一种混合模块化多电平换流器的可靠性分析和冗余配置计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于输配电技术领域，尤其设及一种混合模块化多电平换流器的可靠性分 析和冗余配置计算方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器型高压直流输电系统（Mo化Iar multilevel converter based hi曲voltage direct current,MMC-HVDC)正在得到日益广泛的关注。与传统两电平 和S电平电压源换流器（Voltage-sourced Converter, VSC)相比，MMC具有无需大量IGBT 串联、器件承受电压变化率低、输出波形谐波含量较低等优点。可W预见的是，MMC-HVDC将 在未来得到更为广泛的应用。 目前，直流短路故障是MMC-HVDC的一个重要问题。实际工程多采用半桥子模块 (化If-bridge Sub-mo化Ie,皿SM),但其不具备直流故障穿越能力，极大地限制了其在架空 线领域的应用。直流断路器（DC Circuit化eaker，DCCB)虽然可W迅速隔离直流短路故 障，但由于技术不成熟，直流断路器在高压大容量场合仍鲜有应用。在运样的技术背景下， 一种比较实际和可行的方案是采用具有可巧位直流故障电流的子模块拓扑W组成具备直 流故障穿越能力的MMC，主要全桥子模块（化ll-bridge Sub-mo化Ie, FBSM)，双巧位子模块 (Clamp-double Sub-module, CDSM)，单巧位子模块（Clamp-single Sub-module, CSSM)。但 与皿SM相比，具有直流故障电流巧位能力的子模块拓扑需要更多的电力电子器件，造价较 高。一种较为可行的技术方案是采用由两种类型的子模块拓扑组成的混合MMC，其中一种为 皿SM,另一种子模块拓扑具备直流故障电流巧位能力。稳态情况下两种子模块拓扑共同支 撑直流电流，直流短路故障情况下闭锁换流器，由具备直流故障电流巧位能力的子模块拓 扑切断直流故障。 实际工程中，MMC的每个桥臂都有上百个子模块，子模块故障在工程上有可能随时会发 生，因此，常配置一定数目的冗余子模块。冗余子模块的数目对MMC的可靠性和工程造价有 重要影响。由于混合MMC-般由两种类型的子模块拓扑构成，两种类型子模块的冗余配置 相互影响，因而混合MMC的冗余配置是一个非常复杂的决策过程，且对工程的可靠性和经 济性有重要影响。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是混合MMC的可靠性分析和子模块冗余配置方法。为 了便于说明该方法，本发明W由皿SM和CSSM组成的混合MMC为例进行说明，其中CSSM具 有直流故障电流巧位能力。 所述方法具体包括W下步骤： 步骤1 : W混合MMC可靠穿越直流双极短路故障为前提，在不考虑冗余的情况下，计算 稳态运行情况下每个桥臂中CSSM数目的最小比例。 步骤2 :建立混合MMC的冗余数目与可靠性的关系模型，计算基于皿SM和CSSM的混合 MMC的可靠性 步骤3 :定义和Wws分别为每个桥臂中皿SM和CSSM的冗余子模块数目，利用一阶 向后差分分别计算麻IC对Wdh和Wdcs的变化率； 步骤4:筛选临界值，当和Wws的值大于临界值时，输的增长很小（小于设定的阔 值）； 步骤5 :计算临界值处冗余子模块中绝缘栅双极晶体管的有效利用率； 步骤6 :兼顾冗余模块数目对混合MMC的可靠性影响和经济性的影响，建立考虑权重的 目标函数，利用步骤3中临界值处的麻和步骤4中计算结果选择混合MMC中子模块的最 优冗余配置。 通过W上6个步骤，本发明能够在保证混合MMC可靠切断直流故障电流的前提下，W混 合MMC的可靠性分析为基础，计算混合MMC的最优冗余配置，为工程设计提供参考。
【附图说明】
[0004] 图1为MMC的基本拓扑结构，其中SM表示子模块（Sub-mo化Ie, SM), Z为桥臂 电抗器，征为直流侧电压。图2为皿SM的拓扑结构，其中T1、T2表示绝缘栅双极晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)，Dl、D2 表不二极管，C 表不电容，/?为电容 电压，虚线为换流器闭锁时在不同电流方向下子模块中的电流路径。图3为CSSM的拓扑结 构，其中T1、T2和T3表示IGBT，D1、D2、D3和D4表示二极管，虚线为换流器闭锁时在不同 电流方向下子模块中的电流路径。图4为闭锁时混合MMC中的电流通路，其中虚线为电流 路径，W A相上桥臂和C相下桥臂为例。
【具体实施方式】
[0005] 下面将对本发明设及的混合MMC的可靠性分析和冗余计算方法进行详细说明。应 该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。 本发明所要解决的技术问题是在保证混合MMC的直流故障穿越能力的前提下，通过计 算混合MMC的可靠性和冗余子模块中IGBT的有效利用率选择混合MMC的最优配置方案。本 发明采用如下技术方案实现： 本发明通过如下六个步骤来实现： 步骤1 : W混合MMC可靠穿越直流双极短路故障为前提，在不考虑冗余的情况下，计算 稳态运行情况下每个桥臂中CSSM数目的最小比例。 不计冗余时，假设混合MMC每个桥臂中所需的皿SM和CSSM模块的数目分别为^和笔， 子模块电容电压为如则混合MMC直流电压喘和交流电压之间关系如公式（1)所示。 (I) 公式（I)中，妨J调制比（)，攝和K分别为换流变压器副边交流相电压和线电压的 幅值。如图4所示，故障电流在不同相的上下桥臂之间流动，W A相上桥臂和C相下桥臂为 例进行说明。故障电流通路中共有2笔个电容串联，为了保证混合MMC的直流故障穿越能 力，每个桥臂中的CSSM数目应满足公式（2 )的要求。
(2) 结合公式（1)和公式（2)，可W得到每个桥臂中CSSM的数目比例，如公式（3)所示：
(3) 步骤2 :建立混合MMC的冗余数目与可靠性的关系模型，计算基于皿SM和CSSM的混合 MMC的可靠性 由于MMC的6个桥臂在电气上完全对称，因此，一个桥臂的可靠性可W在一定程度上代 表MMC的可靠性，本发明W-个桥臂的可靠性表示MMC的可靠性。如果每个桥臂中发生故 障的皿SM和CSSM的数目分别为而和如，由于桥臂中CSSM的数目影