CN111680884A - 一种电力电子并网变流器韧性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有技术中电力电子变流器系统在电网所规定的边界条件下运行时由运行状态复杂所引出的并网电力电子变流器运行韧性问题，提供了一种电力电子并网变流器韧性评估方法，本发明基于变流器韧性这一概念，在考虑多种系统级失效模式的情况下，建立了相应的系统模型，提取了四种典型系统失效前兆量，采用局部变权综合方法给出系统韧性量化指标；最后通过多种典型故障工况下的系统仿真，验证了所提韧性指标对并网变流器安全运行的指示作用，这对提升变流器在耐受故障扰动下稳定运行的能力有一定的参考意义，为变流器在电网扰动冲击下的量化风险评估提供了重要参考。

Description

一种电力电子并网变流器韧性评估方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电力电子并网变流器韧性 评估方法。

背景技术

随着新能源发电系统与能源互联网系统的开发、高压直流输电 (high-voltagedirect current，HVDC)技术日益成熟、以及柔性交流输电技 术的发展，由铜铁等材料为主的电磁装备构成的传统电力系统逐渐向以半导 体材料为主的电力电子装置构成的电力系统转变。在这一转变过程中，系统 拓扑组成、器件制造工艺以及半导体材料的失效机理都发生了极大的变化。 高压大容量功率半导体器件、宽禁带半导体器件以及大容量、高电压、高性 能的电力电子装置的发展，满足了电力系统运行控制及接纳新型电源和负荷 的要求，因而提高了电力电子设备在电网中的应用比例。

然而，电力电子装置的失效机理与传统的铜铁等铁磁材料存在很大差异， 在这种电力系统运行需要大规模依赖电力电子技术应用的情形下，电力系统 的安全可靠性会面临新的挑战，并网大功率电力电子变流器系统的安全可靠 运行已成为电力系统安全可靠运行的关键因素。传统电力系统安全性通常具 有严格的界定，其安全运行规程已经为并网电力电子变流器的接入规定了运 行的边界条件。但电力电子变流器系统在电网所规定的边界条件下运行时， 其运行状态较为复杂，同时有遭受扰动冲击的可能，其能否耐受得住电网安 全条件下的扰动冲击是并网电力电子变流器运行韧性(Resiliency)问题。

发明内容

本发明的针对现有技术中电力电子变流器系统在电网所规定的边界条件 下运行时由运行状态复杂所引出的并网电力电子变流器运行韧性问题，提供 了一种电力电子并网变流器韧性评估方法，用以解决现有技术的上述不足。

为实现上述目的，本发明提供的电力电子并网变流器韧性评估方法包括 以下步骤：

确定电力电子并网变流器系统下的多个扰动失效模式，根据各个扰动失 效模式选取变流器相应的故障前兆量，所述变流器为电力电子并网变流器； 确定各故障前兆量对应的韧性指标，所述故障前兆量至少包括调制比、桥臂 电流、子模块电容电压和器件结温；

确定所述电力电子并网变流器系统下的线路经过的电气设备，获取所述 电力电子并网变流器系统的系统负荷；根据所述线路经过的电气设备和所述 系统负荷构建电网事故预想事故集，所述电网事故预想事故集至少包括电网 交流侧故障和双端MMC输电线路的直流侧故障；

计算各个韧性指标出现所述电网事故预想事故集中的不同的故障后的瞬 时应力，其中，所述计算各个韧性指标出现所述电网事故预想事故集中的不 同的故障后的瞬时应力的步骤包括：基于NLM调制的变流器控制环模型计算 调制比，采取离散时间建模法计算子模块电容电压和桥臂电流瞬时应力，并 通过测量绝缘栅双极型晶体管的热损耗来估算器件的瞬时结温；

获取局部变权综合评价模型，将各个韧性指标出现故障后的瞬时应力送 入所述局部变权综合评价模型来计算韧性综合评估指标，以得出综合评估结 果。

优选地，所述扰动失效模式包括控制环失效模式、电失效模式和热失效 模式。

优选地，所述双端MMC输电线路的直流侧故障包括直流侧双极短路故 障和交流侧单极断线故障；所述电网交流侧故障包括交流侧电网电压跌落故 障、交流侧三相对称接地故障、交流侧单相接地故障以及交流侧两相短路故 障。

