CN107612290A - 换流器的电容电压排序频率的优化控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换流器的电容电压排序频率的优化控制方法和系统，其是获取换流器的系统参数、换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比，根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量，根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。在此方案中，排序频率是在满足预设的换流器子模块电容电压波动百分比的前提下获得的，可以保证换流器的安全性和可靠性不受到影响，并且在电容电压最大增量下可以获得最小的排序频率，将该排序频率应用于电容电压排序算法，可以降低开关器件的开关频率，而且实现方式简单，解决降低换流器开关频率的资源消耗过多的问题。

Description

换流器的电容电压排序频率的优化控制方法和系统

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，特别是涉及一种换流器的电容电压排序频率的优化控制方法和系统。

背景技术

换流器是输配电技术领域中的重要器件，降低换流器的开关损耗和提高换流器运行的可靠性对于输配电技术非常重要。

近年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，因其在有功功率和无功功率独立控制，新能源接入、异步联网及城市供电等方面的独特优势，已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑，在世界范围内取得了广泛的应用。MMC已由最初的低电压、小容量示范工程向高电压、大容量、多端系统方向快速发展，展现出良好的发展前景。

在模块化多电平换流器运行的过程中，开关器件如IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)等开关损耗是换流器的主要损耗之一，研究降低开关器件投切频率的优化控制策略有助于降低换流器的损耗和提高换流器运行的可靠性，这对MMC理论研究和实际工程具有重要的意义。

目前大多数降低模块化多电平换流器开关频率的方法都是从电容电压排序算法和控制策略入手，这样的解决手段往往比较繁琐，其中有些难以实现，使得降低模块化多电平换流器开关频率的资源消耗过多，这在换流器中也是普遍存在的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统的降低换流器开关频率的方式资源消耗过多的问题，提供一种换流器的电容电压排序频率的优化控制方法和系统。

一种换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，包括以下步骤：

获取换流器的系统参数，根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

获取换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比，根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。

一种换流器的电容电压排序频率的优化控制系统，包括：

参数获取单元，用于获取换流器的系统参数；

增量获取单元，用于根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

参数获取单元还用于获取换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比；

频率获取单元，用于根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。

根据上述本发明的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法和系统，其是获取换流器的系统参数、换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比，根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量，根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。在此方案中，排序频率是在满足预设的换流器子模块电容电压波动百分比的前提下获得的，可以保证换流器的安全性和可靠性不受到影响，并且在电容电压最大增量下可以获得最小的排序频率，将该排序频率应用于电容电压排序算法，可以降低开关器件的开关频率，而且实现方式简单，解决降低换流器开关频率的资源消耗过多的问题。

一种可读存储介质，其上存储有可执行程序，该程序被处理器执行时实现上述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的步骤。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的可执行程序，处理器执行程序时实现上述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的步骤。

根据上述本发明的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，本发明还提供一种可读存储介质和计算机设备，用于通过程序实现上述换流器的电容电压排序频率的优化控制方法。

附图说明

图1为本发明一个实施例中的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例中的换流器的电容电压排序频率的优化控制系统的结构示意图；

图3为本发明一个实施例中的换流器的电容电压排序频率的优化控制系统的结构示意图；

图4为本发明一个实施例中的换流器的电容电压排序频率的优化控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

参见图1所示，为本发明一个实施例的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的流程示意图。该实施例中的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法包括以下步骤：

步骤S110：获取换流器的系统参数，根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

在本步骤中，换流器的系统参数包括换流器子模块的充放电过程的相关参数；

步骤S120：获取换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比，根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。

在本步骤中，预设的换流器子模块电容电压波动百分比代表输配电过程中对换流器的安全性和可靠性不造成影响的最高电容电压波动范围限制，获取的换流器的电容电压排序频率是最小的排序频率，至此完成换流器的电容电压排序频率的优化控制过程。

在本实施例中，获取换流器的系统参数、换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比，根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量，根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。在此方案中，排序频率是在满足预设的换流器子模块电容电压波动百分比的前提下获得的，可以保证换流器的安全性和可靠性不受到影响，并且在电容电压最大增量下可以获得最小的排序频率，将该排序频率应用于电容电压排序算法，可以降低开关器件的开关频率，而且实现方式简单，解决降低换流器开关频率的资源消耗过多的问题。

在其中一个实施例中，系统参数包括更新周期值、更新周期内流过子模块的电容的最大电流值、子模块的电容值、换流器的额定有功功率值、换流器的额定直流电压值和换流器的网侧交流电压值；

根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量的步骤包括以下步骤：

在更新周期内流过子模块的电容的电流值最大时，根据更新周期值、子模块的电容值、换流器的额定有功功率值、换流器的额定直流电压值、换流器的网侧交流电压值获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量。

