本發(fā)明專利屬于柔性直流輸電領(lǐng)域，特別涉及一種柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，模塊化多電平換流器(MMC)極大地促進了高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展。2001年首次被提出之后，MMC憑借其高品質(zhì)的輸出波形以及較低的功率損耗，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛地引起了研究者的興趣，其拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)建模、協(xié)調(diào)控制、故障保護等方面已經(jīng)被研究得較為透徹。作為電壓源型換流器(VSC)的一種，MMC在兼具VSC所有優(yōu)勢的同時，還具有器件一致觸發(fā)動態(tài)均壓要求低、擴展性好、開關(guān)頻率低以及運行損耗低等諸多優(yōu)勢。目前，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電(MMC—HVDC)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、太陽能等新能源并網(wǎng)的場合，已有上海南匯直流輸電示范工程、浙江舟山多端柔性直流輸電示范工程、廣東南澳多端柔性直流輸電示范工程等投入運行或正在建設(shè)中。MMC—HVDC也可以應(yīng)用于改善城市配電的場合，如位于舊金山的Transbay Cable工程、遼寧大連跨海柔性直流輸電重大科技示范工程等。對于海島供電等特殊應(yīng)用場合，MMC—HVDC也有其獨特的優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見，在未來電力系統(tǒng)的構(gòu)成中，MMC—HVDC將會成為其必不可少的成分。

模塊化多電平換流器(MMC)中不同類型的損耗隨輸出電壓等級的變化趨勢是不同的，因此需要確定一種使得系統(tǒng)總損耗最最低的輸出電壓等級。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是，提出了一種柔性直流輸電電壓等級優(yōu)化設(shè)計方法，推導(dǎo)了換流閥各種損耗的解析表達式，通過對換流閥總損耗表達式求導(dǎo)，得出了換流閥損耗最低時的電壓等級。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級優(yōu)化設(shè)計方法，所述的柔性直流輸電系統(tǒng)采用MMC換流閥，MMC換流閥采用三相六橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，每相包括上、下兩個橋臂，每個橋臂由N個SM子模塊SM₁～SM_N和一個電感L串聯(lián)而成，上、下橋臂的連接點引出相線；三條相線接入公共電網(wǎng)；

柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級優(yōu)化方法為：首先，將決定MMC換流閥通態(tài)損耗和開關(guān)損耗的橋臂電流轉(zhuǎn)化為只含電壓等級變量U_dc的表達式；其次，根據(jù)橋臂電流得出通態(tài)損耗的瞬時表達式，再結(jié)合橋臂電流的投切動作順序，對通態(tài)損耗的瞬時表達式進行分段積分，得出通態(tài)損耗；然后，將所有模塊的開關(guān)損耗在一個工頻周期內(nèi)進行求和，得出開關(guān)損耗；最后，由通態(tài)損耗和開關(guān)損耗計算換流閥的總損耗，對總損耗求導(dǎo)，得出損耗最低時的輸電電壓，該電壓即為優(yōu)化設(shè)計后的電壓等級。

進一步地，所述通態(tài)損耗P_cond的計算公式為：

上式中，N＝round(U_dc/U_SM)，U_dc為直流輸電電壓，U_SM為SM子模塊的額定電壓；T為工頻周期，n為a相上橋臂在t時刻需要導(dǎo)通的SM子模塊的個數(shù)，i_pa(t)為t時刻a相上橋臂的電流，x₀，x₁和x₂為i_pa(t)過零點的時刻，P_{T_con}(i_pa(t))為IGBT通態(tài)損耗，P_{D_con}(i_pa(t))為二極管通態(tài)損耗；各參數(shù)計算方法如下：

上式中，m為調(diào)制比，為柔性直流輸電系統(tǒng)輸電功率的功率因素角，ω為電網(wǎng)電壓基波角頻率，S為柔性直流輸電系統(tǒng)輸電功率額定值，U_F0為二極管門檻電阻，r_f為二極管通態(tài)電阻；U_CE0為IGBT的擎柱電壓，r_CE為IGBT通態(tài)電阻；

