CN113364319A - Mmc的运行控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Mmc的运行控制方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种MMC的运行控制方法，根据预先获取的有功工况参数，计算MMC额定有功工况调制比；根据MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，计算MMC可实现最大调制比；当MMC额定有功工况调制比大于MMC可实现最大调制比时，停止运行MMC；当MMC额定有功工况调制比不大于MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和MMC直流电压额定值作为MMC的输入，设置桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。本发明公开了MMC的运行控制装置、设备及存储介质，通过根据冗余子模块耗尽程度，来控制MMC的运行状态，减少功率损失，提高系统可靠性和可用率。

Description

MMC的运行控制方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种MMC的运行方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在系统损耗、容量、故障管理等各方面具有优越的特性，已经在直流输电系统中得到了广泛应用。
MMC的桥臂由多个子模块级联构成，为了提高工程的运行可靠性，在每个桥臂中额定子模块数目的基础上，均会再配置一定数量的冗余子模块，在某些子模块发生故障时，通过模块输出端口设置的旁路开关快速将其隔离，维持换流器继续稳定运行。当某一桥臂被旁路的子模块数量超过设计的冗余数时，在目前的方式下MMC会立刻停运，进而检修更换子模块。现有技术中，冗余子模块耗尽时的MMC即刻停运的方法，在送电高峰时期，会造成直流系统停运较长时间，造成功率的损失，系统的可靠性和可用率不足。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种MMC的运行控制方法、装置、设备及存储介质，通过根据冗余子模块耗尽的程度，来控制MMC的运行状态，使得冗余子模块耗尽时，MMC不立即停止运行，减少功率的损失，提高系统的可靠性和可用率。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种MMC的运行控制方法，包括：
根据预先获取的有功工况参数，计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；
根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，计算得MMC可实现最大调制比；
当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；
当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。
作为上述方案的改进，所述有功工况参数还包括MMC额定有功功率、交流电网相电压、交流电网角频率、所述MMC与交流电网之间的等效电抗；
所述MMC无功功率参考值通过以下方式获得：
根据所述交流电网相电压、所述交流角频率、所述等效电抗、所述MMC直流电压额定值、所述MMC有功功率参考值、所述MMC可实现最大调制比和预先获取的MMC无功功率输出指令值，计算得所述MMC无功功率参考值；
所述桥臂子模块额定数目通过以下方式获得：根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得所述桥臂子模块额定数目。
作为上述方案的改进，所述MMC额定有功工况调制比通过以下公式获得：
Figure BDA0003089619450000021
其中，Mac_PN表示所述MMC额定有功工况调制比，Us表示所述交流网相电压，Udc表示所述MMC额定有功功率，ω表示所述交流电网角频率，L表示所述等效电抗，PN表示所述MMC额定有功功率。
作为上述方案的改进，所述MMC可实现最大调制比通过以下方式获得：
根据所述MMC直流电压额定值和预先获取的子模块电容电压额定值，计算得桥臂子模块额定数目；
根据预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和所述桥臂子模块额定数目，计算得桥臂子模块冗余系数；
根据所述桥臂子模块冗余系数计算得MMC可实现最大调制比。
作为上述方案的改进，所述MMC无功功率参考值具体通过以下方式获得：
根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得桥臂子模块额定数目；
根据所述桥臂中实际可运行子模块的数目和所述桥臂子模块额定数目，计算得桥臂子模块冗余系数；
根据所述桥臂子模块冗余系数计算得模块化多电平换流器可实现最大调制比；
根据以下公式计算得到MMC无功功率上限值：
Figure BDA0003089619450000031