优选地，所述电网事故预想事故集还包括变流器系统功率流反向指令以 及所述电力电子并网变流器系统的过载工况。

优选地，通过以下公式计算所述调制比：

其中，m表示所述调制比，k_i表示电流内环等效系数；v_gd和v_gq分别为电 网电压的dq轴分量，i_gd和i_gq分别为交流侧电流的dq轴分量，k_vp和k_vi分别 为电压外环的比例系数和积分系数，k_Qp和k_Qi分别为无功外环的比例系数和积 分系数，Δv和ΔQ分别为直流电压与无功功率的输入值与其指令值之间的差 值。

优选地，所述通过测量绝缘栅双极型晶体管的热损耗来估算器件的瞬时 结温的步骤，包括：

测量流过绝缘栅双极型晶体管的电流，计算流过所述绝缘栅双极型晶体 管的电流平均值I_T；

获取所述绝缘栅双极型晶体管的输出特性拟合曲线，将所述电流平均值 I_T送入所述输出特性拟合曲线，得到所述绝缘栅双极型晶体管的阈值压降V_ce， 并根据所述电流平均值I_T和所述阈值压降V_ce计算所述绝缘栅双极型晶体管的 通态损耗P_cond；

获取所述绝缘栅双极型晶体管的开关频率f_s、所述绝缘栅双极型晶体管的 开通损耗系数E_sw/on和关断损耗系数E_sw/off，根据所述开关频率f_s、所述开通损 耗系数E_sw/on和所述关断损耗系数E_sw/off计算所述绝缘栅双极型晶体管的开关 损耗P_switch；

获取所述绝缘栅双极型晶体管的温度系数R_th和环境温度T_c；

根据所述开关损耗P_switch、温度系数R_th、环境温度T_c、和通态损耗P_cond来计算器件的瞬时结温T_j。

相应地，通过公式P_cond＝V_ce(t)·I_T(t)·δ(t)计算所述绝缘栅双极型晶体管的通态 损耗P_cond，其中，δ(t)为所述绝缘栅双极型晶体管的导通个数。

相应地，通过公式E_switch(t)＝E_sw/on(i(t))²+E_sw/offi(t)和公式P_switch＝N·f_s·E_switch(t)计算 所述绝缘栅双极型晶体管的开关损耗P_switch。

相应地，通过公式T_j＝R_th·(P_cond+P_switch)+T_c来计算器件的瞬时结温T_j。

优选地，所述获取局部变权综合评价模型的步骤，具体包括：

通过指标数据信息差异反映权重的变动，将指标数据的实际信息反映到 评价函数的综合权重中去；

用标准差

表征一组数据关于其均值的平均离散程度，标准差 越大，则变量值之间的差异越大；其中，变异系数

表示了不同指标间数 据变异的相对大小，客观权重S_i(x)定为:

对于给定映射S：[0，1]^m→(0，+∞)^m，称向量为一个m维局部状态变权 向量S(X)＝(S₁(X)，S₂(X)，LS_i(X)，LS_m(X))，如果对每个i∈{1，2，L，m}，均 存在α_i，β_i∈(0,1)，且α_i≤β_i，满足条件：

条件一：对每个i∈{1,2,L,m}，在以上公式中求出的ω_i(X)在[0，α_i]上关 于x_i递减，在[β_i，1]上关于x_i递增。

条件二：当0≤x_j≤x_k≤α_j≤α_k时，S_j(X)≥S_k(X)；当β_j＜β_k≤x_j≤x_k≤1时，指标的变权向量S_j(X)≤S_k(X)；

综合权重设定为初始权重ω⁰＝(ω₁ ⁰，ω₂ ⁰，L⁰，ω_m ⁰)与状态变权向量的 Hadamard乘积，公式为

进一步得到局部变权综合评价模型为：

本发明的针对现有技术中电力电子变流器系统在电网所规定的边界条件 下运行时由运行状态复杂所引出的并网电力电子变流器运行韧性问题，提供 了一种基于局部变权综合评价模型的电力电子并网变流器韧性综合评估方 法，为变流器在电网扰动冲击下的量化风险评估提供了重要参考。