進一步地，所述開關(guān)損耗包括(1)必要開關(guān)損耗P_sw1和(2)附加開關(guān)損耗P_addloss；

(1)必要開關(guān)損耗P_sw1的計算公式為：

其中，E_off(i_pa(t_x))為IGBT在t_x時刻的關(guān)斷損耗，E_rec(i_pa(t_x))為二極管在t_x時刻的反向恢復(fù)損耗，E_on(i_pa(t_x))為IGBT在t_x時刻的開通損耗；E_off(i_pa(t'_x))為IGBT在t'_x時刻的關(guān)斷損耗，E_rec(i_pa(t'_x))為二極管在t'_x時刻的反向恢復(fù)損耗，E_on(i_pa(t'_x))為IGBT在t'_x時刻的開通損耗；各參數(shù)計算方法如下：

上式中，U_CE為IGBT和二極管導(dǎo)通或者關(guān)斷時所承受的實際電壓，U_SM為SM子模塊電容額定電壓；U_{CE_ref}為IGBT生產(chǎn)廠家給出的數(shù)據(jù)手冊中在測量單次開關(guān)損耗時的集電極—發(fā)射極電壓值；a₁，b₁和c₁是IGBT開通損耗的擬合系數(shù)；a₂，b₂和c₂是IGBT關(guān)斷損耗的擬合系數(shù)；a₃，b₃和c₃是二極管反向恢復(fù)損耗的擬合系數(shù)；a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃和c₃可從IGBT生產(chǎn)廠家的給出的數(shù)據(jù)手冊中得到；

(2)附加開關(guān)損耗P_addloss的計算公式為：

上式中，T_s為控制周期，k為從1到T/T_s之間的自然數(shù)，P_addloss(k)滿足下式：

其中，E_on(i_pa(kT_s))為IGBT在kT_s時刻的開通損耗，E_off(i_pa(kT_s))為IGBT在kT_s時刻的關(guān)斷損耗，E_rec(i_pa(kT_s))為二極管在kT_s時刻的反向恢復(fù)損耗；

l(k)為上橋臂在第k個控制周期時應(yīng)導(dǎo)通的子模塊個數(shù)，需滿足下式：

進一步地，所述換流閥的總損耗為：

對換流閥的總損耗求導(dǎo)，即令求解出U_dc的值，此時的U_dc值即為優(yōu)化設(shè)計后的電壓等級。

進一步地，a₁，b₁，c₁是IGBT開通損耗的擬合系數(shù)，通過對數(shù)據(jù)手冊中“結(jié)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，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關(guān)斷損耗的擬合系數(shù)，通過對數(shù)據(jù)手冊中“結(jié)溫125℃下典型集電極電流—關(guān)斷損耗”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(fù)損耗的擬合系數(shù)，通過對數(shù)據(jù)手冊中“結(jié)溫125℃下典型通態(tài)電流—反向恢復(fù)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，a₁取值為6.558×10^-4，b₁取值為3.659，c₁取值為684.4，a₂取值為6.071×10^-5，b₂取值為4.025，c₂取值為378.2，a₃取值為7.984×10^-4，b₃取值為3.103，c₃取值為644.2。

進一步地，T取值為0.02s，T_s取值為0.5ms，取值為0，m取值為0.95，S取值為1000MW，ω取值為100πrad/s，IGBT管的型號為Infineon-FZ1200R45HL，U_SM取值為3000V，U_CE取值為3000V，U_{CE_ref}取值為2800V，U_CE0取值為1.342V，r_CE取值為0.00126Ω，U_F0取值為1.079V，r_f取值為0.001109Ω。

本發(fā)明公開了一種柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級優(yōu)化設(shè)計方法，首先將決定MMC換流閥通態(tài)損耗和開關(guān)損耗的橋臂電流轉(zhuǎn)化為只含電壓等級變量U_dc的表達式；其次根據(jù)橋臂電流得出通態(tài)損耗的瞬時表達式，再結(jié)合橋臂電流的投切動作順序，對通態(tài)損耗的瞬時表達式進行分段積分，得出通態(tài)損耗計算公式；然后將所有模塊的開關(guān)損耗在一個工頻周期內(nèi)進行求和，得出開關(guān)損耗表達式；最后對總損耗求導(dǎo)，得出損耗最低時的輸電電壓，該電壓即為優(yōu)化設(shè)計后的電壓等級。本發(fā)明確定了損耗最低時的電壓等級，可以減少系統(tǒng)損耗，為電網(wǎng)電壓等級的確定提供參考標(biāo)準(zhǔn)。

