CN106911257B - 一种柔性直流输电系统中mmc换流阀控制频率优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,首先计算MMC换流阀总损耗率与控制频率的函数表达式和MMC换流阀的谐波畸变率与控制频率的函数表达式,并采用线性加权和法将这两个函数表达式转化为单目标函数,最后采用遗传算法进行优化,得到优化的控制频率。本发明兼顾了MMC换流阀的交流侧畸变率和整体损耗,通过优化计算,可以提高MMC换流阀的综合性能。
Description
技术领域
本发明专利属于高压大功率电力电子技术领域,特别涉及一种柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法。
背景技术
与传统方式相比,柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势,是改变大电网发展格局的重要战略选择。柔性直流输电作为构建智能电网的重要装备,其换流装置显得至关重要。因此,从德国慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquardt提出MMC以来,基于柔性直流输电的MMC换流阀就倍受人们的关注。
基于MMC换流阀的柔性直流输电系统是电网建设的重点。MMC换流阀的三相主电路拓扑结构如图1所示,包含6个桥臂,每个桥臂均由N个结构相同的子模块(SM)和1个桥臂电感L串联组成,每个子模块都采用相同的半桥拓扑结构,功率器件一般采用IGBT。通过控制上下桥臂子模块投入个数,得到希望的输出电压等级和输出功率。
效率是电力设备最重要的评估指标之一,而MMC换流阀的损耗大小对换流阀的效率产生直接影响,对系统的长期运行成本和运行性能起着至关重要的作用。同时,MMC交流侧谐波对电网的电能质量也会带来严重的污染。在柔性直流输电系统中,MMC的谐波特性和损耗大小通常是换流阀滤波设计、散热装置设计重要的参考依据。
因此,有必要设计一种同时考虑基于损耗和电能质量的MMC柔性直流输电系统优化方法。
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,提供一种柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,这种优化方法提高了MMC换流阀的经济性能与供电质量,使柔性直流输电系统具有更佳的性能。
为了实现上述目标,本发明所采用的优化方案是:
一种柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,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;每个子模块都采用相同的半桥拓扑结构;
所述MMC换流阀控制频率优化方法的步骤为:首先,计算MMC换流阀总损耗率与控制频率的函数表达式和MMC换流阀的谐波畸变率(柔性直流输电系统交流侧谐波含量)与控制频率的函数表达式,然后,采用线性加权和法将这两个函数表达式转化为单目标函数;最后,采用遗传算法进行优化,得到优化的控制频率。
进一步地,所述计算MMC换流阀总损耗率与控制频率的函数表达式包括以下步骤:
1)计算MMC换流阀的通态损耗Pcon:
其中,
其中,T0为工频周期,f为控制频率,S为MMC换流阀额定容量,为MMC换流阀额定功率因数角;ω为MMC换流阀交流侧电压基波角速度;Udc为MMC换流阀直流侧额定电压,USM为MMC换流阀子模块电压额定值,N等于round(Udc/USM),UCE0为IGBT的通态电压偏置,rce为IGBT的通态电阻;Uf0为二极管通态电压偏置,rf为二极管通态电阻;根据器件厂商给出的数据,UCE0、rce、Uf0、rf可以通过IGBT的数据手册获得;round()函数表示取整;
2)计算MMC换流阀的必要开关损耗PMMCsw:
其中,
其中,PIGBTon(k/f)表示IGBT的开通损耗,PIGBToff(k/f)表示IGBT的关断损耗,PDioderec(k/f)表示二极管的反向恢复损耗;a1、b1、c1是IGBT开通损耗系数;a2、b2、c2是IGBT关断损耗系数;a3、b3、c3是二极管的反向恢复损耗系数;a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3可从IGBT的数据手册中获得;
3)计算MMC换流阀的附加开关损耗Paddsw:
式中,η为均压控制率;
4)计算MMC换流阀的总损耗率L(f):
进一步地,所述MMC换流阀的谐波畸变率与控制频率的函数表达式为:
其中,Nh为需要考虑的最高谐波次数,Dn为第n次谐波畸变率。
