本發(fā)明專利屬于柔性直流輸電系統(tǒng)領域，特別涉及基于MMC換流閥調(diào)制波的三次諧波含量值優(yōu)化計算方法。

背景技術：

柔性直流輸電技術是構建靈活、堅強、高效電網(wǎng)和充分利用可再生能源的有效途徑，代表著直流輸電的未來發(fā)展方向，已成為新一代智能電網(wǎng)的關鍵技術之一。模塊化多電平換流閥(modular multilevel converter，MMC)具有易于實現(xiàn)多電平輸出，模塊化設計等優(yōu)點，已經(jīng)成為了VSC-HVDC(Voltage source converter，HVDC)領域最受關注的換流閥拓撲結構之一。損耗不僅是柔性直流輸電系統(tǒng)的一個重要評價指標，而且對于換流閥散熱器設計和器件選型也起著關鍵的作用。

隨著電壓等級的升高，功率模塊數(shù)量將大幅提升，長期運行情況下，功率模塊故障是不可避免的，為避免其影響系統(tǒng)的正常運行，需要配置冗余模塊。冗余子模塊數(shù)量，配置越多，系統(tǒng)可靠性越高，但成本也越高，且冗余子模塊利用率較低，不經(jīng)濟；配置越少，成本較低，但是系統(tǒng)的可靠性得不到保障。因此，合理、有效地配置冗余子模塊數(shù)量十分重要。MMC由多個子模塊構成，如果有1個或多個子模塊發(fā)生故障，將會嚴重影響MMC的正常運行，冗余模塊的配置能夠解決這一問題。當某個工作子模塊發(fā)生故障時，通過開關將其旁路后投入冗余模塊，代替其工作，避免了系統(tǒng)停運，提高了系統(tǒng)可靠性和工作效率。并且MMC也會帶來較大的損耗，降低MMC的損耗一直是工程上面所關心的問題?；谏鲜鰡栴}，有必要設計一種兼顧系統(tǒng)冗余度和損耗的優(yōu)化計算方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種基于MMC換流閥調(diào)制波的三次諧波含量值優(yōu)化計算方法，采用遺傳算法得到了損耗和冗余最優(yōu)配置時的三次諧波含量值。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案如下：

一種基于MMC換流閥調(diào)制波的三次諧波含量優(yōu)化計算方法，所述的MMC換流閥采用三相六橋臂拓撲結構，每相包括上、下兩個橋臂，每個橋臂由N個SM子模塊和1個電感L串聯(lián)而成，每個橋臂的N個SM子模塊從上到下依次標號為SM₁、SM₂……SM_N，上、下橋臂連接點引出相線；三條相線接入公共電網(wǎng)；N＝round(U_dc/U_SM)，round()表示取整函數(shù)，U_dc為MMC換流閥直流母線額定電壓，U_SM為SM子模塊額定電壓；其特征在于，三次諧波含量優(yōu)化計算方法的步驟為：首先計算出MMC換流閥的通態(tài)損耗，然后計算出MMC換流閥的開關損耗，得出MMC換流閥總損耗與三次諧波含量的關系式；其次，計算出MMC換流閥的冗余度，得出冗余度與三次諧波含量的關系式；最后以兩個關系式為目標，進行多目標優(yōu)化，得到最優(yōu)的三次諧波含量值。

進一步地，所述計算MMC換流閥的通態(tài)損耗的公式為：

其中：

i_pa(t)＝S/(3U_dc)+2Scos(ωt)/(3U_dc)

n_pa(t)＝(U_dc-U_dc(cos(ωt)-k cos(3ωt)))/(2U_SM)

上式中，T為電網(wǎng)工頻周期；t表示時間；n_pa(t)為t時刻a相上橋臂需要投入的子模塊個數(shù)；P_Dcond(i_pa(t))和P_Tcond(i_pa(t))分別為t時刻a相上橋臂二極管和IGBT的通態(tài)損耗，P_Dcond(-i_pa(t))和P_Tcond(-i_pa(t))分別為t時刻a相下橋臂二極管和IGBT的通態(tài)損耗，i_pa(t)為t時刻a相上橋臂的電流；U_CE0，U_f0分別為IGBT和二極管的通態(tài)偏置電壓，r_CE，r_f分別為IGBT和二極管的通態(tài)電阻；U_CE0、U_f0、

r_CE、r_f都可從IGBT生產(chǎn)廠家給出的數(shù)據(jù)手冊中得到；ω為電網(wǎng)電壓的基波角頻率，k為疊加的三次諧波含量；S為MMC換流閥的額定功率。

