本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電和電力電子領(lǐng)域，特別涉及一種模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)方法及裝置。

背景技術(shù)：

模塊化多電平換流器(mmc)自德國學(xué)者rainermarquardt提出以來，由于其具備模塊化設(shè)計(jì)，開關(guān)頻率低，損耗小，諧波含量低等諸多優(yōu)點(diǎn)，最早由西門子公司在高壓柔性直流輸電領(lǐng)域投入到工程應(yīng)用，并得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但其工程應(yīng)用面臨了直流短路故障的嚴(yán)重威脅，mmc換流器在故障后，將形成子模塊電容串聯(lián)放電和交流系統(tǒng)不控整流放電兩個(gè)放電回路，向直流故障點(diǎn)饋入故障電流，嚴(yán)重危害系統(tǒng)穩(wěn)定及設(shè)備安全。

直流短路故障的處理方法有兩類。一類為在直流側(cè)或交流側(cè)使用斷路器切斷故障回路。但交流斷路器響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢，重啟動(dòng)作時(shí)序復(fù)雜，系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)直流故障穿越；而直流斷路器造價(jià)昂貴，目前未有工程應(yīng)用。第二類則是通過換流器的故障自清除技術(shù)，不需開關(guān)設(shè)備動(dòng)作，系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)，提高了供電可靠性。

具備直流故障自清除能力的mmc拓?fù)洌艿絿鴥?nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前常見的新型拓?fù)渲饕ㄈ珮蜃幽Kmmc、鉗位雙子模塊mmc、自阻型子模塊mmc、二極管箝位式單子模塊mmc、混合雙子模塊mmc以及由兩種或多種子模塊混合級(jí)聯(lián)構(gòu)成的子模塊混合式mmc等。

多種具有直流故障穿越能力拓?fù)涞某霈F(xiàn)，極大的滿足了柔性直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，同時(shí)也就亟需一個(gè)兼顧直流故障快速恢復(fù)及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，來輔助工程設(shè)計(jì)人員的拓?fù)溥x型工作，得到適合于工程應(yīng)用的模塊化多電平換流器。目前，有國內(nèi)學(xué)者提出了一種叫做dfrti的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以故障電流對(duì)時(shí)間的積分作為評(píng)價(jià)參數(shù)，該評(píng)價(jià)方法只考慮了故障電流對(duì)模塊化多電平換流器的影響，對(duì)模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)不夠完善，且該評(píng)價(jià)方法過于繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)方法及裝置，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)不夠完善的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)方法，該方法包括如下步驟：

1)計(jì)算不同模塊化多電平換流器的電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差；

2)根據(jù)電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差與設(shè)定的權(quán)重確定各子模塊的故障快速恢復(fù)性能指標(biāo)，依據(jù)該性能指標(biāo)評(píng)價(jià)各模塊化多電平換流器的性能。

進(jìn)一步地，所述故障電流抑制時(shí)間值系統(tǒng)閉鎖至短路電流抑制到零的時(shí)長(zhǎng)，故障電流抑制時(shí)間的表達(dá)式為其中，i2為閉鎖時(shí)刻的故障電流峰值，uc2為閉鎖后的子模塊等效反向電動(dòng)勢(shì)，l為系統(tǒng)等效電感，c′為換流器等效電容，rs為系統(tǒng)雜散電阻；所述子模塊電壓偏差指短路電流抑制到零后的子模塊電壓相對(duì)于額定電壓的偏差值，所述子模塊電壓偏差的目標(biāo)函數(shù)為其中，τ1、ω0、ω、α都為中間變量，τ1＝2l/rs，t為故障電流降為零的時(shí)刻，uc2為閉鎖后的子模塊等效反向電動(dòng)勢(shì)，c′為換流器等效電容，i2為閉鎖時(shí)刻的故障電流峰值，u0為子模塊額定電壓，l為系統(tǒng)等效電感，rs為系統(tǒng)雜散電阻。

進(jìn)一步地，該評(píng)價(jià)方法還包括對(duì)各子模塊的成本進(jìn)行評(píng)價(jià)，所述成本包括各子模塊初期投資成本和各子模塊系統(tǒng)運(yùn)行成本。