其中，Qmax表示MMC无功功率上限值，Mac_max表示所述MMC可实现最大调制比，Udc表示所述MMC直流电压额定值，ω表示所述交流电网角频率，L表示所述等效电抗，Pref表示所述MMC有功功率参考值，Us表示所述交流电网相电压；
根据预先获取的MMC无功功率输出指令值和所述MMC无功功率上限值，计算得所述MMC无功功率参考值。
作为上述方案的改进，所述根据预先获取的MMC无功功率输出指令值和所述MMC无功功率上限值，计算得所述MMC无功功率参考值，具体包括：
当预先获取的MMC无功功率输出指令值小于或等于所述MMC无功功率上限值时，设置所述MMC无功功率参考值为所述MMC无功功率输出指令值；
当所述预先获取的MMC无功功率输出指令值大于所述MMC无功功率上限值时，设置所述MMC无功功率参考值为所述MMC无功功率上限值。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种MMC的运行控制装置，包括：
MMC直流电压额定值计算模块，用于根据预先获取的有功工况参数，计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；
MMC可实现最大调制比计算模块，用于根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，计算得MMC可实现最大调制比；
MMC运行控制模块，用于当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；
MMC运行控制模块，还用于当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。
作为上述方案的改进，所述MMC的运行控制装置，还包括无功功率参考值计算模块和桥臂子模块额定数目计算模块；
所述有功工况参数还包括MMC额定有功功率、交流电网相电压、交流电网角频率、所述MMC与交流电网之间的等效电抗；
所述无功功率参考值计算模块，用于根据所述交流电网相电压、所述交流角频率、所述等效电抗、所述MMC直流电压额定值、所述MMC有功功率参考值、所述MMC可实现最大调制比和预先获取的MMC无功功率输出指令值，计算得所述MMC无功功率参考值；
所述桥臂子模块额定数目计算模块，用于根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得所述桥臂子模块额定数目。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种MMC的运行控制设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述的MMC的运行控制方法。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述任一实施例所述的MMC的运行控制方法。
与现有技术相比，本发明实施例公开的MMC的运行控制方法、装置、设备及存储介质，通过根据预先获取的有功工况参数，来计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；通过根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，来计算得MMC可实现最大调制比；当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。本发明实施例在冗余子模块耗尽后，通过比较计算得的MMC额定有功工况调制比和MMC可实现最大调制比，来控制MMC的运行状态，避免冗余子模块耗尽时MMC立即停止运行的情况，减少功率的损失，提高系统的可靠性和可用率。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的MMC的运行控制方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的MMC的桥臂结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的MMC发生冗余耗尽后桥臂投入子模块数目范围示意图；
图4是本发明一实施例提供的MMC可实现最大调制比随冗余系数变化曲线；
图5是本发明一实施例提供的不同冗余系数下的功率输出范围；
图6是本发明一实施例提供的MMC的运行控制装置的结构示意图；
图7是本发明一实施例提供的MMC的运行控制装置的结构示意图；
图8是本发明一实施例提供的MMC的运行控制设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明一实施例提供的MMC的运行控制方法的流程示意图，所述MMC的运行控制方法包括：
S11、根据预先获取的有功工况参数，计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；
S12、根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，计算得MMC可实现最大调制比；
S13、当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；
