CN117892557A - Hvdc换流器优化设计方法、换流器、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海上风电直流送出技术领域，针对现有DRU和MMC并联的混合轻型HVDC换流器，在设计MMC时未考虑到其额定无功功率值明显大于额定有功功率值，导致过大的不必要的设计冗余的不足，本发明采用如下技术方案：DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，包括：获取所需的相关参数；计算得到MMC的桥臂子模块数量和子模块电容容值；基于DRU和MMC并联的HVDC换流器中并联MMC的高容性无功‑低有功功率特性，计算桥臂子模块数优化优化量和子模块电容容值优化量，修正桥臂子模块数以及子模块电容容值，得到优化后的设计值。本发明的有益效果是：减少桥臂子模块数量，降低子模块电容容值。

Description

HVDC换流器优化设计方法、换流器、设备及介质
技术领域
本发明属于海上风电直流送出技术领域，具体涉及DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法、DRU和MMC并联的HVDC换流器、计算机设备及计算机可读存储介质。
背景技术
为实现海上风电HVDC汇集换流站及其海上安置平台的轻量化、紧凑化与低成本化，基于二极管整流单元(Diode Rectifier Unit，DRU)和模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)的混合结构高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)换流器已成为构建深远海风电海上换流器的有效方案。
现有投运的海上直流输电工程中，MMC使用的子模块多为半桥子模块（HalfBridge Sub-Module，HBSM），最常规的一种并联结构换流器的拓扑图如图1所示。从图1中可知，由于采用DRU代替半桥MMC传输了大部分的有功功率，DRU和MMC并联的HVDC换流器具有重量轻、体积小、成本低的典型特征。对于常规的DRU和MMC并联的HVDC换流器，在设计并联的MMC时，通常沿用HVDC领域的常规MMC设计方法。相关信息可参考用于海上风电的 DRU-MMC混合换流器控制策略和容量选取（甘慧辰、肖晃庆、黄莹）、柔性直流输电换流器的分析与设计（宋强、饶宏，清华大学出版社，2015.3）。
然而，申请人发现，轻型混合结构HVDC换流器中的并联MMC是一个额定无功功率(容性无功)值明显大于额定有功功率值的HVDC换流器，这与常规的HVDC领域的MMC换流器显然是不同的。若轻型混合结构HVDC换流器中的并联MMC仍然沿用常规的MMC设计方法，则将造成MMC中电容设计的过量冗余，从而带来不必要的重量、体积以及成本的增加。
发明内容
本发明针对现有DRU和MMC并联的混合轻型HVDC换流器，在设计MMC时未考虑到其额定无功功率值明显大于额定有功功率值，导致过大的不必要的设计冗余的不足，提供一种DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，大幅度优化MMC的电容容值、桥臂子模块数目设计，进一步提升轻型混合结构HVDC换流器的紧凑化、轻量化与低成本化。本发明同时提供一种DRU和MMC并联的HVDC换流器、计算机设备及计算机可读存储介质
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，所述DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法包括：
步骤S1、获取计算优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC、子模块电容容值C SM、桥臂子模块数优化量△N MMC优化和子模块电容容值优化量△C SM优化所需的相关参数；
步骤S2、计算得到优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC和子模块电容容值C SM；
步骤S3、基于DRU和MMC并联的HVDC换流器中并联MMC的高容性无功-低有功功率特性，计算桥臂子模块数优化量△N MMC优化和子模块电容容值优化量△C SM优化，修正桥臂子模块数N MMC以及子模块电容容值C SM，得到优化后的设计值N MMC优化、C SM优化；
其中，决定桥臂子模块数优化量△N MMC优化的参数包括计算系数c 1、MMC在纯容性无功功率边界 S N运行时的交流电流有效值I acN；
其中，决定子模块电容容值优化量△C SM优化的参数包括计算系数c 1、MMC在纯容性无功功率边界 S N运行时的交流电流有效值I acN、所允许的电容电压波动率最大值/>以及额定直流电压U dcN。
本发明的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，基于DRU和MMC并联的HVDC换流器中并联MMC的低有功-高容性无功运行特征，能够明显减少桥臂子模块数量，降低子模块电容容值，最终降低换流器的重量、体积以及成本；仅需在HVDC领域中MMC的常规设计方法程序计算完成后，增加相应的优化计算程序即可，优化容易，实用性强。
作为改进，步骤S2中，优化前所需要的桥臂子模块数N MMC的计算公式为：
(4)。
作为改进，步骤S2中，现有设计方法中，优化前的子模块电容容值C SM的计算公式为：
(8)。
作为改进，步骤S3中，优化后的并联MMC的桥臂子模块数N MMC优化与优化后的子模块电容容值C SM优化的计算公式为：
(12)
其中，
(13)。
DRU和MMC并联的HVDC换流器，所述DRU和MMC并联的HVDC换流器中的并联MMC的桥臂子模块数与子模块电容容值根据前述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法得到。
