开通损耗，Eon(-ipa(t))为t时刻a相下桥臂IGBT的开通损耗，Erec(ipa(t))为t时刻a相上桥臂二极管的反向恢复损耗，Erec(-ipa(t))为t时刻a相下桥臂二极管的反向恢复损耗；a1、b1、c1是IGBT关断损耗的拟合系数；a2、b2、c2是IGBT开通损耗的拟合系数；a3、b3、c3是二极管反向恢复损耗的拟合系数；a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3可从IGBT生产厂家给出的数据手册中获得；
2)计算MMC换流阀的附加开关损耗的公式为：
上式中，l表示第l个控制周期，TS为控制周期；
当npa((l-1)TS)≤N-npa(lTS)时：
Esw-f(l)＝npa((l-1)TS)(Eon(ipa(lTS))+Eoff(ipa(lTS))+Erec(ipa(lTS)))
当npa((l-1)TS)>N-npa(lTS)时：
Esw-f(l)＝(N-npa((l-1)TS))(Eon(ipa(lTS))+Eoff(ipa(lTS))+Erec(ipa(lTS)))。
进一步地，所述MMC换流阀的总损耗与三次谐波含量的关系式为：
F1(k)＝6(Pcond+Psw-b+Psw-f)。
进一步地，所述MMC换流阀的冗余度与三次谐波含量的关系式为：
F2(k)＝min{1-cos(ωt)-kcos(3ωt)}
上式中，min{}函数表示取在所有时间段内的最小值。
进一步地，所述以两个关系式为目标，进行多目标优化，得到最优的三次谐波含量值的步骤包括：
首先，构造目标函数R：
上式中，η1、η2是权系数，由用户根据MMC换流阀的应用场合进行取值；
然后，采用遗传算法对损耗与冗余进行多目标优化计算，即求解目标函数R中三次谐波含量k的最优解。
进一步地，所述采用遗传算法对损耗与冗余进行多目标优化计算包括以下步骤：
(1)基因编码：每一条基因采用m1位的二进制数进行编码，m1≥10；然后进行下一步；
(2)初始种群的生成：随机生成m2个k值作为初始种群，m2≥50；然后进行下一步；
(3)个体评价及终止条件判断：计算出每个k值对应的目标函数值R；判断是否满足连续m3次遗传前后两代的最小目标函数值R之差都小于m4，m3≥5，0<m4<0.01；若满足，则计算结束，此时最后一代种群中最小目标函数值R对应的k值即为最优三次谐波含量值；否则进行下一步；
(4)选择：将计算得到R值从小到大保留m5个；将保留的R值所对应的k值作为下一代的父辈种群；并将最大R值所对应的k值复制m2-m5个补充到父辈种群中；m5<m2；然后进行下一步；
(5)交叉：对父辈种群中的m2个k值进行随机两两配对；将每一对k值，随机选取一个二进制位互换；然后进行下一步；
(6)变异：对交叉后的父辈种群中的m2个k值，随机选择一个k值；在这个k值对应的二进制数中，再随机选择一个二进制位进行0、1翻转；然后转入步骤(3)。
进一步地，在遗传算法中，为了使求解得到的三次谐波含量k精度达到0.001，设置变量m1为10；为加快收敛速度，设置m2为50；为提高收敛可靠性，设置m3为5，m4为0.001，m5为40。
进一步地，所述计算MMC换流阀的必要开关损耗中，a1、b1、c1是IGBT关断损耗的拟合系数，通过对IGBT生产厂家给出的数据手册中“结温125℃下典型集电极电流—关断损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a1是拟合方法中的二次项系数，b1是拟合方法中的一次项系数，c1是拟合方法中的常数项系数；a2、b2、c2是IGBT开通损耗的拟合系数，通过对数据手册中“结温125℃下典型集电极电流—开通损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a2是拟合方法中的二次项系数，b2是拟合方法中的一次项系数，c2是拟合方法中的常数项系数；a3、b3、c3是二极管反向恢复损耗的拟合系数，通过对数据手册中“125℃下典型通态电流—反向恢复损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a3是拟合方法中的二次项系数，b3是拟合方法中的一次项系数，c3是拟合方法中的常数项系数；
进一步地，所述S取值为1000MVA，Udc取值为±300kV，USM取值为3000V，T取值为20ms，TS取值为0.5ms，ω取值为100π，IGBT的型号为Infineon-FZ1200R45HL，UCE0取值为1.343V，Uf0取值为1.079V，rCE取值为0.00126Ω，rf取值为0.001109Ω，η1取值为0.7，η2取值为0.3；a1取值为378.2，a2取值为684.4，a3取值为644.2，b1取值为4.025，b2取值为3.659，b3取值为3.103，c1取值为6.071×10-5，c2取值为6.558×10-4，c3取值为7.984×10-4。