在本实施例中，利用更新周期值、更新周期内流过子模块的电容的最大电流值、子模块的电容值、换流器的额定有功功率值、换流器的额定直流电压值和换流器的网侧交流电压值等与换流器的电容电压密切相关的参数可以准确获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量，提高后续获取的电容电压排序频率的准确度。

可选的，在换流器的子模块充放电的过程中，采用梯形积分法求取电容电压更新过程中的增量，更新周期内流过子模块的电容的最大电流值可以根据换流器桥臂电流的计算方法来获取。

需要说明的是，换流器的子模块可以有多个，可以计算所有的子模块在电容电压更新周期内的最大增量，选择其中数值最大的最大增量。

在其中一个实施例中，根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量的步骤包括以下步骤：

根据获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

式中，ΔU_max表示最大增量，Δt表示更新周期，i_Cmax表示更新周期内流过子模块的电容的最大电流值，C表示子模块的电容值，P表示换流器的额定有功功率值，U_dc表示换流器的额定直流电压值，U_ac表示换流器的网侧交流电压值。

在本实施例中，根据上述公式可以快速简便地获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量，并直接用于后续电容电压排序频率的获取。

在其中一个实施例中，运行参数包括更新周期值和换流器的子模块的电容电压额定值；

根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率的步骤包括以下步骤：

根据更新周期值、换流器的子模块的电容电压额定值和预设的换流器子模块电容电压波动百分比获取电压波动参考值，根据电压波动参考值和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。

在本实施例中，只要在换流器的子模块的电容电压增量最大时，子模块的电容电压波动不超过预设的范围，则在其他时刻子模块的电容电压波动都可以满足当前状态的要求，不会影响换流器的安全性和可靠性。利用更新周期值、换流器的子模块的电容电压额定值和预设的换流器子模块电容电压波动百分比等与换流器的电容电压波动密切相关的参数可以准确获取换流器的电压波动参考值，结合最大增量，可以得到最小的电容电压排序频率，为换流器的开关频率设置提供可靠的依据。

在其中一个实施例中，根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率的步骤包括以下步骤：

根据获取换流器的电容电压排序频率；

式中，f_min表示电容电压排序频率，Δt表示更新周期，U_Cref表示换流器的子模块的电容电压额定值，δ表示预设的换流器子模块电容电压波动百分比，ΔU_max表示最大增量。

在本实施例中，根据上述公式可以快速简便地获取换流器的电容电压排序频率，用于对换流器的开关器件的开关频率的设置，解决降低换流器开关频率的资源消耗过多的问题。

在其中一个实施例中，换流器的电容电压排序频率的优化控制方法还包括以下步骤：

通过电磁暂态软件对换流器的电容电压排序频率进行仿真，根据仿真结果对换流器的电容电压排序频率进行修正，获取修正后的电容电压排序频率。

在本实施例中，获取得到的电容电压排序频率只是对换流器数据进行处理以后得到的理论值，在实际应用时还会有电容电压排序算法、数字控制系统的延时、电压传感器采样时间等的影响，因此可以通过电磁暂态软件对换流器的电容电压排序频率进行仿真，根据仿真结果对换流器的电容电压排序频率进行修正，以得到最佳的电容电压排序频率，实现降低开关器件的开关频率。

在其中一个实施例中，换流器的电容电压排序频率的优化控制方法还包括以下步骤：

根据修正后的电容电压排序频率运行换流器的电容电压排序算法，根据排序结果对换流器的子模块的开关器件进行触发操作。

在本实施例中，利用修正后的电容电压排序频率可以对运行换流器的电容电压排序算法进行调整，并根据排序结果对换流器的子模块的开关器件进行触发操作，从而通过排序频率来控制换流器的开关器件的开关频率，实现降低开关频率的目的。

需要说明的是，换流器的电容电压排序算法是根据换流器中子模块的开通个数、桥臂电流、子模块的电容电压对子模块进行排序，根据排序的结果来选择子模块，对相应的子模块的开关器件进行触发操作。

根据上述换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，本发明还提供一种换流器的电容电压排序频率的优化控制系统，以下就本发明的换流器的电容电压排序频率的优化控制系统的实施例进行详细说明。

参见图2所示，为本发明一个实施例的换流器的电容电压排序频率的优化控制系统的结构示意图，该实施例中的换流器的电容电压排序频率的优化控制系统包括：

参数获取单元210，用于获取换流器的系统参数；

增量获取单元220，用于根据系统参数获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

参数获取单元210还用于获取换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比；

频率获取单元230，用于根据运行参数、预设的换流器子模块电容电压波动百分比和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。