计算机设备，包括处理器和存储介质，存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现前述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法。
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当计算机程序被执行时，实现前述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法。
附图说明
图1是本发明实施例的DRU和MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器的拓扑图。
图2是MMC现有常规设计中所用调制比与本发明实施例的轻型混合结构HVDC换流器中并联MMC实际运行调制比的对比图。
图3是本发明实施例的DRU和MMC并联的轻型混合结构HVDC换流器优化设计方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明创造实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明创造的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明创造的保护范围。
参见图1至图3，本发明实施例的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，所述DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法包括：
步骤S1、获取计算优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC、子模块电容容值C SM、桥臂子模块数优化量△N MMC优化和子模块电容容值优化量△C SM优化所需的相关参数；
步骤S2、计算得到优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC和子模块电容容值C SM；
步骤S3、基于DRU和MMC并联的HVDC换流器中并联MMC的高容性无功-低有功功率特性，计算桥臂子模块数优化量△N MMC优化和子模块电容容值优化量△C SM优化，修正桥臂子模块数N MMC以及子模块电容容值C SM，得到优化后的设计值N MMC优化、C SM优化。
参见图1，本发明实施例的DRU和MMC并联的HVDC换流器的拓扑图，换流器包括DRU和半桥MMC，半桥MMC包括多个级联的半桥子模块，半桥子模块具体结构可以参考图1和现有技术。
本实施例中，所需的相关参数包括：额定功率S N、DRU有功功率额定值P N_DRU、DRU无功功率额定值Q N_DRU、MMC有功功率额定值P N_MMC、MMC无功功率额定值Q N_MMC、交流端口最大无功Q 混合、MMC桥臂电抗标幺值X *、额定交流相电压有效值U acN、交流电压角频率、额定直流电压U dcN、电容电压波动率最大值/>、电容电压波动率裕度系数/>、子模块电容所允许承受的最大电压值U Cmax、MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数/>、换流器的额定交流相电流有效值I acN。
本实施例中，步骤S2中，计算优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC所需的参数包括：所允许的电容电压波动率最大值、额定直流电压U dcN、子模块电容所允许承受的最大电压值U Cmax；
计算优化前的并联MMC的子模块电容容值C SM所需的参数包括：MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数、换流器的额定交流相电流有效值I acN、换流器交流端口的交流电压角频率/>、所允许的电容电压波动率最大值/>、额定直流电压U dcN、额定交流相电压有效值U acN、MMC桥臂电抗标幺值X *。
本实施例中，步骤S2中，采用现有设计方法设计时，对于轻型混合结构HVDC换流器中的并联MMC，所需要的桥臂子模块数N MMC为：
(4)
式中，为所允许的电容电压波动率最大值，U dcN为额定直流电压，U Cmax为子模块电容所允许承受的最大电压值。
本实施例中，步骤S2中，采用现有设计方法设计时，设轻型混合结构HVDC换流器的额定容量为S N，传输额定容量时，DRU与MMC的有功、无功传输容量分别为：
(1)
式中，P N_DRU、P N_MMC分别为轻型混合结构HVDC换流器额定功率运行下DRU部分与MMC部分的有功功率传输值；Q N_DRU、Q N_MMC分别为轻型混合结构HVDC换流器额定功率运行下DRU部分与MMC部分的无功功率传输值；、/>、/>、/>分别为系数参数，根据P N_DRU、P N_MMC、Q N_DRU、Q N_MMC与S N的实际数值计算得到；
为轻型混合结构HVDC换流器交流端口所要求的最大容性无功功率系数，计算如下：
(2)
式中，Q 混合为轻型混合结构HVDC换流器交流端口所要求的最大容性无功功率，为根据外部运行要求决定的已知值。
本实施例中，步骤S2中，采用现有设计方法设计时，设轻型混合结构HVDC换流器的额定交流相电压有效值为U acN，额定直流电压为U dcN，则轻型混合结构HVDC换流器的调制比与其内部并联MMC的调制比均为：
(3)。
本实施例中，步骤S2中，采用现有设计方法设计时，当MMC运行在纯容性无功功率的边界值 S N时，子模块电容电压的波动率最大，其中，/>为MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数，是一个小于或等于1的常数，其计算公式为：
(5)
因此，采用该点的运行情况设计子模块的电容容值，也就是，当MMC运行在纯容性无功功率的边界值 S N时，其子模块上的电容电压波动率/>应小于或等于/>：
(6)
式中，△U max为MMC运行在纯容性无功功率S N时其子模块电容电压的最大波动量，详细计算公式为：