S14、当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。
可以理解的，由步骤S11～S14中可知，模块化多电平换流器(modular multilevelconverter,MMC)的冗余子模块耗尽在一定程度以内时，MMC可以继续维持运行，不必立即停运直流系统。基于预先获取的有功工况参数计算MMC额定有功工况调制比，基于桥臂子模块冗余程度计算得到MMC可以实现的最大调制比，对MMC额定有功工况调制比和MMC可以实现的最大调制比进行比较，从而确定冗余耗尽后的MMC交流输出电压能力，判断MMC是否能够在冗余耗尽后继续运行。在运行过程中，无论可运行的子模块数量为多少，上、下桥臂子模块投入数量之和总是维持为额定数目，使子模块电容电压仍运行在额定值。
值得说明的是，由于MMC换流阀是由独立的子模块串联而成，功率器件的电压应力取决于子模块的电容电压。如果子模块电容电压仍维持额定值，从器件安全角度来看，冗余耗尽后子模块的减少并不会立即导致MMC无法运行。
与现有技术相比，本发明实施例公开的MMC的运行控制方法，通过根据预先获取的有功工况参数，来计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；通过根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，来计算得MMC可实现最大调制比；当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。本发明实施例在冗余子模块耗尽后，通过比较计算得的MMC额定有功工况调制比和MMC可实现最大调制比，来控制MMC的运行状态，避免冗余子模块耗尽时MMC立即停止运行的情况，减少功率的损失，提高系统的可靠性和可用率。
在一种实施方式中，基于步骤S11～S14，所述有功工况参数还包括MMC额定有功功率、交流电网相电压、交流电网角频率、所述MMC与交流电网之间的等效电抗；
具体地，步骤S14中的所述MMC无功功率参考值通过以下方式获得：
根据所述交流电网相电压、所述交流角频率、所述等效电抗、所述MMC直流电压额定值、所述MMC有功功率参考值、所述MMC可实现最大调制比和预先获取的MMC无功功率输出指令值，计算得所述MMC无功功率参考值。
具体地，步骤S14中的所述桥臂子模块额定数目通过以下方式获得：根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得所述桥臂子模块额定数目。
进一步地，所述MMC额定有功工况调制比通过以下公式获得：
Figure BDA0003089619450000081
其中，Mac_PN表示所述MMC额定有功工况调制比，Us表示所述交流网相电压，Udc表示所述MMC额定有功功率，ω表示所述交流电网角频率，L表示所述等效电抗，PN表示所述MMC额定有功功率。
进一步地，步骤S12中的所述MMC可实现最大调制比通过步骤S121～S123获得：
S121、根据所述MMC直流电压额定值和预先获取的子模块电容电压额定值，计算得桥臂子模块额定数目；
S122、根据预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和所述桥臂子模块额定数目，计算得桥臂子模块冗余系数；
S123、根据所述桥臂子模块冗余系数计算得MMC可实现最大调制比。
进一步地，步骤S14中的所述MMC无功功率参考值具体通过步骤S141～S145获得：
S141、根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得桥臂子模块额定数目；
S142、根据所述桥臂中实际可运行子模块的数目和所述桥臂子模块额定数目，计算得桥臂子模块冗余系数；
S143、根据所述桥臂子模块冗余系数计算得模块化多电平换流器可实现最大调制比；
S144、根据以下公式计算得到MMC无功功率上限值：
Figure BDA0003089619450000091
其中，Qmax表示MMC无功功率上限值，Mac_max表示所述MMC可实现最大调制比，Udc表示所述MMC直流电压额定值，ω表示所述交流电网角频率，L表示所述等效电抗，Pref表示所述MMC有功功率参考值，Us表示所述交流电网相电压；
S145、根据预先获取的MMC无功功率输出指令值和所述MMC无功功率上限值，计算得所述MMC无功功率参考值。
进一步地，步骤S145中的所述根据预先获取的MMC无功功率输出指令值和所述MMC无功功率上限值，计算得所述MMC无功功率参考值，具体包括步骤S1451～S1452：
S1451、当预先获取的MMC无功功率输出指令值小于或等于所述MMC无功功率上限值时，设置所述MMC无功功率参考值为所述MMC无功功率输出指令值；
S1452、当所述预先获取的MMC无功功率输出指令值大于所述MMC无功功率上限值时，设置所述MMC无功功率参考值为所述MMC无功功率上限值。
综上，本发明实施例能够通过根据冗余子模块耗尽的程度，来控制MMC的运行状态，使得冗余子模块耗尽时，MMC不立即停止运行，减少功率的损失，提高系统的可靠性和可用率。