有益效果：

本發(fā)明公開的這種柔性直流輸電電壓等級優(yōu)化設(shè)計方法，分析了換流閥各類損耗與輸電電壓等級的關(guān)系，在容量一定，子模塊電壓固定的特定情形下，通過對總損耗表達進行求導(dǎo)，求解出了損耗最低時的電壓等級。本發(fā)明1)為電壓等級的設(shè)定提供了科學(xué)的參考；2)減小了系統(tǒng)電能損耗。

附圖說明

圖1三相MMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2 a相上橋臂電流與子模塊投入個數(shù)關(guān)系圖；

圖3橋臂電流和子模塊開關(guān)順序；

圖4附加開關(guān)損耗計算流程圖；

圖5通態(tài)損耗與電壓等級的關(guān)系；

圖6開關(guān)損耗與電壓等級的關(guān)系；

圖7總損耗與電壓等級的關(guān)系；

具體實施方式

為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實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系統(tǒng)，三相MMC系統(tǒng)由三個相橋臂組成，每個相橋臂由上半橋臂和下半橋臂兩部分構(gòu)成，每個半橋臂分別由N個SM子模塊(依次記為SM₁，SM₂，…，SM_N)和一個橋臂電感依次串聯(lián)而成，各相橋臂的輸出端從兩個橋臂電感的連接點引出，三個引出端分別為v_ao、v_bo、v_co；每個SM子模塊是一個半橋變流器，由兩個IGBT管T1和T2、兩個二極管D1和D2和一個電容C構(gòu)成；其中，IGBT管T1的發(fā)射極與IGBT管T2的集電極相連并構(gòu)成SM的正端，IGBT管T1的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T2的發(fā)射極與電容的負極相連并構(gòu)成SM的負端；D1與T1反向并聯(lián)，D2與T2反向并聯(lián)；IGBT管T1和T2的門極均接收控制脈沖信號；子模塊的額定電壓為U_SM，直流側(cè)電壓為U_dc。

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明中MMC換流閥子模塊的通態(tài)損耗解析表達式、開關(guān)損耗解析表達式的推導(dǎo)過程進行說明。

圖2是a相上橋臂電流與子模塊導(dǎo)通關(guān)系圖，當(dāng)t∈(x₀,x₁)時，有i_pa(t)>0，且i_pa(t)流過n個D1中和(N-n)個T2；當(dāng)t∈(x₁,x₂)時，有i_pa(t)<0，且i_pa流過n個T1中和(N-n)個D2，所以通態(tài)損耗P_cond為：

上式中，T取值為0.02s，n為a相上橋臂在t時刻需要導(dǎo)通的子模塊的個數(shù)，i_pa(t)為t時刻a相上橋臂電流，x₀，x₁，x₂為i_pa過零點的時刻，P_{T_con}(i_pa(t))為IGBT通態(tài)損耗，P_{D_con}(i_pa(t))為二極管通態(tài)損耗。

上式中，m取值為0.95，取值為0，ω取值為100π，S取值為1000MW，U_F0取值為1.079，r_f取值為0.0011109Ω；U_CE0取值為0.342V，r_CE取值為0.00126Ω。