進一步地，所述計算MMC換流閥的開關損耗包括1)計算MMC換流閥的必要開關損耗和2)計算MMC換流閥的附加開關損耗；

1)計算MMC換流閥的必要開關損耗的公式為：

其中：

上式中，E_off(i_pa(t))為t時刻a相下橋臂IGBT的關斷損耗，E_off(-i_pa(t))為t時刻a相上橋臂IGBT的關斷損耗，E_on(i_pa(t))為t時刻a相上橋臂IGBT的開通損耗，E_on(-i_pa(t))為t時刻a相下橋臂IGBT的開通損耗，E_rec(i_pa(t))為t時刻a相上橋臂二極管的反向恢復損耗，E_rec(-i_pa(t))為t時刻a相下橋臂二極管的反向恢復損耗；a₁、b₁、c₁是IGBT關斷損耗的擬合系數(shù)；a₂、b₂、c₂是IGBT開通損耗的擬合系數(shù)；a₃、b₃、c₃是二極管反向恢復損耗的擬合系數(shù)；a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃可從IGBT生產(chǎn)廠家給出的數(shù)據(jù)手冊中獲得；

2)計算MMC換流閥的附加開關損耗的公式為：

上式中，l表示第l個控制周期，T_S為控制周期；

當n_pa((l-1)T_S)≤N-n_pa(lT_S)時：

E_sw-f(l)＝n_pa((l-1)T_S)(E_on(i_pa(lT_S))+E_off(i_pa(lT_S))+E_rec(i_pa(lT_S)))

當n_pa((l-1)T_S)>N-n_pa(lT_S)時：

E_sw-f(l)＝(N-n_pa((l-1)T_S))(E_on(i_pa(lT_S))+E_off(i_pa(lT_S))+E_rec(i_pa(lT_S)))。

進一步地，所述MMC換流閥的總損耗與三次諧波含量的關系式為：

F₁(k)＝6(P_cond+P_sw-b+P_sw-f)。

進一步地，所述MMC換流閥的冗余度與三次諧波含量的關系式為：

F₂(k)＝min{1-cos(ωt)-kcos(3ωt)}

上式中，min{}函數(shù)表示取在所有時間段內(nèi)的最小值。

進一步地，所述以兩個關系式為目標，進行多目標優(yōu)化，得到最優(yōu)的三次諧波含量值的步驟包括：

首先，構造目標函數(shù)R：

上式中，η₁、η₂是權系數(shù)，由用戶根據(jù)MMC換流閥的應用場合進行取值；

然后，采用遺傳算法對損耗與冗余進行多目標優(yōu)化計算，即求解目標函數(shù)R中三次諧波含量k的最優(yōu)解。

進一步地，所述采用遺傳算法對損耗與冗余進行多目標優(yōu)化計算包括以下步驟：

(1)基因編碼：每一條基因采用m₁位的二進制數(shù)進行編碼，m₁≥10；然后進行下一步；

(2)初始種群的生成：隨機生成m₂個k值作為初始種群，m₂≥50；然后進行下一步；

(3)個體評價及終止條件判斷：計算出每個k值對應的目標函數(shù)值R；判斷是否滿足連續(xù)m₃次遺傳前后兩代的最小目標函數(shù)值R之差都小于m₄，m₃≥5，0<m₄<0.01；若滿足，則計算結束，此時最后一代種群中最小目標函數(shù)值R對應的k值即為最優(yōu)三次諧波含量值；否則進行下一步；

(4)選擇：將計算得到R值從小到大保留m₅個；將保留的R值所對應的k值作為下一代的父輩種群；并將最大R值所對應的k值復制m₂-m₅個補充到父輩種群中；m₅<m₂；然后進行下一步；

(5)交叉：對父輩種群中的m₂個k值進行隨機兩兩配對；將每一對k值，隨機選取一個二進制位互換；然后進行下一步；

(6)變異：對交叉后的父輩種群中的m₂個k值，隨機選擇一個k值；在這個k值對應的二進制數(shù)中，再隨機選擇一個二進制位進行0、1翻轉；然后轉入步驟(3)。

進一步地，在遺傳算法中，為了使求解得到的三次諧波含量k精度達到0.001，設置變量m₁為10；為加快收斂速度，設置m₂為50；為提高收斂可靠性，設置m₃為5，m₄為0.001，m₅為40。

