一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法，首先将决定MMC换流阀通态损耗和开关损耗的桥臂电流转化为只含电压等级变量U

An optimal design method of voltage level for flexible HVDC system

The invention discloses a method for optimizing voltage level of a flexible DC transmission system. Firstly, the bridge arm current that determines the state loss and the switching loss of the MMC commutation valve is converted to a voltage grade variable U only

【技术实现步骤摘要】
一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法
本专利技术专利属于柔性直流输电领域，特别涉及一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，模块化多电平换流器(MMC)极大地促进了高压直流输电技术的发展。2001年首次被提出之后，MMC凭借其高品质的输出波形以及较低的功率损耗，在学术界和工业界广泛地引起了研究者的兴趣，其拓扑结构、数学建模、协调控制、故障保护等方面已经被研究得较为透彻。作为电压源型换流器(VSC)的一种，MMC在兼具VSC所有优势的同时，还具有器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、开关频率低以及运行损耗低等诸多优势。目前，基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC—HVDC)系统已被广泛应用于风电、太阳能等新能源并网的场合，已有上海南汇直流输电示范工程、浙江舟山多端柔性直流输电示范工程、广东南澳多端柔性直流输电示范工程等投入运行或正在建设中。MMC—HVDC也可以应用于改善城市配电的场合，如位于旧金山的TransbayCable工程、辽宁大连跨海柔性直流输电重大科技示范工程等。对于海岛供电等特殊应用场合，MMC—HVDC也有其独特的优势。可以预见，在未来电力系统的构成中，MMC—HVDC将会成为其必不可少的成分。模块化多电平换流器(MMC)中不同类型的损耗随输出电压等级的变化趋势是不同的，因此需要确定一种使得系统总损耗最最低的输出电压等级。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是，提出了一种柔性直流输电电压等级优化设计方法，推导了换流阀各种损耗的解析表达式，通过对换流阀总损耗表达式求导，得出了换流阀损耗最低时的电压等级。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法，所述的柔性直流输电系统采用MMC换流阀，MMC换流阀采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块SM1～SMN和一个电感L串联而成，上、下桥臂的连接点引出相线；三条相线接入公共电网；柔性直流输电系统电压等级优化方法为：首先，将决定MMC换流阀通态损耗和开关损耗的桥臂电流转化为只含电压等级变量Udc的表达式；其次，根据桥臂电流得出通态损耗的瞬时表达式，再结合桥臂电流的投切动作顺序，对通态损耗的瞬时表达式进行分段积分，得出通态损耗；然后，将所有模块的开关损耗在一个工频周期内进行求和，得出开关损耗；最后，由通态损耗和开关损耗计算换流阀的总损耗，对总损耗求导，得出损耗最低时的输电电压，该电压即为优化设计后的电压等级。进一步地，所述通态损耗Pcond的计算公式为：上式中，N＝round(Udc/USM)，Udc为直流输电电压，USM为SM子模块的额定电压；T为工频周期，n为a相上桥臂在t时刻需要导通的SM子模块的个数，ipa(t)为t时刻a相上桥臂的电流，x0，x1和x2为ipa(t)过零点的时刻，PT_con(ipa(t))为IGBT通态损耗，PD_con(ipa(t))为二极管通态损耗；各参数计算方法如下：上式中，m为调制比，为柔性直流输电系统输电功率的功率因素角，ω为电网电压基波角频率，S为柔性直流输电系统输电功率额定值，UF0为二极管门槛电阻，rf为二极管通态电阻；UCE0为IGBT的擎柱电压，rCE为IGBT通态电阻；进一步地，所述开关损耗包括(1)必要开关损耗Psw1和(2)附加开关损耗Paddloss；(1)必要开关损耗Psw1的计算公式为：其中，Eoff(ipa(tx))为IGBT在tx时刻的关断损耗，Erec(ipa(tx))为二极管在tx时刻的反向恢复损耗，Eon(ipa(tx))为IGBT在tx时刻的开通损耗；Eoff(ipa(t'x))为IGBT在t'x时刻的关断损耗，Erec(ipa(t'x))为二极管在t'x时刻的反向恢复损耗，Eon(ipa(t'x))为IGBT在t'x时刻的开通损耗；各参数计算方法如下：上式中，UCE为IGBT和二极管导通或者关断时所承受的实际电压，USM为SM子模块电容额定电压；UCE_ref为IGBT生产厂家给出的数据手册中在测量单次开关损耗时的集电极—发射极电压值；a1，b1和c1是IGBT开通损耗的拟合系数；a2，b2和c2是IGBT关断损耗的拟合系数；a3，b3和c3是二极管反向恢复损耗的拟合系数；a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3和c3可从IGBT生产厂家的给出的数据手册中得到；(2)附加开关损耗Paddloss的计算公式为：上式中，Ts为控制周期，k为从1到T/Ts之间的自然数，Paddloss(k)满足下式：其中，Eon(ipa(kTs))为IGBT在kTs时刻的开通损耗，Eoff(ipa(kTs))为IGBT在kTs时刻的关断损耗，Erec(ipa(kTs))为二极管在kTs时刻的反向恢复损耗；l(k)为上桥臂在第k个控制周期时应导通的子模块个数，需满足下式：进一步地，所述换流阀的总损耗为：对换流阀的总损耗求导，即令求解出Udc的值，此时的Udc值即为优化设计后的电压等级。进一步地，a1，b1，c1是IGBT开通损耗的拟合系数，通过对数据手册中“结温125℃下典型集电极电流—开通损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a1是拟合方法中的二次项系数，b1是拟合方法中的一次项系数，c1是拟合方法中的常数项系数；a2，b2，c2是IGBT关断损耗的拟合系数，通过对数据手册中“结温125℃下典型集电极电流—关断损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a2是拟合方法中的二次项系数，b2是拟合方法中的一次项系数，c2是拟合方法中的常数项系数；a3，b3，c3是二极管反向恢复损耗的拟合系数，通过对数据手册中“结温125℃下典型通态电流—反向恢复损耗”曲线采用二次曲线拟合的方式获得，a3是拟合方法中的二次项系数，b3是拟合方法中的一次项系数，c3是拟合方法中的常数项系数。进一步地，a1取值为6.558×10-4，b1取值为3.659，c1取值为684.4，a2取值为6.071×10-5，b2取值为4.025，c2取值为378.2，a3取值为7.984×10-4，b3取值为3.103，c3取值为644.2。进一步地，T取值为0.02s，Ts取值为0.5ms，取值为0，m取值为0.95，S取值为1000MW，ω取值为100πrad/s，IGBT管的型号为Infineon-FZ1200R45HL，USM取值为3000V，UCE取值为3000V，UCE_ref取值为2800V，UCE0取值为1.342V，rCE取值为0.00126Ω，UF0取值为1.079V，rf取值为0.001109Ω。本专利技术公开了一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法，首先将决定MMC换流阀通态损耗和开关损耗的桥臂电流转化为只含电压等级变量Udc的表达式；其次根据桥臂电流得出通态损耗的瞬时表达式，再结合桥臂电流的投切动作顺序，对通态损耗的瞬时表达式进行分段积分，得出通态损耗计算公式；然后将所有模块的开关损耗在一个工频周期内进行求和，得出开关损耗表达式；最后对总损耗求导，得出损耗最低时的输电电压，该电压即为优化设计后的电压等级。本专利技术确定了损耗最低时的电压等级，可以减少系统损耗，为电网电压等级的确定提供参考标准。有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法，所述的柔性直流输电系统采用MMC换流阀，MMC换流阀采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块和一个电感L串联而成，上、下桥臂的连接点引出相线；三条相线接入公共电网；其特征在于，柔性直流输电系统电压等级优化方法为：首先，将决定MMC换流阀通态损耗和开关损耗的桥臂电流转化为只含电压等级变量U