在其中一个实施例中，系统参数包括更新周期值、更新周期内流过子模块的电容的最大电流值、子模块的电容值、换流器的额定有功功率值、换流器的额定直流电压值和换流器的网侧交流电压值；

增量获取单元220在更新周期内流过子模块的电容的电流值最大时，根据更新周期值、子模块的电容值、换流器的额定有功功率值、换流器的额定直流电压值、换流器的网侧交流电压值获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量。

在其中一个实施例中，增量获取单元220根据

获取换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

式中，ΔU_max表示最大增量，Δt表示更新周期，i_Cmax表示更新周期内流过子模块的电容的最大电流值，C表示子模块的电容值，P表示换流器的额定有功功率值，U_dc表示换流器的额定直流电压值，U_ac表示换流器的网侧交流电压值。

在其中一个实施例中，运行参数包括更新周期值和换流器的子模块的电容电压额定值；

频率获取单元230根据更新周期值、换流器的子模块的电容电压额定值和预设的换流器子模块电容电压波动百分比获取电压波动参考值，根据电压波动参考值和最大增量获取换流器的电容电压排序频率。

在其中一个实施例中，频率获取单元230根据获取换流器的电容电压排序频率；

式中，f_min表示电容电压排序频率，Δt表示更新周期，U_Cref表示换流器的子模块的电容电压额定值，δ表示预设的换流器子模块电容电压波动百分比，ΔU_max表示最大增量。

在其中一个实施例中，如图3所示，换流器的电容电压排序频率的优化控制系统还包括频率修正单元240，用于通过电磁暂态软件对换流器的电容电压排序频率进行仿真，根据仿真结果对换流器的电容电压排序频率进行修正，获取修正后的电容电压排序频率。

在其中一个实施例中，如图4所示，换流器的电容电压排序频率的优化控制系统还包括排序触发单元250，用于根据修正后的电容电压排序频率运行换流器的电容电压排序算法，根据排序结果对换流器的子模块的开关器件进行触发操作。

本发明的换流器的电容电压排序频率的优化控制系统与本发明的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法一一对应，在上述换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于换流器的电容电压排序频率的优化控制系统的实施例中。

根据上述换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，本发明实施例还提供一种可读存储介质和一种计算机设备。可读存储介质上存储有可执行程序，该程序被处理器执行时实现上述换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的步骤；计算设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的可执行程序，处理器执行程序时实现上述换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的步骤。

在一个具体的实施例中，换流器的电容电压排序频率的优化控制方法可以应用在柔性直流输电中，换流器可以是模块化多电平换流器。

MMC在运行过程中，只要保证子模块电容电压波动不超过工程规定的限值时，系统的安全性和可靠性就不会受到影响。因此，本发明从降低排序算法频率的角度出发，降低MMC中IGBT的开关频率，从而减低损耗。因此，只要在子模块电容电压波动最大时刻，即子模块电容电压增量最大时，保证子模块电容电压波动不超过工程规定的限值，则在其他时刻子模块的电容电压波动都将满足要求。基于此，本发明先分析流过子模块电流最大值时的子模块电容电压的更新，即求取每个周期内子模块电容电压的最大增量，然后再分析此时的电容电压排序算法最小排序频率，则可以得到电容电压的最小排序频率。具体过程为：

步骤1：研究子模块电容电压充放电过程，根据换流器的系统参数计算出子模块电容电压更新过程中每个周期内子模块电容电压的最大增量；

在分析MMC子模块电容充电放电的过程中，电容电压的更新过程一般采用梯形积分法求取增量。根据桥臂电流的计算方法，可以计算出桥臂电流的计算值，也就是流过子模块的最大电流值，每个更新周期内子模块电容电压的最大增量计算公式如式(1)所示：

式中Δt为更新周期，i_Cmax是每个周期内流过子模块电容最大电流值，C是子模块电容值；P是换流器额定有功功率值，U_dc是额定的直流电压值；U_ac是网侧交流电压值。

由公式(1)可以计算出每个周期内子模块电容电压的最大增量，即为桥臂电流最大值时子模块电容电压的最大增量。

步骤2：只要在子模块电容电压增量最大时，子模块电容电压波动不超过工程规定的限值，则在其他时刻子模块的电容电压波动都将满足要求。若要求子模块电容电压的纹波幅值不超过工程要求的限制，则每两次排序之间的间隔时间内电容电压的增量不能超过子模块电容电压最大波动量，由此可计算出每两次排序之间的间隔时间。得到排序算法的排序间隔后，取倒数即可以得到MMC电容电压均压算法最小的排序频率f_min，MMC电容电压均压算法最小的排序频率f_min计算公式如式(2)所示：