附图说明

图1为本发明一种电力电子并网变流器韧性评估方法实施例的流程示意 图；

图2为两端MMC-HVDC(双端MMC输电线路)系统结构；

图3为基于NLM调制的变流器控制环模型；

图4为MMC单相拓扑结构图；

图5为上下桥臂投入不同子模块对应的阶梯波输出示意图；

图6为故障后电压电流应力计算流程；

图7(a)为MMC-HVDC功率过载工况韧性指标之桥臂电流的变化趋势 图；

图7(b)为MMC-HVDC功率过载工况韧性指标之子模块电容电压的变 化趋势图；

图7(c)为MMC-HVDC功率过载工况韧性指标之调制比的变化趋势图；

图7(d)为MMC-HVDC功率过载工况韧性指标之结温的变化趋势图；

图8为MMC-HVDC功率过载工况韧性综合评估指标变化趋势图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。

具体实施方式

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。

本发明不同于传统电力系统安全性分析仅考虑电力系统的稳定运行约 束，也区别于可靠性、鲁棒性设计仅考虑电力电子变流器的暂态稳定运行能 力和稳态寿命，并网电力电子变流器的韧性需要从多种系统失效模式出发， 评估变流器在暂态过程中实现不脱网运行的能力，其概念可纳入含大量电力 电子变流器的电力系统动态安全分析中。而在建立韧性评估指标体系，对暂 态过程下韧性评估指标数据进行处理时，往往面临着数据与数据之间逐渐呈 现出大规模的关联、交叉以及融合的局面，使得数据处理变得复杂且困难，因此变流器韧性评估过程需要引入一种合适的综合评估模型。

局部状态变权综合评价模型是一种不仅要重视一个评价对象的各指标的 全面发展、也应该重视某类特殊指标的优势发展的权值计算方法。在这种权 值计算方法中，会对处于某个区间的指标值进行惩罚或是激励，反映在权值 上便是这一指标具有较低或是较高的权值。在运行韧性评价指标体系中，当 某一项运行韧性指标超出它所能承受的限度，而其他指标还较小时，此时系 统往往已经失去稳定运行的能力，最后得出的综合评价较差，这一现象正符 合局部变权综合法的适用范围。

参照图1，图1为本发明一种电力电子并网变流器韧性评估方法实施例的 流程示意图；如图1所示，所述电力电子并网变流器韧性评估方法包括以下 步骤：

步骤A：确定电力电子并网变流器系统下的多个扰动失效模式，根据各 个扰动失效模式选取变流器相应的故障前兆量，所述变流器为电力电子并网 变流器；确定各故障前兆量对应的韧性指标，所述故障前兆量至少包括调制 比、桥臂电流、子模块电容电压和器件结温；

在具体实现中：本实施例根据变流器控制环失效、电失效和热失效模式， 选取调制比、桥臂电流、子模块电容电压和器件结温作为失效前兆量。将这 些故障前兆量进行综合，可以得到如表1所示的电力电子变流器韧性评估的 综合指标体系。以额定状态时的指标大小作为评估指标的标幺值1，则可以界 定各指标正常运行标幺值范围：调制比：0-1.25；桥臂电流：-1.5-1.5，子 模块电容电压：0-1.5，器件结温限制范围为0-1.9。

表1韧性指标体系

步骤B：确定所述电力电子并网变流器系统下的线路经过的电气设备， 获取所述电力电子并网变流器系统的系统负荷；根据所述线路经过的电气设 备和所述系统负荷构建电网事故预想事故集，所述电网事故预想事故集至少 包括电网交流侧故障和双端MMC输电线路的直流侧故障；

在具体实现中：本实施例考虑系统的负荷以及线路所经过的电气设备， 构成初步的电网事故预想事故集，包括双端MMC输电线路的直流侧故障： 直流侧双极短路故障、交流侧单极断线故障；电网交流侧故障：交流侧电网 电压跌落故障、交流侧三相对称接地故障、交流侧单相接地故障以及交流侧 两相短路故障；除此之外还考虑了变流器系统功率流反向指令以及系统过载 工况；

参考图2，图2为两端MMC-HVDC(双端MMC输电线路)系统结构示 意图。

步骤C：计算各个韧性指标出现所述电网事故预想事故集中的不同的故 障后的瞬时应力，其中，所述计算各个韧性指标出现所述电网事故预想事故 集中的不同的故障后的瞬时应力的步骤包括：基于NLM调制的变流器控制环 模型计算调制比，采取离散时间建模法计算子模块电容电压和桥臂电流瞬时 应力，并通过测量绝缘栅双极型晶体管的热损耗来估算器件的瞬时结温；