有益效果：
本发明为兼顾冗余度和损耗来选取合适的三次谐波含量，以使冗余度与损耗同时达到最优；对此，本发明提出了一种基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量优化计算方法，根据系统损耗和冗余与三次谐波含量的关系，采用遗传算法优化计算三次谐波含量值，可以兼MMC换流阀的损耗和冗余度。本发明具有以下优点：1)提高了MMC换流阀的可靠性和经济性；2)降低了系统的投资成本。
附图说明
图1为三相MMC拓扑结构图
图2为SM子模块拓扑结构图
图3为调制电压叠加三次谐波图
图4为变化率函数与上桥臂电流图
图5为MMC算例计算结果图；图5(a)为通态损耗与三次谐波叠加量的关系图；图5(b)开关损耗与三次谐波叠加量的关系图；图5(c)为总损耗与三次谐波叠加量的关系图；图5(d)为冗余度与三次谐波叠加量的关系图；
图6为遗传算法结果图；图6(a)为目标函数图；图6(b)为三次谐波叠加量变化过程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是三相MMC拓扑结构图，MMC换流阀的额定功率为1000MVA，直流母线额定电压为±300kV，子模块电容容量为50mF，子模块额定电压为3000V，IGBT的型号为Infineon-FZ1200R45HL。
图2为SM子模块拓扑结构图。由2个绝缘栅双极型晶体管T1和T2以及2个反并联二极管D1和D2以及1个直流电容C组成。子模块存在3种基本工作状态：T1导通和T2关断的投入状态，T1关断和T2导通的切除状态，T1和T2同时关断的闭锁状态。MMC由多个子模块构成，如果有1个或多个子模块发生故障，将会严重影响MMC的正常运行，冗余模块的配置能够解决这一问题。当某个工作子模块发生故障时，通过开关将其旁路后投入冗余模块，代替其工作，避免了系统停运，提高了系统可靠性和工作效率。
图3为调制电压叠加三次谐波图，叠加三次谐波后，峰值电压有所降低。
图4为上桥臂电流和上桥臂电流变化率波形图。
根据图4计算换流阀损耗：
步骤一、计算MMC换流阀的通态损耗：
其中：
ipa(t)＝S/(3Udc)+2Scos(ωt)/(3Udc)
npa(t)＝(Udc-Udc(cos(ωt)-k cos(3ωt)))/(2USM)
上式中，T取值0.02s；UCE0取值为1.343V，Uf0取值为1.079V，rCE取值为0.00126Ω，rf取值为0.001109Ω，ω取值为100π，USM取值为3000V
步骤二、计算MMC换流阀的必要开关损耗：
其中：
上式中：a1取值为378.2，a2取值为684.4，a3取值为644.2，b1取值为4.025，b2取值为3.659，b3取值为3.103，c1取值为6.071×10-5，c2取值为6.558×10-4，c3取值为7.984×10-4。
步骤三、计算MMC换流阀的附加开关损耗：
上式中，TS取值为0.5ms。
当npa((l-1)TS)≤N-npa(lTS)时：
Esw-f(l)＝npa((l-1)TS)(Eon(ipa(lTS))+Eoff(ipa(lTS))+Erec(ipa(lTS)))
当npa((l-1)TS)>N-npa(lTS)时：
Esw-f(l)＝(N-npa((l-1)TS))(Eon(ipa(lTS))+Eoff(ipa(lTS))+Erec(ipa(lTS)))
步骤四、计算MMC换流阀的总损耗：
F1(k)＝6(Pcond+Psw-b+Psw-f)
步骤五、计算MMC换流阀的冗余度：
F2(k)＝min{1-cos(ωt)-kcos(3ωt)}
上式中，min{}函数表示取在所有时间段内的最小值。
图5(a)为通态损耗与三次谐波叠加量的关系图，随着3次谐波含量的增大，通态损耗逐渐减小，通态损耗从0.8744％减小到0.8741％。图5(b)开关损耗与三次谐波叠加量的关系图，随着3次谐波含量的增大，开关损耗有一个极小值点，开关损耗从0.616％减小到0.611％.。图5(c)为总损耗与三次谐波叠加量的关系图，随着3次谐波含量的增大，总损耗存在着一个极小值点，损耗从1.491％减小到1.485％。图5(d)为冗余度与三次谐波叠加量的关系图，随着3次谐波含量的增大，冗余度先逐渐增大，然后再逐渐减小，最大为14.3％，最小为0。
图6为采用遗传算法对损耗与冗余进行多目标优化计算结果。优化过程如下：
构造目标函数R：
上式中，η1、η2是权系数，由用户根据MMC换流阀的应用场合进行取值；
(1)基因编码：每一条基因采用5位的二进制数进行编码，表示一个三次谐波含量值k；然后进行下一步；
(2)初始种群的生成：随机生成50个k值作为初始种群；然后进行下一步；