(7)
式中，为轻型混合结构HVDC换流器交流端口的交流电压角频率；I acN为轻型混合结构HVDC换流器的额定交流相电流有效值；X *为桥臂电抗的标幺值；C SM为子模块电容容值。
本实施例中，步骤S2中，基于式(3)、式(5)与式(6)可知，优化前的子模块电容容值的计算公式为：
(8)。
通常情况下，为了尽可能的提升混合换流器的功率密度、运行效率与建设经济性，轻型混合结构HVDC换流器的设计原则为：额定运行时，DRU应能够传输至少90%的有功功率；同时，并联的MMC保留10%左右的有功容量，以满足换流器的启动需求。此外，DRU运行时的无功功率也应由并联的MMC补偿。在上述原则下，由于DRU额定运行时所消耗的无功功率通常为20%~30%的有功功率值，也就是，18%~27%的额定功率值。因此，轻型混合结构HVDC换流器中的并联MMC是一个额定无功功率(容性无功)值明显大于额定有功功率值的HVDC换流器，这与常规的HVDC领域的MMC换流器显然是不同的。此时，若轻型混合结构HVDC换流器中的并联MMC采用现有的常规MMC设计方法，则将造成电容设计的大量冗余，从而带来不必要的重量、体积以及成本的增加。
本实施例中，步骤S3中，计算桥臂子模块数优化量△N MMC优化所需的参数包括：优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC、计算系数c 1、MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数、换流器的额定交流相电流有效值I acN、调制比M、MMC有功功率额定值P N_MMC、额定功率S N、MMC无功功率额定值Q N_MMC；计算计算系数c 1所需的参数包括：额定交流相电压有效值U acN、交流电压角频率/>、优化前的子模块电容容值C SM、额定直流电压U dcN、额定功率S N；
计算子模块电容容值优化量△C SM优化所需的参数包括：MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数、换流器的额定交流相电流有效值I acN、交流电压角频率/>、所允许的电容电压波动率最大值/>、额定直流电压U dcN、计算系数c 1、MMC有功功率额定值P N_MMC、额定功率S N、调制比M、MMC桥臂电抗标幺值X *、MMC无功功率额定值Q N_MMC。
本实施例中，步骤S3中，在容性低功率因数下，MMC运行时的实际调制比的计算公式为：
(9)
式中，c 1为计算系数，E nom为常规设计参数下MMC内电容的额定能量系数，为并联MMC运行时的功角，在容性无功功率远大于有功功率的情况下，其计算公式为：
(10)。
当MMC的输出容性无功功率远大于有功功率时，式(3)与式(9)中的调制比所构建的调制波函数对比如图2所示。显然，式(9)中的实际调制比小于式(3)中MMC常规设计方法所用的调制比。
本实施例中，步骤S3中，在容性低功率因数下，MMC运行时的每个桥臂中所有子模块的电容电压之和为：
(11)
基于式(9)至式(11)，优化后的MMC的桥臂子模块数与优化后的子模块电容容值的计算公式为：
(12)
其中，
(13)。
对比式(4)、(8)、(12)、(13)，显然，优化后的轻型混合结构HVDC换流器并联MMC的桥臂子模块数与子模块电容容值均将明显小于现有设计，进一步降低了轻型混合结构HVDC换流器并联MMC的构建成本，并减小了整个换流器的重量与体积。
本发明实施例的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，基于DRU和MMC并联的HVDC换流器中并联MMC的低有功-高容性无功运行特征，明显减少了桥臂子模块数，降低了子模块电容容值；实际应用时，仅需在HVDC领域中MMC的现有设计方法程序后增加相应的优化计算程序即可，实现容易，实用性强，具有较高的现实意义。
应用例
以下以某换流器为例对本发明实施例的效果进行验证。
已知该换流器的相关参数为：
根据上表的参数，可以计算得到下列关键数值：
同时，可以计算得到现有设计下的桥臂子模块数与电容容值为：
进一步地，根据本实施例的优化方法，可以计算得到优化后的桥臂子模块数与电容容值为：
可见，采用本实施例的优化设计后，目标DRU和MMC并联的HVDC换流器中MMC的桥臂子模块数与每个子模块的电容值均被减小，从而有效降低了整个轻型HVDC换流器的构建成本，同时仍能保证换流器满足相关要求。
本发明实施例同时提供一种DRU和MMC并联的HVDC换流器，所述DRU和MMC并联的HVDC换流器中的并联MMC的桥臂子模块数与子模块电容容值根据前述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法得到。DRU和MMC并联的HVDC换流器的拓扑图参见图1。
本发明实施例同时提供一种电子设备，包括处理器和存储介质，存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现前述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法。
本发明实施例同时提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当计算机程序被执行时，实现前述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法。
以上所述，仅为本发明创造的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明创造包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明创造的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，其特征在于：所述DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法包括：