進(jìn)一步地，所述各子模塊初期投資成本為相較半橋子模塊各個(gè)換流器單個(gè)子模塊附加的開關(guān)器件的成本，包括單個(gè)子模塊附加的igbt器件數(shù)、附加的二極管器件數(shù)。

進(jìn)一步地，所述各子模塊系統(tǒng)運(yùn)行成本為系統(tǒng)運(yùn)行中的相對(duì)于半橋子模塊的各類子模塊開關(guān)器件的附加損耗成本，附加損耗包括igbt通態(tài)損耗、igbt開關(guān)損耗、二極管通態(tài)損耗及二極管恢復(fù)損耗。

進(jìn)一步地，單個(gè)子模塊附加igbt成本表示為i＝ni*pi*mi，其中，ni為各個(gè)換流器相對(duì)于半橋mmc的單個(gè)子模塊附加igbt個(gè)數(shù)，pi為基準(zhǔn)電壓igbt器件個(gè)數(shù)，mi為子模塊的半壓igbt器件與基準(zhǔn)電壓igbt器件的價(jià)格比參數(shù)；所述單個(gè)子模塊附加二極管成本表示為d＝nd*pd*md，其中，nd為各個(gè)換流器相對(duì)于半橋mmc的單個(gè)子模塊附加二極管個(gè)數(shù)，pd為基準(zhǔn)電壓二極管器件個(gè)數(shù)，md為子模塊的半壓二極管器件與基準(zhǔn)電壓二極管器件的價(jià)格比參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述評(píng)價(jià)方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果為i＝a*irestrain+b*irecovery+c*iloss+d*idevice，其中，a、b、c、d分別為相對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；irestrain＝tmin/t，tmin為各換流器故障電流抑制時(shí)間中的最小值，t為故障電流抑制時(shí)間；irecovery＝δu/δumax，δumax為子模塊電壓偏差中的最大值，δu為子模塊電壓偏差；iloss＝y(tǒng)min/y，ymin為系統(tǒng)運(yùn)行中的相對(duì)于半橋子模塊的各類子模塊開關(guān)器件的附加損耗成本的最小值，y為系統(tǒng)運(yùn)行中的相對(duì)于半橋子模塊的各類子模塊開關(guān)器件的附加損耗成本；idevice＝qmin/q，其中qmin指各換流器中相較半橋子模塊各個(gè)換流器單個(gè)子模塊附加的開關(guān)器件的成本的最小值，q為各子模塊初期投資成本為相較半橋子模塊各個(gè)換流器單個(gè)子模塊附加的開關(guān)器件的成本。

本發(fā)明還提供了一種模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)裝置，該裝置包括如下單元：

計(jì)算單元：用于計(jì)算不同模塊化多電平換流器的電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差；

性能評(píng)價(jià)單元：用于根據(jù)電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差與設(shè)定的權(quán)重確定各子模塊的性能指標(biāo)，依據(jù)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)各模塊化多電平換流器的性能。

進(jìn)一步地，所述電流抑制時(shí)間值系統(tǒng)閉鎖至短路電流抑制到零的時(shí)長(zhǎng)，電流抑制時(shí)間的表達(dá)式為其中，i2為閉鎖時(shí)刻的故障電流峰值，uc2為閉鎖后的子模塊等效反向電動(dòng)勢(shì)，l為系統(tǒng)等效電感，c′為換流器等效電容，rs為系統(tǒng)雜散電阻；所述子模塊電壓偏差指短路電流抑制到零后的子模塊電壓相對(duì)于額定電壓的偏差值，所述子模塊電壓偏差的目標(biāo)函數(shù)為其中，τ1、ω0、ω、α都為中間變量，τ1＝2l/rs，t為故障電流降為零的時(shí)刻，uc2為閉鎖后的子模塊等效反向電動(dòng)勢(shì)，c′為換流器等效電容，i2為閉鎖時(shí)刻的故障電流峰值，u0為子模塊額定電壓，l為系統(tǒng)等效電感，rs為系統(tǒng)雜散電阻。

