CN110098754B - 一种考虑备用冗余的mmc冗余子模块有效利用率计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，包括：确定MMC中子模块的故障率参数，计算备用冗余子模块的故障率参数；确定MMC每个桥臂中处于额定工作状态的子模块数量，以及备用冗余子模块数量；利用马尔可夫链模型表征MMC单个桥臂所有的工作运行状态，并计算状态与状态之间的转移概率；建立单个桥臂全部运行状态的微分方程组；求解微分方程组获得桥臂各运行状态概率函数，并计算单桥臂的冗余子模块有效数量以及MMC整体的冗余子模块有效数量并据此计算MMC整体的备用冗余子模块有效利用率。本发明建立的模型，更加符合实际工程中MMC的冗余子模块配置以及运行投入方式，为冗余子模块的优化配置提供了有效的计算参考标准。

Description

一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法
技术领域
本发明涉及一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，属于电力系统输配电的技术领域。
背景技术
随着电力电子化器件以及控制技术的发展，绝缘栅双极晶体管(insulated gatebipolar transistor,IGBT)的应用电压以及相应容量等级在不断地提升中，基于IGBT的电压源型换流器(voltage source converter,VSC)在直流输配电领域得到了实际的工程应用。特别是在高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)工程领域，相比传统电流源型换流器，采用VSC技术相加适用于可再生新能源发电并网、分布式发电等场合应用。以两电平VSC技术作为基础，模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)技术被相关研究人员提出。相比两电平VSC，MMC有更高品质的电压输出，更低的器件开关频率，在控制技术以及设备损耗方面有更优良的表现。同时，MMC具备高度模块化特性，易于拓展，减小了装备体积的同时也可以进一步降低构造成本。
世界上第一个基于MMC的输电工程Trans Bay Cable于2010年在美国正式投运。目前中国也在大力发展基于MMC的直流输配电技术。2011年上海南汇风电场MMC柔性直流输电示范工程投入运行，这是中国首条完全自主知识产权的MMC柔性直流输电工程。2013年广东南澳三端柔性直流输电工程正式投入运行，是世界首个多端柔性直流输电工程。到2014年，浙江舟山五端柔性直流输电工程投入运行。在已建成的MMC直流工程中，每一个MMC的桥臂内都有数量众多的子模块在参与设备整体运行并承担相应的电压电流应力。在实际工程环境下，运行子模块随时可能面临故障的情况，因此需要为设备配置一定数量的冗余子模块来替换故障的模块，防止MMC设备整体停运。
冗余子模块能有效延长设备整体无故障运行时间，更多冗余子模块的投入能有效提升系统可靠性，但同时也会增长设备配置的成本投入，因此MMC的冗余子模块配置是一个复杂的决策问题。当前存在相关研究文献针对不同类型结构的MMC考虑不同冗余子模块数量下的MMC可靠性或是将冗余子模块利用率作为优化目标进行冗余数量配置。然而在上述计算优化过程中，主要采用的是MMC子模块主动冗余运行方式，即设备配置的冗余模块和初始子模块运行状态一致，在MMC设备正常状态下两种类型的子模块交替导通。对于工作状态一致的初始子模块以及冗余配置子模块可以采用k/n(G)模型进行系统工作状态的建模，并计算相应的可靠性以及冗余模块利用率。而对于采用冷备用冗余运行方式的MMC，备用冗余子模块与运行子模块的运行状态不同，两者的故障率不一致，不能直接采用k/n(G)模型表征系统运行状态，因此无法进行下一步的设备运行状态建模以及冗余子模块利用率计算，进而无法为实际MMC工程配置提供建设性的参考。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，在MMC采用冷备用冗余子模块的运行方式下，建立了系统运行状态计算模型，所提计算方法更加符合MMC实际工程中冗余子模块配置方式，并为MMC工程配置提供子模块利用率计算方案。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，包括以下步骤：
步骤1：确定MMC中子模块的故障率参数λHBSM，确定备用冗余子模块的备用故障系数α，并计算备用冗余子模块的故障率参数λHBSM-R；
步骤2：确定MMC每个桥臂中处于额定工作状态的子模块数量N，以及为每个桥臂配置的备用冗余子模块数量R；
步骤3：利用马尔可夫链模型表征MMC单个桥臂所有的工作运行状态，并计算状态与状态之间的转移概率；
步骤4：根据步骤3所得马尔可夫链模型，建立单个桥臂全部运行状态的微分方程组；