为更好地展示MMC的运行控制方法的流程，下面以一个具体详细的例子进行说明：
所述MMC的运行控制方法，应用于模块化多电平换流器的冗余子模块耗尽后，当检测到冗余子模块耗尽后，执行以下步骤：
(1)、设定模块化多电平换流器直流电压额定值为Udc，子模块电容额定电压为Uc，计算桥臂子模块额定数目N0，
Figure BDA0003089619450000101
(2)、检测桥臂实际可运行子模块数目Nrun，根据上述桥臂子模块额定数目N0，计算桥臂子模块冗余系数kredund，
Figure BDA0003089619450000102
(3)、根据上述桥臂子模块冗余系数，计算模块化多电平换流器可实现最大调制比Mac_max，如果krund≥0则Mac_max＝1，如果krund<0则Mac_max＝1+2kredund；
(4)、设定模块化多电平换流器有功功率参考值为Pref，设定模块化多电平换流器所连接的交流电网相电压为Us，设定模块化多电平换流器所连接的交流电网角频率为ω，设定模块化多电平换流器与交流电网之间的等效电抗为L，根据上述可实现最大调制比Mac_max和步骤(1)的直流电压额定值Udc，计算模块化多电平换流器无功功率上限值Qmax，
Figure BDA0003089619450000103
(5)、设定模块化多电平换流器无功功率输出指令值为Qset，根据上述无功功率上限值Qmax，计算模块化多电平换流器无功功率参考值Qref，如果Qset≤Qmax则Qref＝Qset，如果Qset>Qmax则Qref＝Qmax；
(6)、设定模块化多电平换流器的额定有功功率为PN，根据步骤(4)的交流电网相电压Us、交流电网角频率为ω、等效电抗为L和步骤(1)的直流电压额定值为Udc，计算模块化多电平换流器额定有功工况调制比Mac_PN，
Figure BDA0003089619450000111
(7)、根据上述额定有功工况调制比Mac_PN，以及步骤(3)的模块化多电平换流器可实现最大调制比Mac_max，判断模块化多电平换流器冗余耗尽可运行状态，如果Mac_PN>Mac_max则模块化多电平换流器停止运行；如果Mac_PN≤Mac_max，模块化多电平换流器继续运行，并将步骤(4)的有功功率参考值Pref、步骤(5)的无功功率参考值Qref和步骤(1)直流电压额定值为Udc作为模块化多电平换流器的输入，并将模块化多电平换流器的上下桥臂之和控制为步骤(1)的桥臂子模块额定数目N0。
结合图2～图5，详细介绍MMC的运行控制方法的工作原理：
图2是本发明实施例的的模块化多电平换流器的结构示意图。模块化多电平换流器的每个桥臂由多个子模块级联构成，上桥臂和下桥臂都各自串联一个电抗器，设每个子模块电容电压为Uc，每个半桥子模块可以输出0和1两种电平(即0和Uc电压)。在柔性直流输电系统中，MMC每个桥臂子模块数量多达几百个，一般采取最近电平逼近调制获得需要投入和切除子模块个数。从直流侧来看，MMC直流电压可以视为上、下桥臂电压之和，且需要维持在一个恒定的数值，需满足以下关系：
Udc＝N0Uc (1)
其中N0为一个常数，将其定义为桥臂子模块额定数目，表示在子模块电容电压为Uc、直流电压为Udc时每个桥臂所需的级联子模块数目。
冗余子模块数目就是在额定数目N0的基础上，在桥臂中额外级联的子模块数目。冗余模块并不指向固定的某些子模块，一个桥臂的所有子模块角色等同，只是子模块在故障后将被旁路并退出运行。用Nrun来表示桥臂中当前实际可运行的子模块数目，定义冗余系数kredund如下：
Figure BDA0003089619450000121
MMC的冗余状态存在以下几种情况：
1)冗余模块未耗尽：可运行的子模块数目大于额定数目(Nrun>N0，kredund>0)；
2)冗余模块刚好耗尽，可运行的子模块数目等于额定数目(Nrun＝N0，kredund＝0)；
3)冗余模块继续耗尽，可运行的子模块数目小于额定数目(Nrun<N0，kredund<0)。
因为冗余子模块的数量是有限的，在没有运行维护的条件下，发生冗余耗尽是必然的。一旦发生冗余耗尽，并且有子模块继续故障，也就是进入到冗余模块继续耗尽状态，按照现有的运行理念，需要立刻停运MMC及直流系统。但是，从MMC的运行原理来看，冗余耗尽并不会直接导致MMC无法运行，MMC依然可以具备运行能力，只是线性调制区域和所输出的交流电压能力受到影响。
从交流侧来看，上、下桥臂投入的子模块数目需要根据所需输出的交流电压决定。以A相桥臂为例，设MMC交流端口需要输出的等效电压为:
Figure BDA0003089619450000122
其中Uac表示基频相电压的有效值，ω为基频角频率。在确定了所需的交流端口输出电压后，可以确定所需的桥臂电压如下：
Figure BDA0003089619450000123
其中下标“ap”和“an”分别表示A相上、下桥臂。
MMC的调制比是指交流相电压基频分量幅值与直流侧电压的比值，即：
Figure BDA0003089619450000124
则式(4)所示的MMC桥臂电压可以改写为：
Figure BDA0003089619450000125