在具体实现中：

1)计算调制比

以图3所示的控制环为例，若不考虑电流内环和锁相环的误差，将电流 内环等效为系数为k_i的比例环节，则调制比m可以被表示如下：

其中，v_gd和v_gq分别为电网电压的dq轴分量，i_gd和i_gq分别为交流侧电流 的dq轴分量，k_vp和k_vi分别为电压外环的比例系数和积分系数，k_Qp和k_Qi分 别为无功外环的比例系数和积分系数，Δv和ΔQ分别为直流电压与无功功率的 输入值与其指令值之间的差值。

2)计算电压电流应力

设单个桥臂的子模块数为4，根据图4的MMC单相拓扑图可以列写出 MMC在三相静止坐标系故障电流应力的状态方程：

其中，R₀桥臂电阻，L₀为桥臂电抗，L_ac为变流器交流出口到交流侧负载 之间的等效电感，R_fault为故障电阻，S_p和S_n分别为上下桥臂的开关函数，v_cp和v_cn分别为上下桥臂的子模块电压，i_diff为内部环流，v_dc为直流侧电压。

将式(2)写成x&＝Ax+Bu的形式，其中x＝[i_g,i_diff]^T，v＝[v_cp,v_cn,v_dc]^T，则系数矩阵 A_fault与输入矩阵B_fault,m分别为式(3)(4)所示。

其中，δ_m为上桥臂投入子模块个数，

故障电压应力的状态方程为

其中，C_d为直流侧电容，v_dp和v_dn分别为直流侧上下电容桥臂电压，i_dp和i_dq分别直流侧上下电容桥臂电流。由(5)可以得到MMC运行变量的状态方 程y&＝My+Nv，其中y＝[v_dpv_dn dv_vp/dt dv_vn/dt]^T，u＝[v_g]^T，则系数矩阵M_fault,m与输 入矩阵N_fault分别为(6)(7)所示：

N_fault＝[0 0 1 -1]^T (7)

为了进行故障电压电流应力的计算，需要根据故障时间的不同分三种不同 的情况来讨论。

当故障发生在图5(b)中第一个工作状态的初值时刻时，此时故障下状态变 量初值x_fault(t_n)：

x_fault(t_n)＝x(t_n) (8)

然后将其同式(8)带入稳态下的MMC离散模型中，可得交流负载故障下的 离散模型：

其中，d_r为阶梯波第r次电平跃变的占空比函数，T_s为阶梯波每次电平跃 变时的时间间隔，系数矩阵φ_fault(d_jT_s)与输入矩阵ψ_fault,j(d_jT_s)的计算公式为

阶梯波第m次电平跃变所对应的占空比函数为

其中V_j,ref为调制波峰值，v_c为桥臂子模块的额定电容电压。

而当故障发生在图5(b)中每个阶段的末位置，此时故障下状态变量初值：

此时由于从故障时间开始后的一个完整周期内，初始起点改变了，因此每 个阶段的占空比也跟着发生了变化，如图5(c)所示，故障下新占空比函数可写 为：

d'_r＝d_r+m (14)

再将式(3)(4)(6)带入(13)中相应位置可得故障发生在图5(c)中每个阶段的 末位置时的离散模型。

当故障发生在任一阶段中间时刻时，如图5(d)所示，设故障发生时间表示 为

其中0<Δt<d_m+1T_s，故障下状态变量初值可写为：

根据故障发生的时间可以求出故障时间到本阶段末位置的时间d_m+1T_s-Δt， 将此时间段作为单独的一段带入下式求解出本阶段末位置的状态变量：

然后再以故障发生阶段末位置为起点来进行接下来一周期的迭代计算，便 可得到故障发生在任一阶段中间时刻时的离散模型。

依次迭代，便可得到MMC在电网扰动下的响应情况。由于直流电压v_dc视为不变，因此在计算的过程中，需要将一个周期末直流电压的计算值带入 到下一周期初始时的交流电流状态方程中，以完成下一个迭代，其流程如图6 所示。