圖3是橋臂電流和子模塊開關(guān)動作順序，每次階梯波電壓變化的時刻t_x可由下式確定：

其中x為a相上橋臂正在投入運行的子模塊個數(shù)。

當(dāng)t∈(0,t′₁)時，i_pa>0，因此，在t_x時刻，必須將某個子模塊由切除狀態(tài)轉(zhuǎn)為投入狀態(tài)，其中t_x為：

當(dāng)時，i_pa<0，因此，在t_x時刻，必須將某個子模塊由投入狀態(tài)轉(zhuǎn)為切除狀態(tài)，其中t_x為：

當(dāng)時，i_pa<0，因此，在t_x時刻，必須將某個子模塊從投入狀態(tài)轉(zhuǎn)為切除狀態(tài)，其中t_x為：

當(dāng)時，i_pa>0，因此，在t_x時刻，必須將某個子模塊從投入狀態(tài)轉(zhuǎn)為切除狀態(tài)，其中t_x為：

由圖3可知必要開關(guān)損耗P_sw1表達式為：

其中，E_off(i_pa(t_x))為IGBT在t_x時刻的關(guān)斷損耗，E_rec(i_pa(t_x))為二極管在t_x時刻的反向恢復(fù)損耗，E_on(i_pa(t_x))為IGBT在t_x時刻的開通損耗，E_off(i_pa(t'_x))為IGBT在t'_x時刻的關(guān)斷損耗，E_rec(i_pa(t'_x))為二極管在t'_x時刻的反向恢復(fù)損耗，E_on(i_pa(t'_x))為IGBT在t'_x時刻的開通損耗。

上式中U_CE取值為3000，U_{CE_ref}取值為2800，a₁取值為6.558×10^-4，b₁取值為3.659，c₁取值為684.4，a₂取值為6.071×10^-5，b₂取值為4.025，c₂取值為378.2，a₃取值為7.984×10^-4，b₃取值為3.103，c₃取值為644.2。

圖4為附加開關(guān)損耗計算流程圖，T_s為控制周期，第k個控制周期時，上橋臂應(yīng)導(dǎo)通的子模塊個數(shù)為：

當(dāng)l(k-1)≤N-l(k)時，如果采用最近電平逼近，則在k個控制周期，需要把第k-1個控制周期導(dǎo)通的子模塊全部用未導(dǎo)通的子模塊替換，此時附加開關(guān)損耗為：

P_addloss(k)＝l(k-1)·(E_on(i_pa(kT_s))+E_off(i_pa(kT_s))+E_rec(i_pa(kT_s)))

當(dāng)l(k-1)>N-l(k)時，則在第k個控制周期，需要把第k-1個控制周期導(dǎo)通的子模塊中的(N-l(k))個子模塊切除，此時的附加開關(guān)損耗為：

P_addloss(k)＝(N-l(k))·(E_on(i_pa(kT_s))+E_off(i_pa(kT_s))+E_rec(i_pa(kT_s))))

所以總的附加開關(guān)損耗P_addloss為：

上式中T_s取值為0.5ms。

在matlab中進行仿真，比較在不同容量，不同電壓等級情況下的損耗變化規(guī)律。

圖5是通態(tài)損耗與電壓等級的關(guān)系，從圖中可以看出，當(dāng)電壓等級較低時，隨著電壓等級的增加，通態(tài)損耗迅速下降。比如當(dāng)電壓等級為240kV時，損耗為10.33MW，當(dāng)電壓等級升高到600kV時，損耗迅速下降到5.807MW；當(dāng)電壓等級進一步提高時，損耗緩慢下降，當(dāng)電壓等級為780kV，損耗下降到5.111MW，當(dāng)電壓等級大于800kV以后，損耗基本保持不變。

圖6是開關(guān)損耗與電壓等級的關(guān)系，從圖中可以看出，當(dāng)電壓等級較低時，由于子模塊數(shù)較少，因此開關(guān)損耗較低；當(dāng)電壓等級升高時，子模塊數(shù)增大，開關(guān)損耗也相應(yīng)增大。比如當(dāng)電壓等級為240kV時，開關(guān)損耗為7.755MW，當(dāng)電壓等級升高到780kV時，開關(guān)損耗升高到9.612MW。

不同類型的損耗隨電壓等級的變化趨勢是不同的，因此需要確定一種使得系統(tǒng)總損耗最小的電壓等級。

圖7是總損耗與電壓等級的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著輸電電壓等級的逐步升高，總損耗有一個極小值，出現(xiàn)在720kV電壓等級附近處。這是由于當(dāng)換流閥的容量確定時，隨著電壓等級的提高，此時通態(tài)損耗會逐漸收斂到固定值，與此同時開關(guān)損耗卻會逐漸增加。通過本發(fā)明方法可以確定損耗最低時換流閥的輸電電壓，為確定電網(wǎng)電壓等級和電網(wǎng)容量提供了參考。