为了保持子模块电容电压始终运行在额定值Uc，无论桥臂中当前可以运行的子模块数目Nrun为多少，在进行最近电平逼近调制时，都采用子模块额定电容电压计算上、下桥臂子模块投入数目。以A相为例，上、下桥臂投入的子模块数目分别为n* ap和n* an，采用如下方式计算：
Figure BDA0003089619450000131
将式(6)代入到式(7)，可以得到
Figure BDA0003089619450000132
式(8)就在满足直流电压为Udc的条件下，由所需输出交流电压决定的上、下桥臂投入子模块数目的计算方法。这样，无论Nrun如何变化，上、下桥臂投入子模块数目之和始终保持为如下的关系：
Figure BDA0003089619450000133
实际上，这意味着无论冗余系数是多少，子模块的电容电压始终保持在额定值Uc运行。
但是，如图3所示，当桥臂可运行子模块数目为Nrun时，桥臂投入子模块数目只能在0到Nrun之间，这也就是MMC的线性调制区域，即：
Figure BDA0003089619450000134
将式(8)代入式(10)，可以得到如下关系式：
Figure BDA0003089619450000135
式(11)就是MMC线性调制区域的条件。将Mac_max定义为可实现的最大调制比，也就是在满足式(11)约束条件时Mac所能取得的最大值，反映了MMC的交流输出电压能力。
在式(11)中，N0和Nrun的关系反映了桥臂中实际可运行子模块数量对MMC线性调制区域和最大调制比所带来的影响。可以分为以下几种情况分析：
1)冗余模块未耗尽的情况(Nrun>N0，kredund>0)。从式(11)可以看出，虽然Nrun>N0有利于扩大线性调制区域的正向边界，但是并没有改变负向边界。因此，即使Nrun>N0，由于负向边界条件的约束，MMC可实现最大调制比Mac_max仍只能为1.0，交流输出电压能力并不会扩大。
2)冗余模块刚好耗尽的情况(Nrun＝N0，kredund＝0)。此时Nrun＝N0，在无额外控制手段时，MMC可实现最大调制比Mac_max也为1.0。
3)冗余子模块继续耗尽的情况下(Nrun<N0，kredund<0)。由于Nrun<N0，式(11)中的正向边界缩小，MMC可实现的最大调制比Mac_max将受到正向边界的限制，数值将随Nrun数目的减小而降低。
将式(2)所定义的冗余系数代入式(11)，可以得到MMC最大调制比Mac_max随着冗余系数kredund变化的表达式如下：
Figure BDA0003089619450000141
根据式(12)绘制出MMC最大调制比Mac_max随冗余系数kredund变化的曲线如图4所示。
可以进一步根据MMC的交流输出电压能力，分析在冗余耗尽情况下MMC的输出功率极限。MMC所需输出的交流电压与其所输出的有功和无功工况相关。MMC与交流电网之间的等效电感L可计算如下：
Figure BDA0003089619450000142
其中Ls为交流电网等效电感，可以利用电网的短路电流进行计算得到。LT为连接变压器漏感，Lc为MMC的桥臂连接电抗电感值。
假设电网相电压为Us＜0°，当MMC与电网之间交换有功功率P和无功功率Q时，可以得到稳态情况下MMC输出的电流相量为：
Figure BDA0003089619450000143
其中Q为正表示MMC输出容性无功功率。可以得到MMC交流端口电压相量为：
Figure BDA0003089619450000144
可以得到运行工况为P和Q时所需的调制比Mac如下：
Figure BDA0003089619450000151
因此，在交流电网电压确定的情况下，如果MMC所需输出有功功率和无功功率分别为P和Q，根据式(16)可以推算出此时MMC的调制比Mac。对于特定的冗余系数kredund，可以根据式(12)推算出Mac_max，如果能够满足如下条件：
Mac≤Mac_max (17)
则说明MMC可以输出此P和Q，否则说明MMC由于调制比的限制，输出的功率受到限制。
为了实现模块化多电平换流器冗余耗尽后的运行，首先设定模块化多电平换流器直流电压额定值为Udc，子模块电容额定电压为Uc，计算桥臂子模块额定数目N0，
Figure BDA0003089619450000152
然后检测桥臂实际可运行子模块数目Nrun，根据上述桥臂子模块额定数目N0，计算桥臂子模块冗余系数kredund，
Figure BDA0003089619450000153
根据上述桥臂子模块冗余系数，计算模块化多电平换流器可实现最大调制比Mac_max，如果krund≥0则Mac_max＝1，如果krund<0则Mac_max＝1+2kredund。
在冗余耗尽后的运行中需要优先保证模块化多电平换流器有功功率的输出，因此应该在满足模块化多电平换流器输出所需要的有功功率的同时，以调制比不超过可实现的最大调制比为条件，计算出此时能够输出的最大无功功率。设定模块化多电平换流器有功功率参考值为Pref，设定模块化多电平换流器所连接的交流电网相电压为Us，设定模块化多电平换流器所连接的交流电网角频率为ω，设定模块化多电平换流器与交流电网之间的等效电抗为L，根据直流电压额定值Udc，为了满足调制比小于可实现最大调制比Mac_max，根据式(16)可以计算模块化多电平换流器无功功率上限值Qmax，