進(jìn)一步地，該評(píng)價(jià)裝置還包括對(duì)各子模塊的成本評(píng)價(jià)的單元，所述成本包括初期投資成本和系統(tǒng)運(yùn)行成本。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過計(jì)算各個(gè)模塊化換流器的電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差，然后根據(jù)電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差與它們之間的權(quán)重值，計(jì)算模塊化多電平換流器的性能指標(biāo)，由該性能指標(biāo)判斷模塊化多電平換流器的性能，來輔助模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇，本發(fā)明對(duì)換流器的性能評(píng)價(jià)更加完善，且電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差通過等效電路計(jì)算即可得到，不需要通過仿真或試驗(yàn)得到，其計(jì)算方法簡(jiǎn)單可靠，容易實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，還對(duì)各模塊的成本進(jìn)行了評(píng)價(jià)，該成本包括初期投資成本和系統(tǒng)運(yùn)行成本，對(duì)模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)更加完善，對(duì)模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型提供了更加可靠的依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的模塊化多電平換流器的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)示意圖；

圖2為不同模塊化多電平換流器在直流短路故障后的電流波形圖；

圖3為故障自清除換流器閉鎖后的等效電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明：

本發(fā)明的一種模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)方法的實(shí)施例：

一種模塊化多電平換流器(mmc)的性能評(píng)價(jià)方法，首先計(jì)算不同模塊化多電平換流器的電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差；然后根據(jù)電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差與設(shè)定的權(quán)重確定各子模塊的故障快速恢復(fù)性能指標(biāo)，依據(jù)該性能指標(biāo)評(píng)價(jià)各模塊化多電平換流器的性能。該評(píng)價(jià)方法增加了對(duì)子模塊電壓偏差的計(jì)算，使模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)較完善和較精確。

為了對(duì)模塊化多電平換流器的評(píng)價(jià)更加完善，本發(fā)明的評(píng)價(jià)方法還對(duì)各模塊的成本進(jìn)行了評(píng)價(jià)，該成本包括初期投資成本和系統(tǒng)運(yùn)行成本。

下面針對(duì)本發(fā)明的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行具體的說明：

本實(shí)施例主要針對(duì)以下?lián)Q流器進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算，包括全橋子模塊mmc，鉗位雙子模塊mmc，鉗位單子模塊mmc，二極管鉗位式子模塊mmc，混合雙子模塊mmc，全橋子模塊與半橋子模塊1:1級(jí)聯(lián)的子模塊混合式mmc，鉗位單子模塊與半橋子模塊1:1級(jí)聯(lián)的子模塊混合式mmc，全橋子模塊mmc不閉鎖statcom故障穿越方式，混合雙子模塊不閉鎖statcom故障穿越方式，全橋子模塊與半橋子模塊1:1級(jí)聯(lián)的子模塊混合式mmc不閉鎖statcom故障穿越方式等。

1、初期投資成本：指相較半橋子模塊的單個(gè)子模塊附加igbt器件數(shù)、附加二極管器件數(shù)、功率器件耐壓等級(jí)、電容附件成本和模塊復(fù)雜度附加成本等多個(gè)因素。

單個(gè)子模塊綜合附加投資成本具體可以表示為p＝i+d+r+s，其中i指單個(gè)子模塊igbt附加成本，d指單個(gè)子模塊二極管附加成本，r指電容附加成本，s指復(fù)雜度附加成本。

由于部分新型子模塊，使用到了半壓器件或者倍壓器件(器件耐壓為半橋子模塊的一半或二倍)，需要考慮功率器件耐壓等級(jí)對(duì)器件成本的影響，有必要設(shè)置半壓功率器件對(duì)基準(zhǔn)電壓功率器件的價(jià)格比參數(shù)m。

單個(gè)子模塊igbt器件附加成本表示為i＝ni*pi*mi，其中，ni表示換流器相對(duì)于半橋mmc的單個(gè)子模塊附加igbt個(gè)數(shù)，pi為基準(zhǔn)電壓igbt器件價(jià)格，mi為子模塊的半壓igbt器件與基準(zhǔn)電壓功率器件的價(jià)格比參數(shù)。

單個(gè)子模塊的二極管器件附加成本表示為d＝nd*pd*md，其中nd為附加二極管個(gè)數(shù)，pi為基準(zhǔn)電壓二極管器件價(jià)格，md為子模塊的半壓二極管器件與基準(zhǔn)電壓功率器件的價(jià)格比參數(shù)。