【技术特征摘要】
1.一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法，所述的柔性直流输电系统采用MMC换流阀，MMC换流阀采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块和一个电感L串联而成，上、下桥臂的连接点引出相线；三条相线接入公共电网；其特征在于，柔性直流输电系统电压等级优化方法为：首先，将决定MMC换流阀通态损耗和开关损耗的桥臂电流转化为只含电压等级变量Udc的表达式；其次，根据桥臂电流得出通态损耗的瞬时表达式，再结合桥臂电流的投切动作顺序，对通态损耗的瞬时表达式进行分段积分，得出通态损耗；然后，将所有模块的开关损耗在一个工频周期内进行求和，得出开关损耗；最后，由通态损耗和开关损耗计算换流阀的总损耗，对总损耗求导，得出损耗最低时的输电电压，该电压即为优化设计后的电压等级。2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电压等级优化设计方法，所述通态损耗计算公式为：上式中，N＝round(Udc/USM)，Udc为直流输电电压，USM为SM子模块的额定电压；T为工频周期，n为a相上桥臂在t时刻需要导通的SM子模块的个数，ipa(t)为t时刻a相上桥臂的电流，x0，x1和x2为ipa(t)过零点的时刻，PT_con(ipa(t))为IGBT通态损耗，PD_con(ipa(t))为二极管通态损耗；各参数计算方法如下：上式中，m为调制比，为柔性直流输电系统输电功率的功率因素角，ω为电网电压基波角频率，S为柔性直流输电系统输电功率额定值，UF0为二极管门槛电阻，rf为二极管通态电阻；UCE0为IGBT的擎柱电压，rCE为IGBT通态电阻。3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统电压等级优化设计方法，所述开关损耗包括(1)必要开关损耗Psw1和(2)附加开关损耗Paddloss；(1)必要开关损耗Psw1的计算公式为：其中，Eoff(ipa(tx))为IGBT在tx时刻的关断损耗，Erec(ipa(tx))为二极管在tx时刻的反向恢复损耗，Eon(ipa(tx))为IGBT在tx时刻的开通损耗；Eoff(ipa(t'x))为IGBT在t'x时刻的关断损耗，Erec(ipa(t'x))为二极管在t'x时刻的反向恢复损耗，Eon(ipa(t'x))为IGBT在t'x时刻的开通损耗；各参数计算方法如下：上式中，UCE为IGBT和二极管导通或者关断时所承受的实际电压，USM为SM子模块电...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣飞，王亚洲，饶宏，黄守道，周保荣，付雪婷，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43