(3)个体评价及终止条件判断：计算出每个k值对应的目标函数值R；判断是否满足连续5次遗传前后两代的最小目标函数值R之差都小于0.001；若满足，则计算结束，此时最后一代种群中最小目标函数值R对应的k值即为最优三次谐波含量值；否则进行下一步；
(4)选择：计算出每个k值对应的目标函数值R；将计算得到R值从小到大保留40个；将保留的R值所对应的k值作为下一代的父辈种群；并将最大R值所对应的k值复制10个补充到父辈种群中；然后进行下一步；
(5)交叉：对父辈种群中的50个k值进行随机两两配对；将每一对k值，随机选取一个二进制位互换；然后进行下一步；
(6)变异：对交叉后的父辈种群中的50个k值，随机选择10个k值；对这10个k值，再随机选择一个二进制位进行0、1翻转；然后转入步骤(3)。
图6(a)为目标函数图，从图中可以看出目标函数经过约90代进化后收敛；图6(b)为三次谐波叠加量变化过程图，优化结束后，三次谐波叠加量最佳点为24.3％。此时，损耗为1.485％，冗余度为12.7％。与具有最低损耗的冗余度11％相比，采用优化算法时，牺牲了0.005％的损耗，换来了1.7％的冗余度，使得系统可靠性更高，但损耗只增加了0.005％，因此综合性能更优。

Claims (10)

1.一种基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，所述MMC换流阀采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块和1个电感L串联而成，上、下桥臂连接点引出相线，三条相线接入公共电网；N＝round(Udc/USM)，round()表示取整函数，Udc为MMC换流阀直流母线额定电压，USM为SM子模块额定电压；其特征在于，三次谐波含量优化计算方法的步骤为：首先计算出MMC换流阀的通态损耗，然后计算出MMC换流阀的开关损耗，得出MMC换流阀总损耗与三次谐波含量的关系式；其次，计算出MMC换流阀的冗余度，得出冗余度与三次谐波含量的关系式；最后以两个关系式为目标，进行多目标优化，得到最优的三次谐波含量值。
2.根据权利要求1所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述计算MMC换流阀的通态损耗的公式为：
其中：
ipa(t)＝S/(3Udc)+2Scos(ωt)/(3Udc)
npa(t)＝(Udc-Udc(cos(ωt)-k cos(3ωt)))/(2USM)
上式中，T为电网工频周期；t表示时间；npa(t)为t时刻a相上桥臂需要投入的子模块个数；PDcond(ipa(t))和PTcond(ipa(t))分别为t时刻a相上桥臂二极管和IGBT的通态损耗，PDcond(-ipa(t))和PTcond(-ipa(t))分别为t时刻a相下桥臂二极管和IGBT的通态损耗，ipa(t)为t时刻a相上桥臂的电流；UCE0和Uf0分别为IGBT 和二极管的通态偏置电压，rCE和rf分别为IGBT和二极管的通态电阻；UCE0、Uf0、rCE和rf的取值都能从IGBT生产厂家给出的数据手册中得到；ω为电网电压的基波角频率，k为叠加的三次谐波含量；S为MMC换流阀的额定功率。
3.根据权利要求2所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述计算MMC换流阀的开关损耗包括1)计算MMC换流阀的必要开关损耗和2)计算MMC换流阀的附加开关损耗；
1)计算MMC换流阀的必要开关损耗的公式为：
其中：
上式中，Eoff(ipa(t))为t时刻a相下桥臂IGBT的关断损耗，Eoff(-ipa(t))为t时刻a相上桥臂IGBT的关断损耗，Eon(ipa(t))为t时刻a相上桥臂IGBT的开通损耗，Eon(-ipa(t))为t时刻a相下桥臂IGBT的开通损耗，Erec(ipa(t))为t时刻a相上桥臂二极管的反向恢复损耗，Erec(-ipa(t))为t时刻a相下桥臂二极管的反向恢复损耗；a1、b1和c1是IGBT关断损耗的拟合系数；a2、b2和c2是IGBT开通损耗的拟合系数；a3、b3和c3是二极管反向恢复损耗的拟合系数；a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3和c3能从IGBT生产厂家给出的数据手册中获得；
2)计算MMC换流阀的附加开关损耗的公式为：
上式中，l表示第l个控制周期，TS为控制周期；
当npa((l-1)TS)≤N-npa(lTS)时：
Esw-f(l)＝npa((l-1)TS)(Eon(ipa(lTS))+Eoff(ipa(lTS))+Erec(ipa(lTS)))
当npa((l-1)TS)>N-npa(lTS)时：
Esw-f(l)＝(N-npa((l-1)TS))(Eon(ipa(lTS))+Eoff(ipa(lTS))+Erec(ipa(lTS)))。