電容附加成本r是指，當(dāng)被評(píng)價(jià)新型子模塊采用分裂電容方式(如二極管箝位式單子模塊)。需要考慮兩個(gè)半壓電容與半橋子模塊單個(gè)基準(zhǔn)電壓電容的價(jià)格差值。一般情況下該成本差很小，可以忽略不計(jì)。

復(fù)雜度附加成本s是指，當(dāng)單個(gè)子模塊采用兩個(gè)及以上電容時(shí)，子模塊結(jié)構(gòu)將變得較為復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生一定的額外附加成本。一般情況下，該成本也較低，可以忽略不計(jì)。

初期投資成本目標(biāo)函數(shù)可表示為q＝m*(ni*pi*mi+nd*pd*md)，其中柔性直流系統(tǒng)子模塊總數(shù)m＝nm*r*nj*nb*nd，nm為單橋臂子模塊個(gè)數(shù)，r為冗余配置比，nj系統(tǒng)級(jí)個(gè)數(shù)(雙極系統(tǒng)為2，對(duì)稱單極系統(tǒng)為1)，nb為單極拓?fù)錁虮蹅€(gè)數(shù)，nd為柔性直流系統(tǒng)換流站端數(shù)。

各換流器的初期投資成本目標(biāo)，即相交半橋子模塊附加的開關(guān)器件的成本指標(biāo)表示為idevice＝qmin/q，其中qmin指各換流器中相較半橋子模塊各個(gè)換流器單個(gè)子模塊附加的開關(guān)器件的成本的最小值，q為各子模塊初期投資成本為相較半橋子模塊各個(gè)換流器單個(gè)子模塊附加的開關(guān)器件的成本。

本實(shí)施例中，m為柔性直流輸配電系統(tǒng)中的子模塊個(gè)數(shù)，由于該值并不影響不同拓?fù)鋵?duì)比，可不帶入具體值。pi為工程應(yīng)用中基準(zhǔn)電壓?jiǎn)蝹€(gè)igbt成本，此處按高壓場(chǎng)合，近似取為4.5萬元。電容附加成本及復(fù)雜度附加成本忽略不計(jì)。器件附加成本可表示為(ni+qnd)pi*m，二極管價(jià)格近似考慮為igbt價(jià)格的1/3，即q＝1/3。

目前市場(chǎng)上，高壓igbt器件價(jià)格遠(yuǎn)高于中壓器件。例如對(duì)于同等電流等級(jí)的igbt，通常1700v的igbt器件成本只有3300v器件的1/3。本實(shí)施例中半壓器件可取m取3，表1給出了不同換流器拓?fù)涞某跗谕顿Y成本指標(biāo)及主要參數(shù)。

表1不同mmc拓?fù)涞某跗谕顿Y附加成本指標(biāo)及主要參數(shù)

2、系統(tǒng)運(yùn)行成本：指系統(tǒng)運(yùn)行過程中的相對(duì)于半橋子模塊的各類子模塊開關(guān)器件附件損耗成本。具體分解為各個(gè)開關(guān)器件的損耗計(jì)算。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，igbt的功率損耗主要為通態(tài)損耗ptcon和開關(guān)損耗ptsw；二極管損耗包括通態(tài)損耗pdcon和恢復(fù)損耗prec，其他損耗可以忽略不計(jì)。

單個(gè)igbt的各類損耗計(jì)算公式如下，具體參數(shù)可先擬選定器件，并通過查閱芯片手冊(cè)得到，如，igbt通態(tài)損耗為ptcon＝(rt·ic+uce0)·ic，其中，rt和uce0分別為igbt正向?qū)娮韬颓孀‰妷?，ic為集電極電流；二極管通態(tài)損耗為pdcon＝(rd·id+ud0)·id，其中，ud0和id分別為為二極管的電壓、電流，rd為二極管導(dǎo)通電阻；igbt開關(guān)損耗為ptsw＝f*(eon+eoff)，其中，f為器件開關(guān)頻率，eon和eoff分別為igbt的單次開通損耗能量和關(guān)斷損耗能量；二極管恢復(fù)損耗為prec＝f*erec，其中，f為器件開關(guān)頻率，erec為二極管單次反向恢復(fù)損耗。