进一步地,所述采用线性加权和法得到的单目标函数为:
F(f)=w1L(f)+w2T(f)
其中,权系数w1和w2为:
D为控制频率f的取值范围,D={f|1000≤f≤8000}。
进一步地,所述采用遗传算法进行优化,得到优化的控制频率包括以下步骤:
(1)基因编码:根据控制频率f的取值范围,每一条基因采用m1位的二进制数进行编码,表示一个控制频率值f,m1≥14;然后进行下一步;
(2)初始种群的生成:随机生成m2个f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:计算出当前种群中每个f值对应的目标函数值F,并判断是否满足连续m3次遗传前后两代的最小目标函数值F之差都小于m4,m3≥5,0<m4<0.1;若满足,则计算结束,此时最后一代最小目标函数值F对应的f值即为最优控制频率值;否则进行下一步;
(4)选择:将计算得到的F值从小到大保留m5个,m5<m2;将保留的F值所对应的f值作为下一代的父辈种群;并将最大的F值所对应的f值复制m2-m5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m2个f值进行随机两两配对;随机选择一对f值对应的二进制数,在这对二进制数中随机选取一对二进制位互换;然后进行下一步;
(6)变异:对交叉后的父辈群体中的m2个f值,随机选择一个f值;在这个f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,所述遗传算法中,为加快收敛速度和提高收敛可靠性,设置变量m1为14,m2为50,m3为5,m4为0.01,m5为40。
进一步地,所述步骤一中,a1、b1、c1是IGBT开通损耗系数,通过对IGBT生产厂家的说明书中“125℃时典型集电极电流—开通损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得,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关断损耗系数,通过对IGBT生产厂家的说明书中“125℃时典型集电极电流—关断损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得,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是二极管的反向恢复损耗系数,通过对二极管生产厂家的说明书中“125℃时典型通态电流—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,a1为684.4,b1为3.659,c1为0.0006558,a2为378.2,b2为4.025,c2为0.00006071,a3为644.2,b3为3.103,c3为-0.0007948。
进一步地,其特征在于,MMC换流阀额定容量S为500MW,为0,T0为0.02s,ω0为100π,直流侧额定电压Udc为±800kV,子模块额定电压USM为3kV,均压控制率η为0.1,最高谐波次数Nh为50;IGBT采用Infineon-FZ1200R45HL3,IGBT的通态电压偏置UCE0为1.342V、通态电阻rce为0.00126Ω,二极管的通态电压偏置Uf0为1.079V和通态电阻rf为0.001109Ω。
有益效果:
本发明考虑到控制频率对MMC柔性直流输电系统开关损耗及供电质量的影响;推导出了MMC损耗率和谐波畸变率的计算公式,采用遗传算法得到能够优化MMC损耗率和谐波畸变率的控制频率的最优值,具有以下优点
1)为MMC换流阀的控制提供了可靠的参考,提高了柔性直流输电系统性能;2)提高了MMC换流阀的经济性能和供电质量。
附图说明
图1MMC换流阀的主电路拓扑结构图。
图2导通器件与桥臂电流以及触发信号的关系图。
图3换流阀交流侧电压与桥臂电流示意图。
图4MMC换流阀单相等值电路图。
图5遗传算法结果图,图5(a)为目标函数值,图5(b)为每代最优控制频率。
图6损耗与谐波变化过程图,图6(a)为MMC总损耗率变化曲线,图6(b)为MMC谐波畸变率。
具体实施方式
图1是MMC换流阀的主电路拓扑结构图,MMC换流阀的三相主电路拓扑结构如图1所示,包含6个桥臂,每个桥臂均由N个结构相同的子模块(SM)和1个桥臂电感L串联组成,每个子模块都采用相同的半桥拓扑结构,功率器件一般采用IGBT。通过控制上下桥臂子模块投入个数,得到希望的输出电压等级和输出功率。
图2是导通器件与桥臂电流以及触发信号的关系图,根据MMC换流阀的工作原理可知,通态损耗Pcon为:
其中,