步骤5：求解单个桥臂全部运行状态的微分方程组获得桥臂各运行状态概率函数Pi(t)，并计算单个桥臂的备用冗余子模块有效数量Va(t)以及MMC整体的备用冗余子模块有效数量并根据该MMC整体的冗余子模块有效数量计算MMC整体的备用冗余子模块有效利用率EMMC。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤1中计算备用冗余子模块的故障率参数λHBSM-R，采用公式：
λHBSM-R＝α·λHBSM
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3中计算状态与状态之间的转移概率表述为：(R-i)λHBSM-R+NλHBSM，其中i表示第i种运行状态，代表桥臂中有i个子模块发生故障并采用备用冗余子模块替换。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤4建立单个桥臂全部运行状态的微分方程组，具体为：
Figure BDA0002039668130000031
其中，Pi(t)是桥臂处于每一种运行状态的概率；i表示第i种运行状态，代表桥臂中有i个子模块发生故障并采用备用冗余子模块替换，取0,1,2,…R+1；P0(t)至PR(t)代表桥臂所有的正常工作状态，PR+1(t)代表桥臂故障状态。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤5中单个桥臂的冗余子模块有效数量Va(t)，采用公式：
Figure BDA0002039668130000032
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤5中计算MMC整体的备用冗余子模块有效利用率EMMC，采用公式：
Figure BDA0002039668130000033
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明的考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，采用子模块备用冗余运行方式的MMC提出了一种可靠的设备整体运行状态计算方法，并结合冗余子模块的实际投运情况以及桥臂工作状态方程组。本发明所建立的单个桥臂全部运行状态的微分方程组更加符合实际工程中MMC的冗余子模块配置以及运行投入方式，为MMC实际工程中冗余子模块的优化配置提供了一套有效的计算参考标准。
附图说明
图1为本发明中MMC的拓扑结构图。
图2为本发明中单个桥臂运行状态的马尔可夫链模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明所涉及的采用备用冗余运行方式的MMC冗余子模块有效利用率计算方法进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明所要解决的主要技术问题是在MMC采用备用冗余配置的条件下，通过马尔可夫模型表征桥臂的运行状态，可以计算不同条件下的MMC冗余子模块有效利用率。本发明提出的一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，主要包括以下步骤：
步骤1：确定MMC中子模块的故障率参数λHBSM，确定备用冗余子模块的备用故障系数α，并计算备用冗余子模块的故障率参数λHBSM-R。
在MMC投运的实际工程中，根据长期运行数据统计，可以获得直接参与MMC设备运行的子模块故障率λHBSM。备用冗余子模块在设备正常运行状态下被开关旁路不必承担电压应力，故障率小于运行子模块。因此可以定义备用冗余子模块的故障率λHBSM-R的计算公式如下：
λHBSM-R＝α·λHBSM (1)
其中，λHBSM-R是备用冗余子模块的故障率参数，α是备用故障系数，可以设定在0至0.01范围内。
步骤2：确定MMC每个桥臂中处于额定工作状态的子模块数量N，以及为每个桥臂配置的备用冗余子模块数量R。
本发明中，MMC总共包含ABC三相，每一相由上下两个桥臂组成，如图1所示。桥臂是承担电气功能的基本单位，由N+R个子模块组成，其中N个运行子模块为MMC提供正常运行所需的电压支撑，R个备用冗余子模块在设备正常运行时被开关旁路，当出现运行子模块故障，备用冗余子模块接替运行故障子模块继续维持MMC运行。在计算冗余子模块的有效利用率时，N和R是确定值，随着R的改变，桥臂的工作状态数量以及状态之间的转移率都会发生变化，这样可以计算一系列的EMMC值。
步骤3：利用马尔可夫链模型表征MMC单个桥臂所有的工作运行状态，并计算状态与状态之间的转移概率。
根据步骤1得到的子模块故障率λHBSM、备用冗余子模块的故障率参数λHBSM-R以及步骤2确定的运行子模块N以及备用冗余子模块个数R获得单个桥臂运行状态的马尔可夫链模型，如图2所示。状态i表示桥臂中有i个子模块发生故障并采用备用冗余子模块进行替换。由状态0至状态(R+1)表示桥臂从初始正常运行状态到发生了(R+1)个子模块故障而造成额定工作子模块数量不足导致桥臂停止工作的状态转移过程。桥臂不同状态之间的转移率等价于桥臂内发生单个子模块故障的概率，例如状态i向状态i+1转移的概率代表N个运行子模块或(R-i)个备用冗余模块其中发生一个子模块故障的概率，相应的数值为：(R-i)λHBSM-R+NλHBSM，其中i表示第i种运行状态，代表桥臂中有i个子模块发生故障并，采用备用冗余子模块替换。