Figure BDA0003089619450000161
如果模块化多电平换流器无功功率输出指令值为Qset，根据上述无功功率上限值Qmax，计算模块化多电平换流器无功功率参考值为Qref，如果Qset≤Qmax则Qref＝Qset，如果Qset>Qmax则Qref＝Qmax。
然后根据冗余耗尽程度判断此时模块化多电平换流器的可输出功率范围是否包含额定有功功率点。如果可输出功率范围不能包括额定有功功率点，此时模块化多电平换流器已经无法输出额定的有功功率，这意味着在输出有功功率的同时，还必须同时输出一定的感性无功功率，才能够满足交流电压输出能力的要求。这种情况下，模块化多电平换流器已经失去了独立输出有功功率的能力，在实际运行中已经意义不大，因此将停止运行。如果可输出功率范围包括额定有功功率点，模块化多电平换流器可以继续运行。如果模块化多电平换流器的额定有功功率为PN，并设此时无功功率为0，根据交流电网相电压Us、交流电网角频率为ω、等效电抗为L和直流电压额定值为Udc，根据式(16)可以计算模块化多电平换流器额定有功工况调制比Mac_PN，
Figure BDA0003089619450000162
根据上述额定有功工况调制比Mac_PN，以及模块化多电平换流器可实现最大调制比Mac_max，判断模块化多电平换流器冗余耗尽可运行状态，如果Mac_PN>Mac_max则模块化多电平换流器停止运行；如果Mac_PN≤Mac_max，模块化多电平换流器继续运行。如果模块化多电平换流器可以继续运行，将之前步骤所计算出的有功功率参考值Pref、无功功率参考值Qref作为模块化多电平换流器控制器的输入，这可以确保模块化多电平换流器的调制比小于可实现的最大调制比，即在冗余系数所决定的交流输出电压能力之内。将直流电压额定值为Udc也作为模块化多电平换流器控制器的输入，并且无论桥臂中实际可运行的子模块数目为多少，在模块化多电平换流器运行时，始终将模块化多电平换流器的上下桥臂之和控制为桥臂子模块额定数目N0，使子模块电容电压与直流电压的关系始终满足Udc＝N0Uc的关系，即子模块电容电压始终为
Figure BDA0003089619450000171
不会因可运行子模块数目的减少而增大，保证模块化多电平换流器可以安全运行。
在一个400kV/1250MVA的模块化多电平换流器的具体实例中，在冗余耗尽情况下，针对不同的冗余系数(冗余耗尽时为负)，在额定容量以内，对各种P和Q的情况进行扫描计算，根据式(16)计算出对应的调制比，并判断是否满足式(17)的限制条件。扫描计算的得到的不同的冗余系数下MMC的PQ运行范围如图5所示。对于此模块化多电平换流器研究实例，模块化多电平换流器在冗余系数降到-4％以内时仍可以维持运行，并能够保持输出额定有功功率的能力，只是容性无功极限降低或无容性无功输出能力。这样，在送电高峰时期模块化多电平换流器冗余模块即使耗尽，柔性直流输电系统也不必立即停运，而是可以等到合适的时机再进行检修更换子模块，可以较大程度的提高柔性直流输电系统的可靠性和可用率。
参见图6，本发明一实施例提供的MMC的运行控制装置，所述MMC的运行控制装置20包括：
MMC直流电压额定值计算模块21，用于根据预先获取的有功工况参数，计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；
MMC可实现最大调制比计算模块22，用于根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，计算得MMC可实现最大调制比；
MMC运行控制模块23，用于当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；
MMC运行控制模块24，还用于当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。
进一步地，参见图7，所述MMC的运行控制装置20，还包括无功功率参考值计算模块25和桥臂子模块额定数目计算模块26；
所述有功工况参数还包括MMC额定有功功率、交流电网相电压、交流电网角频率、所述MMC与交流电网之间的等效电抗；
所述无功功率参考值计算模块25，用于根据所述交流电网相电压、所述交流角频率、所述等效电抗、所述MMC直流电压额定值、所述MMC有功功率参考值、所述MMC可实现最大调制比和预先获取的MMC无功功率输出指令值，计算得所述MMC无功功率参考值；
所述桥臂子模块额定数目计算模块26，用于根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得所述桥臂子模块额定数目。
值得说明的是，所述MMC的运行控制装置20的工作原理可参见上述任一实施例所述的MMC的运行控制方法，在此不再赘述。
与现有技术相比，本发明实施例公开的MMC的运行控制装置，通过根据预先获取的有功工况参数，来计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；通过根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，来计算得MMC可实现最大调制比；当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。本发明实施例在冗余子模块耗尽后，通过比较计算得的MMC额定有功工况调制比和MMC可实现最大调制比，来控制MMC的运行状态，避免冗余子模块耗尽时MMC立即停止运行的情况，减少功率的损失，提高系统的可靠性和可用率。
