考虑冗余的柔性直流换流器的投资评估模型的制作方法

本发明涉及柔性直流输电领域，特别涉及一种考虑冗余的柔性直流换流器的投资评估模型。

背景技术：

自基于电压源型换流器(Voltage source converter，VSC)的高压直流输电技术(High voltage direct current，HVDC)出现以来，直流输电的换流元件在不断地革新。早期的HVDC都是采用两电平或三电平换流器技术，由大量IGBT直接串联成阀，虽然电路结构简单，但技术难度很大，并且损耗较高。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)是一种新型的电压源型换流器，有着高度模块化的结构，易于扩展系统和实现冗余控制，开关频率低，输出电压波形良好，近年来被广泛应用于柔性直流输电中(VSC-HVDC)。柔性直流输电相比传统的直流输电技术，有很大的优势。如可同时调节有功和无功，进行功率输送并且可以稳定电网；可以为无源网络供电，不需要无功补偿；无需在换流站间通讯；谐波水平低，减少了滤波容量；大区电网之间采用直流线路异步互连，可避免交直流并列输电线路故障；能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，使其在可再生能源并网，向特殊地区和能源紧缺地区供电，海岛供电，异步交流电网互联等领域发挥特有的优势。而且，传统两端直流输电系统的中间是架空线路，而柔性直流输电采用地下电缆不仅能减少在外观和环境方面的不利影响，还能消除输电线路受到雷击故障和森林火灾的影响。从而发挥最大效益。

MMC直流侧的电压主要由子模块(Sub-module，SM)电容电压支撑，子模块的投切状态决定MMC的工作状态，为了防止故障子模块影响系统正常运行，必须设定冗余子模块，对冗余子模进行一系列研究可使冗余系统发挥最大效益。模块化多电平换流器有着高度模块化的结构。开关频率低，易于扩展系统等诸多优点，但是MMC由多个子模块级联而成，输出功能很大程度上依靠子模块，一旦有子模块发生故障，就会影响MMC正常工作，从而降低了系统运行的可靠性，因此必须设置一定数量的冗余子模块，冗余模块可以替换故障子模块，保证系统安全稳定，MMC冗余运行控制的研究显得尤为重要。针对柔性直流输电建设和投运过程中，如何在考虑冗余的基础上选择换流器模型，对所选用的模型进行投资评估。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种考虑冗余的柔性直流换流器的投资评估模型，解决了现有技术存在的上述问题。对于n+m个子模块的冗余结构换流器，由于电平数没有变化，所以一个桥臂上处于投入状态的子模块个数是不变的，依旧是n个，而切除状态子模块的个数比无冗余结构的MMC桥臂多m个。对于这m个冗余子模块，考虑冗余子模块的备用状态，在需要时能够快速投入，替换故障子模块，选择最合适的冗余子模块数量，使MMC冗余结构获得最高效的利用。

在现有冗余模块结构的基础上，提出一种新的动态冗余方案。将所有子模块轮流投入运行，即冗余SM也参与周期内排序以及投切操作。发生故障后旁路故障SM，投入冗余SM代替，保证MMC快速恢复工作，且该冗余策略能保证MMC一直处于对称运行，相比其它方案出现不对称运行的情况，产生的谐波环流较小。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

考虑冗余的柔性直流换流器的投资评估模型，不设置特定的冗余SM，而是在所有子模块中选取合适的n个投入工作，余下的作为此周期内的冗余SM。

不设定专门的冗余子模块，所有子模块轮换工作，不参与工作的即为此轮的冗余子模块；在工作周期内，从一相的2(n+m)个子模块中选取合适的n个投入工作，余下的将所有冗余子模块也时刻参与子模块的排序以及投切操作，故障后通过旁路故障子模块，投入冗余子模块接替故障子模块的工作，最多可容下m个子模块发生故障。

本发明的有益效果在于：该冗余策略能保证MMC一直处于对称运行，相比其它方案出现不对称运行的情况，产生的谐波环流较小，同时与其他方案中冗余子模块投入前需要进行对其进行充电的问题相比，有效减少了充电时间，只需要通过选择策略确定投入的子模块对其完成投入动作即可。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为说明书摘要附图；