4.根据权利要求3所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述MMC换流阀的总损耗与三次谐波含量的关系式为：
F1(k)＝6(Pcond+Psw-b+Psw-f)。
5.根据权利要求4所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述MMC换流阀的冗余度与三次谐波含量的关系式为：
F2(k)＝min{1-cos(ωt)-k cos(3ωt)}
上式中，min{}函数表示取在所有时间段内的最小值。
6.根据权利要求5所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述以两个关系式为目标，进行多目标优化，得到最优的三次谐波含量值的步骤包括：
首先，构造目标函数R：
上式中，η1、η2是权系数，由用户根据MMC换流阀的应用场合进行取值；
然后，采用遗传算法对损耗与冗余进行多目标优化计算，即求解目标函数R中三次谐波含量k的最优解。
7.根据权利要求6所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述采用遗传算法对损耗与冗余进行多目标优化计算包括以下步骤：
(1)基因编码：每一条基因采用m1位的二进制数进行编码，m1≥10；然后进行下一步；
(2)初始种群的生成：随机生成m2个k值作为初始种群，m2≥50；然后进行下一步；
(3)个体评价及终止条件判断：计算出每个k值对应的目标函数值R；判断是否满足连续m3次遗传前后两代的最小目标函数值R之差都小于m4，m3≥5，0<m4<0.01；若满足，则计算结束，此时最后一代种群中最小目标函数值R对应的k值即为最优三次谐波含量值；否则进行下一步；
(4)选择：将计算得到R值从小到大保留m5个；将保留的R值所对应的k值作为下一代的父辈种群；并将最大R值所对应的k值复制m2-m5个补充到父辈种群中；m5<m2；然后进行下一步；
(5)交叉：对父辈种群中的m2个k值进行随机两两配对；将每一对k值，随机选取一个二进制位互换；然后进行下一步；
(6)变异：对交叉后的父辈种群中的m2个k值，随机选择一个k值；在这个k值对应的二进制数中，再随机选择一个二进制位进行0、1翻转；然后转入步骤(3)。
8.根据权利要求7所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，在遗传算法中，为了使求解得到的三次谐波含量k精度达到0.001，设置变量m1为10；为加快收敛速度，设置m2为50；为提高收敛可靠性，设置m3为5，m4为0.001，m5为40。
9.根据权利要求8所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述计算MMC换流阀的必要开关损耗中，a1、b1、c1是IGBT关断损耗的拟合系数，通过对IGBT生产厂家给出的数据手册中“结温125℃下典型集电极电流—关断损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a1是拟合方法中的二次项系数，b1是拟合方法中的一次项系数，c1是拟合方法中的常数项系数；a2、b2、c2是IGBT开通损耗的拟合系数，通过对数据手册中“结温125℃下典型集电极电流—开通损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a2是拟合方法中的二次项系数，b2是拟合方法中的一次项系数，c2是拟合方法中的常数项系数；a3、b3、c3是二极管反向恢复损耗的拟合系数，通过对数据手册中“125℃下典型通态电流—反向恢复损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a3是拟合方法中的二次项系数，b3是拟合方法中的一次项系数，c3是拟合方法中的常数项系数。
10.根据权利要求2～9中任一项所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，S取值为1000MVA，Udc取值为±300kV，USM取值为3000V，T取值为20ms，TS取值为0.5ms，ω取值为100π，IGBT的型号为Infineon-FZ1200R45HL，UCE0取值为1.343V，Uf0取值为1.079V，rCE取值为0.00126Ω，rf取值为0.001109Ω，η1取值为0.7，η2取值为0.3；a1取值为378.2，a2取值为684.4，a3取值为644.2，b1取值为4.025，b2取值为3.659，b3取值为3.103，c1取值为6.071×10-5，c2取值为6.558×10-4，c3取值为7.984×10-4。
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