而故障后电压电流的最大值即可通过求解故障发生后的第一个周期内的 电压电流最大值得到，由于考虑到迭代计算仅能计算出MMC在一个周期内 每个工作状态末位置交流电流的精确解，因此本发明认为故障发生时计算出 的直流电压与交流电流精确解的最大值即为MMC故障电压电流的最大值。

3)计算结温

本实施例通过测量流过IGBT的电流并计算其平均值I_T，并将其带入 IGBT的输出特性拟合曲线并计算得到IGBT的阈值压降V_ce，再由其算得IGBT 的通态损耗P_cond，有

P_cond＝V_ce(t)·I_T(t)·δ(t) (17)

其中，δ(t)为IGBT导通个数。

之后再由开关频率f_s以及开通损耗系数E_sw/on和关断损耗系数E_sw/off算得 IGBT的开关损耗P_switch，有

E_switch(t)＝E_sw/on(i(t))²+E_sw/offi(t) (18)

P_switch＝N·f_s·E_switch(t) (19)

其中，N为IGBT个数，最后由总损耗和温度系数R_th以及环境温度T_c计 算出结温T_j：

T_j＝R_th·(P_cond+P_switch)+T_c (20)

步骤D：获取局部变权综合评价模型，将各个韧性指标出现故障后的瞬 时应力送入所述局部变权综合评价模型来计算韧性综合评估指标，以得出综 合评估结果。

在具体实现中，所述步骤D具体包括：

步骤D1：局部变权综合法是一种客观赋权法，其原则是通过指标数据信 息差异反映权重的变动，将指标数据的实际信息反映到评价函数的综合权重 中去。用标准差

表征一组数据关于其均值的平均离散程度，标准 差越大，说明变量值之间的差异越大。变异系数

表示了不同指标间数据 变异的相对大小。显然，如果某项指标的变异系数相对较大，则由其反映的 信息要相对充分，说明在此项指标上个体状态差异显著，能够作为评价的主 要依据。否则，如果某指标组内数据差异不大，有明显的集中趋势，则相对 较小，利用这组数据辨别不同个体或项目发展差异的能力则较小。基于这种 思想，所以可以将客观权重S_i(x)定为:

对于局部变权法的运用，有相关文献进一步研究了状态变权向量的性质 与函数构造。对于给定映射S：[0，1]^m→(0，+∞)^m，称向量为一个m维局部 状态变权向量S(X)＝(S₁(X)，S₂(X)，LS_i(X)，LS_m(X))，如果对每个i∈{1，2，L， m}，均存在α_i，β_i∈(0,1)，且α_i≤β_i，满足条件：

(1)对每个i∈{1,2,L,m}，在式(3-64)中求出的ω_i(X)在[0，α_i]上关于x_i递减，在[β_i，1]上关于x_i递增。

(2)当0≤x_j≤x_k≤α_j≤α_k时，S_j(X)≥S_k(X)；当β_j＜β_k≤x_j≤x_k≤1时，指标的变权向量S_j(X)≤S_k(X)。

综合权重设定为初始权重ω⁰＝(ω₁ ⁰，ω₂ ⁰，L⁰，ω_m ⁰)与状态变权向量的 Hadamard乘积，公式为

由此可以得到局部变权综合评价模型为：

步骤D2：将韧性指标在故障后的瞬时应力计算结果与变流器失效边界之 间进行裕量判定，取其四项指标的归一化结果为x_i(i＝1,2,3,4)，在此基础上提 出一个局部状态变权函数：

式(24)中，p_i为第i个指标的“界限水平”，意味着该指标超出这一水平将 会予以激励，使其权重有着相应的增大，该“界限水平”通过计算四项指标的稳 定运行边界求得。u_i为该局部变权综合评价模型的综合权重，它反映了某一项 指标在评价中的权重大小，它关于x_i的一阶导数可以反映它是激励型还是惩 罚型变权函数。

对式(24)求一阶导数：

根据式(25)的求导结果可知，u_i’在(0，1)上大于0，并在x_i＝p_i时取到最小 值，符合激励型变权的条件，即当某一项指标超过其给定的界限时，其权重 会大大上升。这样就得到变流器单个故障下韧性评估模型为

式(26)中，R_k为第k个故障类型的综合评估结果，ω_j ⁰为初始权向量，由 于存在四项韧性指标，故此处取ω_j ⁰＝(0.25 0.25 0.25 0.25)^T，通过该评价模型可 得出并网变流器韧性评估结果。