式中U_Cref是子模块电容电压额定值；δ是子模块电容电压纹波幅值相对电容电压额定值的波动百分比。

步骤3：步骤2计算得到的最小排序频率只是理论值，并没有考虑均压算法、数字控制系统延时、电压传感器采样时间等。在经过电磁暂态软件多次仿真后，对原有的排序频率进行了修正和优化，并考虑一定的裕度，得到如公式(3)所示最佳排序频率f_optimal计算公式：

将步骤3中优化设计的最佳排序频率应用于MMC中，可以大大降低换流器的开关频率，从而降低了换流器损耗，延长了IGBT等开关器件的寿命，提高了系统的可靠性。因为排序算法的排序频率降低，每个周期内排序算法的计算次数减少，这样排序算法的整体平均时间计算复杂度也降低了，使得二次控制装置的冗余度增加，可靠性也得以提高。

本实施例提供一种模块化多电平换流器电容电压排序频率的优化设计控制策略，应用于柔性直流输电系统中，可以在降低器件开关频率的同时降低整体平均时间计算复杂度。在运行时可以降低换流器的损耗，延长了IGBT等开关器件的寿命，使得二次控制装置的冗余度增加，提高了系统的可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成。所述的程序可以存储于可读取存储介质中。该程序在执行时，包括上述方法所述的步骤。所述的存储介质，包括：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取换流器的系统参数，根据所述系统参数获取所述换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

获取所述换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比，根据所述运行参数、所述预设的换流器子模块电容电压波动百分比和所述最大增量获取所述换流器的电容电压排序频率。

2.根据权利要求1所述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，其特征在于，所述系统参数包括更新周期值、更新周期内流过所述子模块的电容的最大电流值、所述子模块的电容值、所述换流器的额定有功功率值、所述换流器的额定直流电压值和所述换流器的网侧交流电压值；

所述根据所述系统参数获取所述换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量的步骤包括以下步骤：

在更新周期内流过所述子模块的电容的电流值最大时，根据所述更新周期值、所述子模块的电容值、所述换流器的额定有功功率值、所述换流器的额定直流电压值、所述换流器的网侧交流电压值获取所述换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量。

3.根据权利要求2所述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，其特征在于，所述根据所述系统参数获取所述换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量的步骤包括以下步骤：

根据获取所述换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

式中，ΔU_max表示所述最大增量，Δt表示所述更新周期，i_Cmax表示更新周期内流过所述子模块的电容的最大电流值，C表示所述子模块的电容值，P表示所述换流器的额定有功功率值，U_dc表示所述换流器的额定直流电压值，U_ac表示所述换流器的网侧交流电压值。

4.根据权利要求1所述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，其特征在于，所述运行参数包括更新周期值和所述换流器的子模块的电容电压额定值；

所述根据所述运行参数、所述预设的换流器子模块电容电压波动百分比和所述最大增量获取所述换流器的电容电压排序频率的步骤包括以下步骤：

根据所述更新周期值、所述换流器的子模块的电容电压额定值和所述预设的换流器子模块电容电压波动百分比获取电压波动参考值，根据所述电压波动参考值和所述最大增量获取所述换流器的电容电压排序频率。

5.根据权利要求4所述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，其特征在于，所述根据所述运行参数、所述预设的换流器子模块电容电压波动百分比和所述最大增量获取所述换流器的电容电压排序频率的步骤包括以下步骤：

根据获取所述换流器的电容电压排序频率；

式中，f_min表示电容电压排序频率，Δt表示所述更新周期，U_Cref表示所述换流器的子模块的电容电压额定值，δ表示预设的换流器子模块电容电压波动百分比，ΔU_max表示所述最大增量。

6.根据权利要求1所述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

通过电磁暂态软件对所述换流器的电容电压排序频率进行仿真，根据仿真结果对所述换流器的电容电压排序频率进行修正，获取修正后的电容电压排序频率。

7.根据权利要求6所述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

根据所述修正后的电容电压排序频率运行换流器的电容电压排序算法，根据排序结果对所述换流器的子模块的开关器件进行触发操作。

8.一种换流器的电容电压排序频率的优化控制系统，其特征在于，包括：

参数获取单元，用于获取换流器的系统参数；

增量获取单元，用于根据所述系统参数获取所述换流器的子模块在电容电压更新周期内的最大增量；

参数获取单元还用于获取所述换流器的运行参数和预设的换流器子模块电容电压波动百分比；

频率获取单元，用于根据所述运行参数、所述预设的换流器子模块电容电压波动百分比和所述最大增量获取所述换流器的电容电压排序频率。

9.一种可读存储介质，其上存储有可执行程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任意一项所述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的步骤。

10.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的可执行程序，其特征在于，处理器执行程序时实现权利要求1至7中任意一项所述的换流器的电容电压排序频率的优化控制方法的步骤。