進一步地，所述計算MMC換流閥的必要開關損耗中，a₁、b₁、c₁是IGBT關斷損耗的擬合系數(shù)，通過對IGBT生產(chǎn)廠家給出的數(shù)據(jù)手冊中“結溫125℃下典型集電極電流—關斷損耗”曲線采用二次曲線擬合的方式獲得，a₁是擬合方法中的二次項系數(shù)，b₁是擬合方法中的一次項系數(shù)，c₁是擬合方法中的常數(shù)項系數(shù)；a₂、b₂、c₂是IGBT開通損耗的擬合系數(shù)，通過對數(shù)據(jù)手冊中“結溫125℃下典型集電極電流—開通損耗”曲線采用二次曲線擬合的方式獲得，a₂是擬合方法中的二次項系數(shù)，b₂是擬合方法中的一次項系數(shù)，c₂是擬合方法中的常數(shù)項系數(shù)；a₃、b₃、c₃是二極管反向恢復損耗的擬合系數(shù)，通過對數(shù)據(jù)手冊中“125℃下典型通態(tài)電流—反向恢復損耗”曲線采用二次曲線擬合的方式獲得，a₃是擬合方法中的二次項系數(shù)，b₃是擬合方法中的一次項系數(shù)，c₃是擬合方法中的常數(shù)項系數(shù)；

進一步地，所述S取值為1000MVA，U_dc取值為±300kV，U_SM取值為3000V，T取值為20ms，T_S取值為0.5ms，ω取值為100π，IGBT的型號為Infineon-FZ1200R45HL，U_CE0取值為1.343V，U_f0取值為1.079V，r_CE取值為0.00126Ω，r_f取值為0.001109Ω，η₁取值為0.7，η₂取值為0.3；a₁取值為378.2，a₂取值為684.4，a₃取值為644.2，b₁取值為4.025，b₂取值為3.659，b₃取值為3.103，c₁取值為6.071×10^-5，c₂取值為6.558×10^-4，c₃取值為7.984×10^-4。

有益效果：

本發(fā)明為兼顧冗余度和損耗來選取合適的三次諧波含量，以使冗余度與損耗同時達到最優(yōu)；對此，本發(fā)明提出了一種基于MMC換流閥調(diào)制波的三次諧波含量優(yōu)化計算方法，根據(jù)系統(tǒng)損耗和冗余與三次諧波含量的關系，采用遺傳算法優(yōu)化計算三次諧波含量值，可以兼MMC換流閥的損耗和冗余度。本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1)提高了MMC換流閥的可靠性和經(jīng)濟性；2)降低了系統(tǒng)的投資成本。

附圖說明

圖1為三相MMC拓撲結構圖

圖2為SM子模塊拓撲結構圖

圖3為調(diào)制電壓疊加三次諧波圖

圖4為變化率函數(shù)與上橋臂電流圖

圖5為MMC算例計算結果圖；圖5(a)為通態(tài)損耗與三次諧波疊加量的關系圖；圖5(b)開關損耗與三次諧波疊加量的關系圖；圖5(c)為總損耗與三次諧波疊加量的關系圖；圖5(d)為冗余度與三次諧波疊加量的關系圖；

圖6為遺傳算法結果圖；圖6(a)為目標函數(shù)圖；圖6(b)為三次諧波疊加量變化過程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1是三相MMC拓撲結構圖，MMC換流閥的額定功率為1000MVA，直流母線額定電壓為±300kV，子模塊電容容量為50mF，子模塊額定電壓為3000V，IGBT的型號為Infineon-FZ1200R45HL。

圖2為SM子模塊拓撲結構圖。由2個絕緣柵雙極型晶體管T1和T2以及2個反并聯(lián)二極管D1和D2以及1個直流電容C組成。子模塊存在3種基本工作狀態(tài)：T1導通和T2關斷的投入狀態(tài)，T1關斷和T2導通的切除狀態(tài)，T1和T2同時關斷的閉鎖狀態(tài)。MMC由多個子模塊構成，如果有1個或多個子模塊發(fā)生故障，將會嚴重影響MMC的正常運行，冗余模塊的配置能夠解決這一問題。當某個工作子模塊發(fā)生故障時，通過開關將其旁路后投入冗余模塊，代替其工作，避免了系統(tǒng)停運，提高了系統(tǒng)可靠性和工作效率。

圖3為調(diào)制電壓疊加三次諧波圖，疊加三次諧波后，峰值電壓有所降低。

圖4為上橋臂電流和上橋臂電流變化率波形圖。

根據(jù)圖4計算換流閥損耗：

步驟一、計算MMC換流閥的通態(tài)損耗：

其中：

i_pa(t)＝S/(3U_dc)+2Scos(ωt)/(3U_dc)

n_pa(t)＝(U_dc-U_dc(cos(ωt)-k cos(3ωt)))/(2U_SM)