以半橋型mmc換流器為例，換流器開關(guān)器件的總損耗可表示為：

ptot＝nit·pttot+ndt·pdtot＝nit·ptcon+nit·ptsw+ndt·pdcon+ndt·prec，其中，nit為換流器的igbt總數(shù)，ndt為換流器的二極管總數(shù)。pttot為單個(gè)基準(zhǔn)電壓igbt總損耗，pdtot為單個(gè)基準(zhǔn)電壓二極管總損耗。

由于系統(tǒng)損耗僅考慮柔性直流電網(wǎng)正常運(yùn)行工況，故障及非正常工況對(duì)整體運(yùn)行成本的影響可以忽略不計(jì)。而不同子模塊換流器在相同的系統(tǒng)設(shè)置下，其運(yùn)行機(jī)理基本相同，即單個(gè)子模塊的電壓電流基本相同，本實(shí)施例不考慮不同類型子模塊對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

為了進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比，將不同換流器單個(gè)子模塊的相對(duì)于半橋子模塊的附加平均損耗均近似表示為下式：ptot＝a·ptcon+b·ptsw+c·pdcon+d·prec，由于部分子模塊中含通態(tài)損耗和開關(guān)損耗的器件數(shù)不同，例如鉗位雙子模塊中存在鉗位器件，其在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)只有通態(tài)損耗沒有開關(guān)損耗，因此講器件損耗的系數(shù)根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置。

系統(tǒng)運(yùn)行成本指標(biāo)表示為y＝m·ptot·ep·l·year·365·24。其中year為預(yù)期運(yùn)行年數(shù)，ep為電費(fèi)(每千瓦時(shí)的價(jià)格)，l為負(fù)載率，m為柔性直流系統(tǒng)子模塊數(shù)，ptot為單個(gè)子模塊的平均損耗(單位為千瓦)。

綜上，系統(tǒng)運(yùn)行成本指標(biāo)，即系統(tǒng)運(yùn)行過程中的相對(duì)于半橋子模塊的各類子模塊開關(guān)器件附件損耗成本指標(biāo)表示為iloss＝y(tǒng)min/y，ymin為系統(tǒng)運(yùn)行中的相對(duì)于半橋子模塊的各類子模塊開關(guān)器件的附加損耗成本的最小值，y為系統(tǒng)運(yùn)行中的相對(duì)于半橋子模塊的各類子模塊開關(guān)器件的附加損耗成本。

例如，負(fù)載率l按50％計(jì)，電費(fèi)ep按照0.6元每度計(jì)，預(yù)計(jì)運(yùn)行年數(shù)按30年計(jì)。如對(duì)于，半橋子模塊：phb＝2·(ptcon+pdcon)+2·(ptsw+prec)，而其他子模塊相對(duì)于半橋子模塊的單個(gè)子模塊附加平均損耗需要根據(jù)具體子模塊類型具體分析，如表2所示。

表2不同mmc拓?fù)涞倪\(yùn)行附加成本指標(biāo)及主要參數(shù)

鉗位雙子模塊包含兩個(gè)子模塊，其附加損耗為鉗位igbt的通態(tài)損耗。其導(dǎo)通時(shí)間近似為其他igbt的2倍，而單個(gè)子模塊包含1/2個(gè)igbt，因此a＝1。與之類似鉗位單子模塊的a＝2。

二極管鉗位式子模塊和混合雙子模塊包含兩個(gè)半壓器件，不同耐壓等級(jí)器件的損耗呈指數(shù)變化。本報(bào)告通過選用兩款經(jīng)典器件英飛凌公司的fz1200r33he3和fz1200r17ke3，對(duì)比后近似認(rèn)為，全壓器件igbt通態(tài)損耗設(shè)定為半壓器件的1.31倍，二極管通態(tài)損耗1.53倍，igbt開關(guān)損耗4.8倍，二極管恢復(fù)損耗3.7倍。

按照該實(shí)施例的高壓場(chǎng)合，選用器件5sna3000k452300preliminary，橋臂電流按照平均值1000a，有效值2100a考慮；近似認(rèn)為子模塊兩管均分電流，單管流經(jīng)電流平均值約為500a，有效值約為1485a。

按照前文公式可得到其基準(zhǔn)電壓器件各項(xiàng)損耗為：igbt通態(tài)損耗為2304w，二極管通態(tài)損耗為1820w，igbt開關(guān)損耗為1800w，二極管恢復(fù)損耗為557w。