步骤S1、获取计算优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC、子模块电容容值C SM、桥臂子模块数优化量△N MMC优化和子模块电容容值优化量△C SM优化所需的相关参数；
步骤S2、计算得到优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC和子模块电容容值C SM；
步骤S3、基于DRU和MMC并联的HVDC换流器中并联MMC的高容性无功-低有功功率特性，计算桥臂子模块数优化量△N MMC优化和子模块电容容值优化量△C SM优化，修正桥臂子模块数N MMC以及子模块电容容值C SM，得到优化后的设计值N MMC优化、C SM优化；
其中，决定桥臂子模块数优化量△N MMC优化的参数包括计算系数c 1、MMC在纯容性无功功率边界 S N运行时的交流电流有效值I acN；
其中，决定子模块电容容值优化量△C SM优化的参数包括计算系数c 1、MMC在纯容性无功功率边界 S N运行时的交流电流有效值I acN、所允许的电容电压波动率最大值/>以及额定直流电压U dcN。
2.根据权利要求1所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，其特征在于：步骤S1中，所需的相关参数包括：额定功率S N、DRU有功功率额定值P N_DRU、DRU无功功率额定值Q N_DRU、MMC有功功率额定值P N_MMC、MMC无功功率额定值Q N_MMC、交流端口最大无功Q 混合、MMC桥臂电抗标幺值X *、额定交流相电压有效值U acN、交流电压角频率、额定直流电压U dcN、电容电压波动率最大值/>、电容电压波动率裕度系数/>、子模块电容所允许承受的最大电压值U Cmax、MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数/>、换流器的额定交流相电流有效值I acN。
3.根据权利要求2所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，其特征在于：步骤S2中，计算优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC所需的参数包括：所允许的电容电压波动率最大值、额定直流电压U dcN、子模块电容所允许承受的最大电压值U Cmax；
计算优化前的并联MMC的子模块电容容值C SM所需的参数包括：MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数、换流器的额定交流相电流有效值I acN、换流器交流端口的交流电压角频率/>、所允许的电容电压波动率最大值/>、额定直流电压U dcN、额定交流相电压有效值U acN、MMC桥臂电抗标幺值X *。
4.根据权利要求3所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，其特征在于：步骤S2中，优化前所需要的桥臂子模块数N MMC的计算公式为：
(4)
式中，为所允许的电容电压波动率最大值、U dcN为额定直流电压、U Cmax为子模块电容所允许承受的最大电压值。
5.根据权利要求3所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，其特征在于：步骤S2中，优化前的子模块电容容值C SM的计算公式为：
(8)。
6.根据权利要求3所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，其特征在于：步骤S3中，计算桥臂子模块数优化量△N MMC优化所需的参数包括：优化前的并联MMC的桥臂子模块数量N MMC、计算系数c 1、MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数、换流器的额定交流相电流有效值I acN、调制比M、MMC有功功率额定值P N_MMC、额定功率S N、MMC无功功率额定值Q N_MMC；计算计算系数c 1所需的参数包括：额定交流相电压有效值U acN、交流电压角频率/>、优化前的子模块电容容值C SM、额定直流电压U dcN、额定功率S N；
计算子模块电容容值优化量△C SM优化所需的参数包括：MMC纯容性无功功率边界值与其额定功率S N之间的比例系数、换流器的额定交流相电流有效值I acN、交流电压角频率/>、所允许的电容电压波动率最大值/>、额定直流电压U dcN、计算系数c 1、MMC有功功率额定值P N_MMC、额定功率S N、调制比M、MMC桥臂电抗标幺值X *、MMC无功功率额定值Q N_MMC。
7.根据权利要求6所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法，其特征在于：步骤S3中，优化后的并联MMC的桥臂子模块数N MMC优化与优化后的子模块电容容值C SM优化的计算公式为：
(12)
其中，
(13)。
8.DRU和MMC并联的HVDC换流器，其特征在于：所述DRU和MMC并联的HVDC换流器中的并联MMC的桥臂子模块数与子模块电容容值根据权利要求1至7任一所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法得到。
9.计算机设备，包括处理器和存储介质，存储介质中存储有计算机程序，其特征在于：计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法。
10.计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有计算机程序，当计算机程序被执行时，实现如权利要求1至7任一所述的DRU和MMC并联的HVDC换流器优化设计方法。
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