上式中，T取值0.02s；U_CE0取值為1.343V，U_f0取值為1.079V，r_CE取值為0.00126Ω，r_f取值為0.001109Ω，ω取值為100π，U_SM取值為3000V

步驟二、計算MMC換流閥的必要開關損耗：

其中：

上式中：a₁取值為378.2，a₂取值為684.4，a₃取值為644.2，b₁取值為4.025，b₂取值為3.659，b₃取值為3.103，c₁取值為6.071×10^-5，c₂取值為6.558×10^-4，c₃取值為7.984×10^-4。

步驟三、計算MMC換流閥的附加開關損耗：

上式中，T_S取值為0.5ms。

當n_pa((l-1)T_S)≤N-n_pa(lT_S)時：

E_sw-f(l)＝n_pa((l-1)T_S)(E_on(i_pa(lT_S))+E_off(i_pa(lT_S))+E_rec(i_pa(lT_S)))

當n_pa((l-1)T_S)>N-n_pa(lT_S)時：

E_sw-f(l)＝(N-n_pa((l-1)T_S))(E_on(i_pa(lT_S))+E_off(i_pa(lT_S))+E_rec(i_pa(lT_S)))

步驟四、計算MMC換流閥的總損耗：

F₁(k)＝6(P_cond+P_sw-b+P_sw-f)

步驟五、計算MMC換流閥的冗余度：

F₂(k)＝min{1-cos(ωt)-kcos(3ωt)}

上式中，min{}函數(shù)表示取在所有時間段內(nèi)的最小值。

圖5(a)為通態(tài)損耗與三次諧波疊加量的關系圖，隨著3次諧波含量的增大，通態(tài)損耗逐漸減小，通態(tài)損耗從0.8744％減小到0.8741％。圖5(b)開關損耗與三次諧波疊加量的關系圖，隨著3次諧波含量的增大，開關損耗有一個極小值點，開關損耗從0.616％減小到0.611％.。圖5(c)為總損耗與三次諧波疊加量的關系圖，隨著3次諧波含量的增大，總損耗存在著一個極小值點，損耗從1.491％減小到1.485％。圖5(d)為冗余度與三次諧波疊加量的關系圖，隨著3次諧波含量的增大，冗余度先逐漸增大，然后再逐漸減小，最大為14.3％，最小為0。

圖6為采用遺傳算法對損耗與冗余進行多目標優(yōu)化計算結果。優(yōu)化過程如下：

構造目標函數(shù)R：

上式中，η₁、η₂是權系數(shù)，由用戶根據(jù)MMC換流閥的應用場合進行取值；

(1)基因編碼：每一條基因采用5位的二進制數(shù)進行編碼，表示一個三次諧波含量值k；然后進行下一步；

(2)初始種群的生成：隨機生成50個k值作為初始種群；然后進行下一步；

(3)個體評價及終止條件判斷：計算出每個k值對應的目標函數(shù)值R；判斷是否滿足連續(xù)5次遺傳前后兩代的最小目標函數(shù)值R之差都小于0.001；若滿足，則計算結束，此時最后一代種群中最小目標函數(shù)值R對應的k值即為最優(yōu)三次諧波含量值；否則進行下一步；

(4)選擇：計算出每個k值對應的目標函數(shù)值R；將計算得到R值從小到大保留40個；將保留的R值所對應的k值作為下一代的父輩種群；并將最大R值所對應的k值復制10個補充到父輩種群中；然后進行下一步；

(5)交叉：對父輩種群中的50個k值進行隨機兩兩配對；將每一對k值，隨機選取一個二進制位互換；然后進行下一步；

(6)變異：對交叉后的父輩種群中的50個k值，隨機選擇10個k值；對這10個k值，再隨機選擇一個二進制位進行0、1翻轉；然后轉入步驟(3)。

圖6(a)為目標函數(shù)圖，從圖中可以看出目標函數(shù)經(jīng)過約90代進化后收斂；圖6(b)為三次諧波疊加量變化過程圖，優(yōu)化結束后，三次諧波疊加量最佳點為24.3％。此時，損耗為1.485％，冗余度為12.7％。與具有最低損耗的冗余度11％相比，采用優(yōu)化算法時，犧牲了0.005％的損耗，換來了1.7％的冗余度，使得系統(tǒng)可靠性更高，但損耗只增加了0.005％，因此綜合性能更優(yōu)。