表2給出了不同換流器拓?fù)涞倪\(yùn)行成本指標(biāo)及關(guān)鍵變量。

由表可知，鉗位雙子模塊mmc和鉗位單子模塊與半橋子模塊1:1級(jí)聯(lián)的子模塊混合式mmc的運(yùn)行成本最低。

3、電流抑制時(shí)間：指主要不同mmc子模塊在系統(tǒng)閉鎖至短路電流抑制到零的時(shí)間，由于系統(tǒng)過電流峰值完全由閉鎖前的電流變化決定，與換流器拓?fù)錈o關(guān)，在系統(tǒng)過電流評(píng)價(jià)中，電流抑制時(shí)間能夠更好的評(píng)價(jià)系統(tǒng)快速恢復(fù)性能，同時(shí)也一定程度的能夠反映dfrti指標(biāo)所體現(xiàn)的充電電量信息。

如圖2所示，其中，tb為閉鎖時(shí)刻，ib為閉鎖時(shí)刻的直流短路電流，不同子模塊在換流器閉鎖前，其故障電流僅與系統(tǒng)參數(shù)配置有關(guān)，與子模塊類型完全無關(guān)，數(shù)學(xué)模型一致。但在換流器閉鎖后，具備故障電流自清除能力的子模塊能夠提供反向投入電容提供反向電動(dòng)勢(shì)抑制系統(tǒng)直流故障電流。不同子模塊類型能夠反向投入的電容的電壓及容值不同，這就導(dǎo)致了直流故障電流抑制速度的不同。

該故障電流抑制時(shí)間不需要通過仿真或者試驗(yàn)得到，可以通過數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)得到其數(shù)學(xué)表達(dá)式：其中，i2為閉鎖時(shí)刻的故障電流峰值，uc2為閉鎖后的子模塊等效反向電動(dòng)勢(shì)，l為系統(tǒng)等效電感，c'為換流器等效電容，rs為系統(tǒng)雜散電阻。如圖3所示，其具體的推導(dǎo)過程如下：按照基爾霍夫電壓定律，等效回路方程為：

發(fā)生閉鎖時(shí)的初始條件為：

把閉鎖時(shí)刻初始條件帶入等效回路方程，可得直流故障電流解析式為：

其中，

其中，uc2、i2分別為閉鎖時(shí)刻的反向電動(dòng)勢(shì)等效電壓、電流，可知，故障電流將在t＝-β′/ω時(shí)刻降為零，此時(shí)故障清除。

通過變形可得，系統(tǒng)故障電流抑制時(shí)間的表達(dá)式為：

對(duì)于具體工況，閉鎖時(shí)刻的故障電流峰值i2、系統(tǒng)等效電感l(wèi)、系統(tǒng)雜散電阻rs均為具體固定值，針對(duì)不同換流器拓?fù)?，只是換流器等效電容c′和閉鎖后的等效反向電動(dòng)勢(shì)uc2的區(qū)別。

綜上，各換流器的電流抑制時(shí)間指標(biāo)表示為irestrain＝tmin/t，tmin為各換流器故障電流抑制時(shí)間中的最小值，t為故障電流抑制時(shí)間。

針對(duì)不同類型換流器拓?fù)?，與該指標(biāo)相關(guān)的變量只有兩個(gè)，閉鎖后橋臂等效電容大小和閉鎖后橋臂提供的反向電動(dòng)勢(shì)大小。表3列出不同換流器拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別參數(shù)。

由表可知，電流抑制時(shí)間指標(biāo)上全橋子模塊和鉗位單子模塊最優(yōu)，而子模塊電壓偏差按指標(biāo)上看，能夠進(jìn)行不閉鎖statcom運(yùn)行故障穿越的幾類換流器最優(yōu)。