为进一步阐释本发明变流器韧性评估方法的正确性，在PSCAD/EMTDC 软件中搭建一个两端21电平MMC-HVDC系统。系统仿真参数如表2所示。

表2两端MMC-HVDC系统仿真参数

1)过载工况下韧性指标分析

在运行时间为5.0s时对系统控制环的无功功率参考值部分施加跳变扰动 用于模拟功率过载的情景，分别将过载程度设置为5％、10％与20％，故障时 间持续至25.0s仿真结束。则桥臂电流、子模块电容电压、调制比及结温的标 幺值在功率过载工况后的变化趋势如图7所示。

同时运用本发明的电力电子并网变流器韧性评估流程来对过载工况下的 MMC进行韧性综合评估，可以得到韧性综合评估指标R_k的变化趋势如图8 所示。改变MMC-HVDC系统的功率过载值，进一步细化过载梯度，得到的 其他过载程度下MMC-HVDC系统韧性指标结果如表3所示。

表3 MMC韧性评估结果(系统过载)

可以看到随着系统过载程度的增大，其韧性综合指标越界程度越来越严 重，桥臂电流在系统过载程度过高的情况下也会在故障后产生越界情况，而 子模块电容电压和调制比处于较为可控的范围内，根据这一点可以对过载工 况下的MMC各项指标进行适当的调节，从而保证系统在切除负载前能够正 常运行而不导致MMC停机与系统崩溃后果。

2)多种典型故障韧性指标分析

对多种MMC-HVDC系统交直流侧典型故障进行仿真分析，故障发生时间 设置为1.0s处，持续直至2.0s时仿真结束，可以得到韧性评估结果如表4所 示。故障序号与故障类型的对应关系如下：1-稳态，2-直流双极短路故障，3- 直流单极断线故障，4-交流侧三相电压跌落故障，5-交流侧三相对称接地故障， 6-交流侧单相接地故障，7-交流侧两相短路故障，8-功率流反向指令。

表4 MMC韧性评估结果(多种经典故障)

根据表4可知，对于多种典型故障工况，故障后其韧性指标体系参数中 都有一个或多个指标超过电力电子变流器器件耐受限度。而对于故障4和6所 描述的非严重故障工况，系统关键指标都在器件安全工作范围内，此时系统 应可耐受故障运行。此外，当系统处于直流双极短路故障等比较恶劣的运行 环境时，其各项韧性指标数值都有较大的上升幅度，超过器件失稳的边界， 故单项故障评价指标数值较大，超过设定的；而当发生非严重故障工况时， 反映在表中则是单项评价指标数值较小，普遍小于指标规定的边界，同时综 合评价指标也在界限值以内。

本实施例基于变流器韧性这一概念，在考虑多种系统级失效模式的情况 下，建立了相应的系统模型，提取了四种典型系统失效前兆量，采用局部变 权综合方法给出系统韧性量化指标及其裕度。最后，通过多种典型故障工况 下的系统仿真，验证了所提韧性指标对并网变流器安全运行的指示作用，这 对提升变流器在耐受故障扰动下稳定运行的能力有一定的参考意义，为变流 器在电网扰动冲击下的量化风险评估提供了重要参考。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意 在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者 系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包 括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况 下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方 法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，

此外，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变 换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利 保护范围内。

Claims (10)

1.一种电力电子并网变流器韧性评估方法，其特征在于，所述方法包括：

确定电力电子并网变流器系统下的多个扰动失效模式，根据各个扰动失效模式选取变流器相应的故障前兆量，所述变流器为电力电子并网变流器；确定各故障前兆量对应的韧性指标，所述故障前兆量至少包括调制比、桥臂电流、子模块电容电压和器件结温；

确定所述电力电子并网变流器系统下的线路经过的电气设备，获取所述电力电子并网变流器系统的系统负荷；根据所述线路经过的电气设备和所述系统负荷构建电网事故预想事故集，所述电网事故预想事故集至少包括电网交流侧故障和双端MMC输电线路的直流侧故障；

计算各个韧性指标出现所述电网事故预想事故集中的不同的故障后的瞬时应力，其中，所述计算各个韧性指标出现所述电网事故预想事故集中的不同的故障后的瞬时应力的步骤包括：基于NLM调制的变流器控制环模型计算调制比，采取离散时间建模法计算子模块电容电压和桥臂电流瞬时应力，并通过测量绝缘栅双极型晶体管的热损耗来估算器件的瞬时结温；