步骤4：根据步骤3所得马尔可夫链模型，建立单个桥臂全部运行状态的微分方程组，如下述公式(2)所示：
Figure BDA0002039668130000051
其中，Pi(t)是桥臂处于每一种运行状态的概率；i表示第i种运行状态，代表桥臂中有i个子模块发生故障并采用备用冗余子模块替换，取0,1,2,…R+1。P0(t)至PR(t)代表桥臂所有的正常工作状态，PR+1(t)代表桥臂故障状态。
步骤5：求解单个桥臂全部运行状态的微分方程组获得桥臂各运行状态概率函数Pi(t)，并计算单桥臂的冗余子模块有效数量Va(t)以及MMC整体的冗余子模块有效数量。
单个桥臂的备用冗余子模块有效利用数量是所有运行状态下投入使用的备用冗余子模块数量与相应状态概率函数Pi(t)乘积的累加和，如下述公式(3)所示：
Figure BDA0002039668130000061
然后，根据该MMC整体的冗余子模块有效数量计算MMC整体的备用冗余子模块有效利用率EMMC。MMC设备整体的备用冗余子模块有效利用率通过6个桥臂的MMC整体的备用冗余子模块有效数量累计和与MMC配置的全部冗余子模块数量的比值计算，如下述公式(4)所示：
Figure BDA0002039668130000062
其中，a表示第几个桥臂，本实施例中MMC整体包含6个桥臂，故a取1至6。
最后，以上述步骤提供的备用冗余子模块有效利用率计算方法，为MMC实际工程中的冗余配置提供可靠参考标准。即在实际工程中，MMC冗余子模块有效利用率的计算主要可以考虑以下两个方向：给定备用冗余子模块数量R，计算设备整体在不同运行时间尺度T下的冗余子模块利用率；给定设备运行时间T，计算不同冗余子模块数量R下的冗余子模块利用率。
综上，本发明为采用子模块备用冗余运行方式的MMC提出了一种可靠的设备整体运行状态计算方法，并结合冗余子模块的实际投运情况以及桥臂工作状态方程组，提出一种备用冗余子模块有效利用率计算方法。本发明所建立的状态计算模型更加符合实际工程中MMC的冗余子模块配置以及运行投入方式，为MMC实际工程中冗余子模块的优化配置提供了一套有效的计算参考标准。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种考虑备用冗余的MMC备用冗余子模块有效利用率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定MMC中子模块的故障率参数λHBSM，确定备用冗余子模块的备用故障系数α，并计算备用冗余子模块的故障率参数λHBSM-R；
步骤2：确定MMC每个桥臂中处于额定工作状态的子模块数量N，以及为每个桥臂配置的备用冗余子模块数量R；
步骤3：利用马尔可夫链模型表征MMC单个桥臂所有的工作运行状态，并计算状态与状态之间的转移概率；
步骤4：根据步骤3所得马尔可夫链模型，建立单个桥臂全部运行状态的微分方程组；
步骤5：求解单个桥臂全部运行状态的微分方程组获得桥臂各运行状态概率函数Pi(t)，并计算单个桥臂的备用冗余子模块有效数量Va(t)以及MMC整体的备用冗余子模块有效数量,并根据该MMC整体的备用冗余子模块有效数量计算MMC整体的备用冗余子模块有效利用率EMMC。
2.根据权利要求1所述考虑备用冗余的MMC备用冗余子模块有效利用率计算方法，其特征在于，所述步骤1中计算备用冗余子模块的故障率参数λHBSM-R，采用公式：
λHBSM-R＝α·λHBSM。
3.根据权利要求1所述考虑备用冗余的MMC备用冗余子模块有效利用率计算方法，其特征在于，所述步骤3中计算状态与状态之间的转移概率表述为：(R-i)λHBSM-R+NλHBSM，其中i表示第i种运行状态，代表桥臂中有i个子模块发生故障并采用备用冗余子模块替换。
4.根据权利要求1所述考虑备用冗余的MMC备用冗余子模块有效利用率计算方法，其特征在于，所述步骤4建立单个桥臂全部运行状态的微分方程组，具体为：
Figure FDA0002550094880000011
其中，Pi(t)是桥臂处于每一种运行状态的概率，i表示第i种运行状态，代表桥臂中有i个子模块发生故障并采用备用冗余子模块替换，取0,1,2,…R+1；P0(t)至PR(t)代表桥臂所有的正常工作状态，PR+1(t)代表桥臂故障状态。
5.根据权利要求1所述考虑备用冗余的MMC备用冗余子模块有效利用率计算方法，其特征在于，所述步骤5中计算单个桥臂的备用冗余子模块有效数量Va(t)，采用公式：
Figure FDA0002550094880000021
其中，i表示第i种运行状态，代表桥臂中有i个子模块发生故障并采用备用冗余子模块替换。
6.根据权利要求1所述考虑备用冗余的MMC备用冗余子模块有效利用率计算方法，其特征在于，所述步骤5中计算MMC整体的备用冗余子模块有效利用率EMMC，采用公式：
Figure FDA0002550094880000022
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