其中,t表示时间,为MMC换流阀额定功率因数角,ω为MMC换流阀交流侧电压基波角速度。USM为MMC换流阀子模块电压额定值,UCE0为IGBT的通态电压偏置,rce为IGBT的通态电阻;Uf0为二极管的通态电压偏置,rf为二极管的通态电阻;根据器件厂商给出的数据,UCE0、rce、Uf0、rf可以通过IGBT的数据手册获得;round()函数表示取整。
MMC换流阀的必要开关损耗PMMCsw为:
其中,
式中,PIGBTon表示IGBT的开通损耗;PIGBToff表示IGBT的关断损耗;PDioderec表示二极管的反向恢复损耗。a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3为损耗系数,可从IGBT的数据手册中获得。
MMC换流阀的附加开关损耗Paddsw为:
式中,η为均压控制率,取值为0.1。
根据MMC换流阀的工作原理,可得MMC换流阀的总损耗率L为:
图4是MMC换流阀单相等值电路图,第n次谐波畸变率Dn为:
则谐波畸变率T为:
其中,Nh为需要考虑的最高谐波次数。
根据线性加权和法可得目标函数F为:
F(f)=w1L(f)+w2T(f)
其中,目标函数的权系数w1、w2为:
其中,D为控制频率f的取值范围:
D={f|1000≤f≤8000}
采用遗传算法求取最优的控制频率;
(1)基因编码:每一条基因采用14位的二进制数进行编码,表示一个控制频率值f;然后进行下一步;
(2)初始种群的生成:随机生成50个f值作为初始种群;然后进行下一步;
(3)选择:计算出每个f值对应的目标函数值F;将计算得到F值从小到大保留40个;将保留的F值所对应的f值遗传到下一代;并将最大F值所对应的f值复制10个补充到下一代群体中;然后进行下一步;
(4)交叉:对当前群体中的50个f值进行随机两两配对;将每一对f值,随机选取一个二进制位互换;然后进行下一步;
(5)变异:对当前群体中的50个f值,随机选择10个f值;对这10个f值,再随机选择一个二进制位进行0、1翻转;然后进行下一步;
(6)判断:当连续5次遗传后,前后两代的最低目标函数值F相差都小于0.001时,计算结束,此时最小目标函数值F对应的f值即为最优控制频率值;否则转入(3)。
图5是遗传算法结果图。遗传算法中,直流母线电压Udc为±800kV,额定容量S为500MW,为0,子模块电容C为20mF,子模块电容平均电压Uc为3kV,桥臂电感L0为4mH,Nh为50,IGBT采用Infineon-FZ1200R45HL3。从图中可以看出,经过约100代进化,算法收敛,此时对应的频率为3600Hz。
图6是损耗与谐波变化过程图,可以得出算法收敛时的谐波含量为2.5051%,损耗为0.6393%,满足工程要求,证明本发明提出的优化方法的有效性。
Claims (8)
1.一种柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,所述的MMC换流阀采用三相六桥臂拓扑结构,每个桥臂均由N个结构相同的子模块和1个桥臂电感L串联组成;
其特征在于,所述MMC换流阀控制频率优化方法的步骤为:首先,计算MMC换流阀总损耗率与控制频率的函数表达式和MMC换流阀的谐波畸变率与控制频率的函数表达式,然后,采用线性加权和法将这两个函数表达式转化为单目标函数;最后,采用遗传算法进行优化,得到优化的控制频率;
所述计算MMC换流阀总损耗率与控制频率的函数表达式包括以下步骤:
1)计算MMC换流阀的通态损耗Pcon:
其中,
其中,T0为工频周期,f为控制频率,S为MMC换流阀额定容量,为MMC换流阀额定功率因数角;ω为MMC换流阀交流侧电压基波角速度;Udc为MMC换流阀直流侧额定电压,USM为MMC换流阀子模块电压额定值,N等于round(Udc/USM),UCE0为IGBT的通态电压偏置,rce为IGBT的通态电阻;Uf0为二极管通态电压偏置,rf为二极管通态电阻;根据器件厂商给出的数据,UCE0、rce、Uf0和rf能通过IGBT的数据手册获得;round()函数表示取整;
2)计算MMC换流阀的必要开关损耗PMMCsw:
其中,
其中,PIGBTon(k/f)表示IGBT的开通损耗,PIGBToff(k/f)表示IGBT的关断损耗,PDioderec(k/f)表示二极管的反向恢复损耗;a1、b1和c1是IGBT开通损耗系数;a2、b2、c2是IGBT关断损耗系数;a3、b3和c3是二极管的反向恢复损耗系数;a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3和c3均能从IGBT的数据手册中获得;
3)计算MMC换流阀的附加开关损耗Paddsw:
式中,η为均压控制率;