获取局部变权综合评价模型，将各个韧性指标出现故障后的瞬时应力送入所述局部变权综合评价模型来计算韧性综合评估指标，以得出综合评估结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扰动失效模式包括控制环失效模式、电失效模式和热失效模式。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述双端MMC输电线路的直流侧故障包括直流侧双极短路故障和交流侧单极断线故障；所述电网交流侧故障包括交流侧电网电压跌落故障、交流侧三相对称接地故障、交流侧单相接地故障以及交流侧两相短路故障。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电网事故预想事故集还包括变流器系统功率流反向指令以及所述电力电子并网变流器系统的过载工况。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述调制比：

其中，m表示所述调制比，k_i表示电流内环等效系数；v_gd和v_gq分别为电网电压的dq轴分量，i_gd和i_gq分别为交流侧电流的dq轴分量，k_vp和k_vi分别为电压外环的比例系数和积分系数，k_Qp和k_Qi分别为无功外环的比例系数和积分系数，Δv和ΔQ分别为直流电压与无功功率的输入值与其指令值之间的差值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过测量绝缘栅双极型晶体管的热损耗来估算器件的瞬时结温的步骤，包括：

测量流过绝缘栅双极型晶体管的电流，计算流过所述绝缘栅双极型晶体管的电流平均值I_T；

获取所述绝缘栅双极型晶体管的输出特性拟合曲线，将所述电流平均值I_T送入所述输出特性拟合曲线，得到所述绝缘栅双极型晶体管的阈值压降V_ce，并根据所述电流平均值I_T和所述阈值压降V_ce计算所述绝缘栅双极型晶体管的通态损耗P_cond；

获取所述绝缘栅双极型晶体管的开关频率f_s、所述绝缘栅双极型晶体管的开通损耗系数E_sw/on和关断损耗系数E_sw/off，根据所述开关频率f_s、所述开通损耗系数E_sw/on和所述关断损耗系数E_sw/off计算所述绝缘栅双极型晶体管的开关损耗P_switch；

获取所述绝缘栅双极型晶体管的温度系数R_th和环境温度T_c；

根据所述开关损耗P_switch、温度系数R_th、环境温度T_c、和通态损耗P_cond来计算器件的瞬时结温T_j。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过公式P_cond＝V_ce(t)·I_T(t)·δ(t)计算所述绝缘栅双极型晶体管的通态损耗P_cond，其中，δ(t)为所述绝缘栅双极型晶体管的导通个数。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过公式E_switch(t)＝E_sw/on(i(t))²+E_sw/offi(t)和公式P_switch＝N·f_s·E_switch(t)计算所述绝缘栅双极型晶体管的开关损耗P_switch。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过公式T_j＝R_th·(P_cond+P_switch)+T_c来计算器件的瞬时结温T_j。

10.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述获取局部变权综合评价模型的步骤，具体包括：

通过指标数据信息差异反映权重的变动，将指标数据的实际信息反映到评价函数的综合权重中去；

用标准差

表征一组数据关于其均值的平均离散程度，标准差越大，则变量值之间的差异越大；其中，变异系数

表示了不同指标间数据变异的相对大小，客观权重S_i(x)定为:

对于给定映射S：[0，1]^m→(0，+∞)^m，称向量为一个m维局部状态变权向量S(X)＝(S₁(X)，S₂(X)，LS_i(X)，LS_m(X))，如果对每个i∈{1，2，L，m}，均存在α_i，β_i∈(0,1)，且α_i≤β_i，满足条件：

条件一：对每个i∈{1,2,L,m}，在以上公式中求出的ω_i(X)在[0，α_i]上关于x_i递减，在[β_i，1]上关于x_i递增。

条件二：当0≤x_j≤x_k≤α_j≤α_k时，S_j(X)≥S_k(X)；当β_j＜β_k≤x_j≤x_k≤1时，指标的变权向量S_j(X)≤S_k(X)；

综合权重设定为初始权重ω⁰＝(ω₁ ⁰，ω₂ ⁰，L⁰，ω_m ⁰)与状态变权向量的Hadamard乘积，公式为

进一步得到局部变权综合评价模型为：

。

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