图2为MMC冗余结构的等效电路图；

图3为基于冗余SM个数的可靠性曲线图；

图4为冗余子模块数量配置图；

图5为动态冗余保护方案框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的考虑冗余的柔性直流换流器的投资评估模型，MMC的稳定运行关系着MMC-HVDC系统的可靠性和稳定性，冗余子模块是MMC故障保护的重要手段，可以避免MMC因出现子模块故障而影响到其他正常子模块或者系统功能。随着电压等级的升高，功率模块数量将大幅提升，长期运行情况下，功率模块故障是不可避免的，为避免其影响系统的正常运行，需要配置冗余模块。当工作模块故障时，首先将其旁路，然后用冗余模块代替故障模块工作，保证系统安全、可靠运行。针对冗余子模块数量，配置越多，系统可靠性越高，但成本也越高。且冗余子模块利用率较低，不经济；配置越少，成本较低，但是系统的可靠性得不到保障。因此，合理、有效地配置冗余子模块数量十分重要。因此，考虑设计冗余结构的柔性直流换流器的投资评估模型对于实际工程及相关技术研究具有重要意义。n+m冗余结构的三相MMC，每个桥臂有n+m个SM，其中n个普通SM，m个冗余SM。一般来说，在n数量较小的时候，m取1或2。子模块结构不变，还是由一个IGBT半桥、两个反并联二极管和一个储能电容构成。本发明提出一种新的冗余方案，即不设置特定的冗余SM，而是在所有子模块中选取合适的n个投入工作，余下的作为此周期内的冗余SM。将所有子模块轮流投入运行，即冗余SM也参与周期内排序以及投切操作。发生故障后旁路故障SM，投入冗余SM代替，保证MMC快速恢复工作，且该冗余策略能保证MMC一直处于对称运行。

参见图2所示，MMC冗余结构的等效电路图。

在电平数较小的情况下，给MMC配置的冗余子模块的个数一般为1或者2。如果电平数较大，则需要采用专门的数量配置计算方法，以确保系统能够获得最优性价比的配置。定义在一段时间t内MMC系统可靠性为RMMC，子模块的可靠性为RSM。而SM主要是由IGBT、FWD和电容器组成的，其可靠性由所含有的IGBT、二极管和电容器的可靠性共同决定[45]。设定IGBT的可靠性为RI，FWD的可靠性为RF，电容器的可靠性为RC，SM含有2个IGBT，2个FWD，1个电容器，则可以认为SM的可靠性RSM为：

MMC的主要功率单元是SM，所以可以认为MMC的可靠性也就主要由SM的可靠性决定，为了简化分析，只考虑SM可靠性对MMC可靠性的影响，其他器件和附属设备暂不考虑。对于n+m冗余结构的MMC，一个桥臂上有n个普通SM，m个冗余SM，一个MMC有6个桥臂，可以容许m个子模块发生故障，根据概率论知识，可知MMC的可靠性RMMC为：

式中，i为一个桥臂上故障SM的个数。

相同数量的冗余SM条件下，MMC桥臂总子模块个数越多，则MMC可靠性越低；而在子模块数相同的情况下的MMC，冗余子模块配置越多，可靠性越大。但是冗余SM数量越大，实际成本越高，运行和维护的难度也进一步加大，找到冗余配置数量的变化对MMC可靠性影响的规律，可以得到最具性价比的冗余SM数量，既保证系统的可靠性，又可以降低一定的成本。

随着m的变化，MMC的可靠性曲线如图3所示，采取多项式最小二乘法得到其拟合函数f(x)，根据数学知识求其二阶微分函数可以得到f(x)的拐点x1、x2。

令MMC的可靠性指标为IMMC：

式中，RMMC(M1)为冗余SM个数为M1时的MMC可靠性，RMMC(M2)为冗余SM个数为M2时的可靠性，M1为x1向上取整所得个数，M2为x2向下取整所得个数。

在该曲线中，冗余SM个数是离散的，实际应用中要使得冗余SM个数为整数，所以对x1和x2分别进行向上取整和向下取整。由图4可以看出，曲线的斜率含义为增加冗余子模块个数m所提高的MMC可靠度，IMMC表示的是在区域(x1，x2)内的可靠度。在区域(x1，x2)内，RMMC随着M近似线性变化，在该区域外，可靠点变化缓慢。所以，当MMC的电平数较多，SM个数较多时，可以根据该曲线，考虑在区域(x1，x2)配置冗余子模块个数，结合实际应用、经济等情况，根据图4所示的冗余子模块数量配置框图，选择最合适的冗余子模块个数m。

参见图5所示，为动态冗余方案的原理框图。即不设定专门的冗余子模块，所有子模块轮换工作，不参与工作的即为此轮的冗余子模块。在工作周期内，从一相的2(n+m)个子模块中选取合适的n个投入工作，余下的将所有冗余子模块也时刻参与子模块的排序以及投切操作，故障后通过旁路故障子模块，投入冗余子模块接替故障子模块的工作，最多可容下m个子模块发生故障。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。