4)计算MMC换流阀的总损耗率L(f):
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,其特征在于,所述MMC换流阀的谐波畸变率与控制频率的函数表达式为:
其中,Nh为需要考虑的最高谐波次数,Dn为第n次谐波畸变率,ω0为工频角频率。
3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,其特征在于,所述采用线性加权和法得到的单目标函数为:
F(f)=w1L(f)+w2T(f)
其中,权系数w1和w2为:
D为控制频率f的取值范围,D={f|1000≤f≤8000}。
4.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,其特征在于,所述采用遗传算法进行优化,得到优化的控制频率包括以下步骤:
(1)基因编码:根据控制频率f的取值范围,每一条基因采用m1位的二进制数进行编码,表示一个控制频率值f,m1≥14;然后进行下一步;
(2)初始种群的生成:随机生成m2个f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:计算出当前种群中每个f值对应的目标函数值F,并判断是否满足连续m3次遗传前后两代的最小目标函数值F之差都小于m4,m3≥5,0<m4<0.1;若满足,则计算结束,此时最后一代最小目标函数值F对应的f值即为最优控制频率值;否则进行下一步;
(4)选择:将计算得到的F值从小到大保留m5个,m5<m2;将保留的F值所对应的f值作为下一代的父辈种群;并将最大的F值所对应的f值复制m2-m5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m2个f值进行随机两两配对;随机选择一对f值对应的二进制数,在这对二进制数中随机选取一对二进制位互换;然后进行下一步;
(6)变异:对交叉后的父辈群体中的m2个f值,随机选择一个f值;在这个f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)。
5.根据权利要求4所述的柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,其特征在于,所述遗传算法中,为加快收敛速度和提高收敛可靠性,设置变量m1为14,m2为50,m3为5,m4为0.01,m5为40。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,其特征在于,所述步骤2)中,a1、b1、c1是IGBT开通损耗系数,通过对IGBT生产厂家的说明书中“125℃时典型集电极电流—开通损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得,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关断损耗系数,通过对IGBT生产厂家的说明书中“125℃时典型集电极电流—关断损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得,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是二极管的反向恢复损耗系数,通过对二极管生产厂家的说明书中“125℃时典型通态电流—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。
7.根据权利要求6所述的柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,其特征在于,a1为684.4,b1为3.659,c1为0.0006558,a2为378.2,b2为4.025,c2为0.00006071,a3为644.2,b3为3.103,c3为-0.0007948。
8.根据权利要求2~7中任一项所述的柔性直流输电系统中MMC换流阀控制频率优化方法,其特征在于,MMC换流阀额定容量S为500MW,为0,T0为0.02s,ω0为100π,直流侧额定电压Udc为±800kV,子模块额定电压USM为3kV,均压控制率η为0.1,最高谐波次数Nh为50;IGBT采用Infineon-FZ1200R45HL3,IGBT的通态电压偏置UCE0为1.342V、通态电阻rce为0.00126Ω,二极管的通态电压偏置Uf0为1.079V和通态电阻rf为0.001109Ω。
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