表3不同純子模塊mmc拓?fù)涞闹笜?biāo)相關(guān)變量

4、子模塊電壓偏差：子模塊電壓偏差不僅表征了子模塊運(yùn)行安全要求，同時(shí)反應(yīng)了系統(tǒng)快速故障恢復(fù)性能。影響恢復(fù)過程的主要因素即為換流閥的子模塊電壓偏差情況，子模塊電壓偏差越大，恢復(fù)過程約不平穩(wěn)，需要時(shí)間越長(zhǎng)。該指標(biāo)依據(jù)圖3，同樣不需要通過仿真或者試驗(yàn)得到，具體的推導(dǎo)過程不再詳細(xì)描述，最終的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，τ1、ω0、ω、α都為中間變量，τ1＝2l/rs，t為故障電流降為零的時(shí)刻，uc2為閉鎖后的子模塊等效反向電動(dòng)勢(shì)，c′為換流器等效電容，i2為閉鎖時(shí)刻的故障電流峰值，u0為子模塊額定電壓，l為系統(tǒng)等效電感，rs為系統(tǒng)雜散電阻。

子模塊電容電壓的變化受到了系統(tǒng)故障電流的影響，因此子模塊電容電壓偏差值的最大值發(fā)生在故障電流降為零的時(shí)刻，即t＝-β'/ω時(shí)刻。

根據(jù)閉鎖后，不同換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的具體情況，可以推導(dǎo)出系統(tǒng)等效電容電壓與單個(gè)子模塊電壓的比例關(guān)系。

綜上，子模塊電壓偏差指標(biāo)表示為irecovery＝δu/δumax，其中，δumax為子模塊電壓偏差中的最大值，δu為各子模塊電壓偏差。

結(jié)合步驟3和步驟4，根據(jù)公式和不同換流器的參數(shù)可以計(jì)算得到各換流器的故障電流抑制時(shí)間指標(biāo)和子模塊電壓偏差指標(biāo)，具體的如圖表4所示：

表4各子模塊電流抑制時(shí)間指標(biāo)和子模塊電壓偏差指標(biāo)

根據(jù)以上得到的初期投資成本指標(biāo)、系統(tǒng)運(yùn)行成本指標(biāo)、子模塊電壓偏差指標(biāo)和電流抑制時(shí)間指標(biāo)的各項(xiàng)指標(biāo)，該評(píng)價(jià)方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果表示為：

i＝a*irestrain+b*irecovery+c*iloss+d*idevice

其中，a、b、c、d分別為相對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，irestrain為故障電流抑制時(shí)間指標(biāo)，irecovery為子模塊電壓偏差指標(biāo)，iloss為系統(tǒng)運(yùn)行成本指標(biāo)，idevice為初期投資成本指標(biāo)，權(quán)重系數(shù)取值范圍為[0,1]，并保證a+b+c+d之和為1，由此計(jì)算的個(gè)換流器的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)如表5所示：

表5不同模塊化多電平換流器的性能指標(biāo)

本實(shí)施例中的各項(xiàng)權(quán)重系數(shù)均選為0.25，結(jié)合以上指標(biāo)得到二極管鉗位式子模塊為最適合的通過本發(fā)明的換流器性能評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)然根據(jù)具體的工程條件，可以選擇其他的權(quán)重系數(shù)，通過調(diào)節(jié)不同性能指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，得到具體工程的最優(yōu)換流器拓?fù)洹?/p>

本發(fā)明提出的一種針對(duì)模塊化多電平換流器技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，適用于各類柔性直流輸配電系統(tǒng)，能夠綜合評(píng)價(jià)換流器拓?fù)涞慕?jīng)濟(jì)性和快速故障恢復(fù)性能，能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用中快速選用合適的換流器拓?fù)涮峁﹨⒖肌?/p>

本發(fā)明還提供了一種模塊化多電平換流器的性能評(píng)價(jià)裝置，該裝置包括計(jì)算單元和性能評(píng)價(jià)單元。其中，計(jì)算單元用于計(jì)算不同模塊化多電平換流器的電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差；性能評(píng)價(jià)單元用于根據(jù)電流抑制時(shí)間和子模塊電壓偏差與設(shè)定的權(quán)重確定各子模塊的性能指標(biāo)，依據(jù)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)各模塊化多電平換流器的性能。

上述評(píng)價(jià)裝置實(shí)際上是一種功能模塊構(gòu)架，其中的各單元是與上述評(píng)價(jià)方法相對(duì)應(yīng)的進(jìn)程或程序。因此，不再對(duì)該評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。

以上給出了具體的實(shí)施方式，但本發(fā)明不局限于以上所描述的實(shí)施方式。本發(fā)明的基本思路在于上述基本方案，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。