参见图8，是本发明一实施例提供的一种MMC的运行控制设备30，包括处理器31、存储器32以及存储在所述存储器32中且被配置为由所述处理器32执行的计算机程序，所述处理器31执行所述计算机程序时实现如上述MMC的运行控制方法实施例中的步骤，例如图1中所述的步骤S11～S14；或者，所述处理器31执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如角色边缘获取模块11。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器32中，并由所述处理器31执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述MMC的运行控制设备30中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成MMC直流电压额定值计算模块21、MMC可实现最大调制比计算模块22、MMC运行控制模块23和MMC运行控制模块24，各模块具体功能如下：
MMC直流电压额定值计算模块21，用于根据预先获取的有功工况参数，计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；
MMC可实现最大调制比计算模块22，用于根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，计算得MMC可实现最大调制比；
MMC运行控制模块23，用于当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；
MMC运行控制模块24，还用于当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。
各个模块具体的工作过程可参考上述实施例所述的MMC的运行控制装置20的工作过程，在此不再赘述。
所述MMC的运行控制设备30可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述MMC的运行控制设备30可包括，但不仅限于，处理器31、存储器32。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是MMC的运行控制设备的示例，并不构成对MMC的运行控制设备30的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述MMC的运行控制设备30还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器31可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器31是所述MMC的运行控制设备30的控制中心，利用各种接口和线路连接整个MMC的运行控制设备30的各个部分。
所述存储器32可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器31通过运行或执行存储在所述存储器32内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器32内的数据，实现所述MMC的运行控制设备30的各种功能。所述存储器32可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器32可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述MMC的运行控制设备30集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
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流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种MMC的运行控制方法，其特征在于，包括：
根据预先获取的有功工况参数，计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；
根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，计算得MMC可实现最大调制比；
当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；
当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。
2.如权利要求1所述的MMC的运行控制方法，其特征在于，所述有功工况参数还包括MMC额定有功功率、交流电网相电压、交流电网角频率、所述MMC与交流电网之间的等效电抗；
所述MMC无功功率参考值通过以下方式获得：
根据所述交流电网相电压、所述交流角频率、所述等效电抗、所述MMC直流电压额定值、所述MMC有功功率参考值、所述MMC可实现最大调制比和预先获取的MMC无功功率输出指令值，计算得所述MMC无功功率参考值；
所述桥臂子模块额定数目通过以下方式获得：根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得所述桥臂子模块额定数目。
3.如权利要求2所述的MMC的运行控制方法，其特征在于，所述MMC额定有功工况调制比通过以下公式获得：
Figure FDA0003089619440000021
其中，Mac_PN表示所述MMC额定有功工况调制比，Us表示所述交流网相电压，Udc表示所述MMC额定有功功率，ω表示所述交流电网角频率，L表示所述等效电抗，PN表示所述MMC额定有功功率。
4.如权利要求1所述的MMC的运行控制方法，其特征在于，所述MMC可实现最大调制比通过以下方式获得：
根据所述MMC直流电压额定值和预先获取的子模块电容电压额定值，计算得桥臂子模块额定数目；
根据预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和所述桥臂子模块额定数目，计算得桥臂子模块冗余系数；
根据所述桥臂子模块冗余系数计算得MMC可实现最大调制比。
5.如权利要求2所述的MMC的运行控制方法，其特征在于，所述MMC无功功率参考值具体通过以下方式获得：
根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得桥臂子模块额定数目；
根据所述桥臂中实际可运行子模块的数目和所述桥臂子模块额定数目，计算得桥臂子模块冗余系数；
根据所述桥臂子模块冗余系数计算得模块化多电平换流器可实现最大调制比；
根据以下公式计算得到MMC无功功率上限值：
Figure FDA0003089619440000031
其中，Qmax表示MMC无功功率上限值，Mac_max表示所述MMC可实现最大调制比，Udc表示所述MMC直流电压额定值，ω表示所述交流电网角频率，L表示所述等效电抗，Pref表示所述MMC有功功率参考值，Us表示所述交流电网相电压；
根据预先获取的MMC无功功率输出指令值和所述MMC无功功率上限值，计算得所述MMC无功功率参考值。
6.如权利要求5所述的MMC的运行控制方法，其特征在于，所述根据预先获取的MMC无功功率输出指令值和所述MMC无功功率上限值，计算得所述MMC无功功率参考值，具体包括：
当预先获取的MMC无功功率输出指令值小于或等于所述MMC无功功率上限值时，设置所述MMC无功功率参考值为所述MMC无功功率输出指令值；
当所述预先获取的MMC无功功率输出指令值大于所述MMC无功功率上限值时，设置所述MMC无功功率参考值为所述MMC无功功率上限值。
7.一种MMC的运行控制装置，其特征在于，包括：
MMC直流电压额定值计算模块，用于根据预先获取的有功工况参数，计算得MMC额定有功工况调制比；其中，所述有功工况参数包括MMC直流电压额定值；
MMC可实现最大调制比计算模块，用于根据所述MMC直流电压额定值、预先获取的桥臂中实际可运行子模块的数目和子模块电容电压额定值，计算得MMC可实现最大调制比；
MMC运行控制模块，用于当所述MMC额定有功工况调制比大于所述MMC可实现最大调制比时，控制MMC停止运行；
MMC运行控制模块，还用于当所述MMC额定有功工况调制比小于或等于所述MMC可实现最大调制比时，将预先获取的MMC无功功率参考值、MMC有功功率参考值和所述MMC直流电压额定值作为所述MMC的输入，并设置所述桥臂中的子模块数量为预先获取的桥臂子模块额定数目。
8.如权利要求7所述的MMC的运行控制装置，其特征在于，还包括无功功率参考值计算模块和桥臂子模块额定数目计算模块；
所述有功工况参数还包括MMC额定有功功率、交流电网相电压、交流电网角频率、所述MMC与交流电网之间的等效电抗；
所述无功功率参考值计算模块，用于根据所述交流电网相电压、所述交流角频率、所述等效电抗、所述MMC直流电压额定值、所述MMC有功功率参考值、所述MMC可实现最大调制比和预先获取的MMC无功功率输出指令值，计算得所述MMC无功功率参考值；
所述桥臂子模块额定数目计算模块，用于根据所述MMC直流电压额定值和所述子模块电容电压额定值，计算得所述桥臂子模块额定数目。
9.一种MMC的运行控制设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述的MMC的运行控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至6中任意一项所述的MMC的运行控制方法。
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CN117892557A (zh) * 2024-03-12 2024-04-16 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 Hvdc换流器优化设计方法、换流器、设备及介质

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