基于NLM的MMC损耗优化计算方法技术

本发明专利技术针对基于最近电平逼近调制(NLM)的模块化多电平换流器(MMC)的通态损耗和开关损耗，提出了基于NLM的MMC损耗优化计算方法，并嵌入优化方法以改进换流器的运行方式达到节能降损的目的。通态损耗是通过计算每个开关时刻的子模块投切数目来计算的。对于开关损耗，根据模块化多电平换流器的基本工作原理进行MATLAB编程计算。最后通过仿真系统验证了计算方法的有效性和精确度。本发明专利技术可计算任何工况下MMC的损耗，计算方便且精确；此外本发明专利技术可针对不同运行工况计算出合适的运行参数，使换流器损耗最小。

【技术实现步骤摘要】
基于NLM的MMC损耗优化计算方法
本专利技术涉及基于NLM的MMC损耗优化计算方法，属于柔性直流输电
技术背景柔性直流输电由于具有传统直流输电无法逾越的优点，比如可以独立控制有功功率和无功功率，不存在换相失败的问题，谐波含量较低且容易构造多端直流系统，故受到了工业界和学术界的关注，成为研究热点。但是，柔性直流输电也存在损耗较高，成本较高等缺点。其中，模块化多电平换流器(MMC)的单站损耗的单站损耗一般在1.5％。目前主要有两种方法用于模块化多电平换流器(MMC)损耗的估算研究，一种是通过时域仿真软件计算功率损耗，另一种则是使用解析经验数学表达式的方法。前者需要建立MMC-HVDC系统的模型，可以精确的计算各个独立元件的损耗，但是该方法由于大量不同的操作工况导致计算复杂，耗时长，对于实际应用来说是不可取的。后者的计算方法相对来说，计算效率高但是精度也相对较低。解析数学表达式计算基本上可分为三种思路，一是利用等效电流、平均电流的参数，二是形成子模块投切的开关函数，三是开关损耗的附加损耗开关频率的估算。目前对于MMC损耗的研究主要集中在调制方式为PWM，且极少考虑到由电容电压排序引起的附加损耗。但是NLM相比于PWM更适用于电平数较多的场合，且附加损耗在损耗中是不可忽略的。
技术实现思路
针对现有MMC损耗计算方法存在的不足之处，本专利技术提出基于NLM的MMC损耗计算方法及损耗优化计算方法，可计算任何工况下MMC的损耗，计算方便且精确，在工程中具有很强的参考意义。基于NLM的MMC损耗优化计算方法，其特征在于，基于NLM的调制方式，包括通态损耗分析步骤：通过获取每个开关时刻的子模块投切数目以及桥臂电流方向，判断通态损耗的组成，计算通态损耗值；开关损耗分析步骤：根据模块化多电平换流器的基本工作原理基于MATLAB进行分析，具体是通过厂家给定的数据图表进行开关器件IGBT和二极管的开关损耗曲线拟合，判断上桥臂电流的方向进而对电容电压排序得到具体应该投入的子模块的编号，然后根据与前一开关时刻子模块状态的变化得到当前时刻对应的开关损耗组成，利用MATLAB计算开关损耗值；最后更新子模块电容电压值用于后一开关时刻电容电压的排序，重复上面步骤直至一周期内的最后一个开关时刻，累计总开关损耗；MMC的总损耗分析步骤：定义输送的功率不变，直流侧电压等级保持不变，损耗与电压调制度k、电流调制度m和开关频率fs有关；而限制条件kmcosφ＝2，即电压调制度和电流调制度只有一个是独立的变量；MMC的总损耗就是电压调制度和开关频率的函数；Ploss＝f(k,fs)其中，k为电压调制度，k＝ej/(Udc/2),ej为第j相内部电动势，Udc为直流电压，fs为开关频率。在上述的基于NLM的MMC损耗优化计算方法，通态损耗的分析步骤具体包括：步骤2.1、计算MMC桥臂电流，在正常工作时，MMC处于三相对称运行状态，直流电流在三相桥臂中均匀分配，交流电流在每相上下桥臂中均匀分配，则A相电流表示为：式中，Idc为直流电流，Idc＝P/Udc；Iam为输出交流相电流峰值P，Q分别为交流侧有功功率和无功功率，Us为交流侧电压有效值；φ为A相电流滞后A相电压的角度；B、C相电流表示为：步骤2.2、根据厂家器件的相关图表，采用一次函数进行曲线拟合，具体方法是：v(t)表示工作电流i(t)为时器件的导通压降，用一次函数对器件曲线进行拟合，如下式所示；v(t)＝v0+r·i(t)式中，v0、r分别为正向导通电阻和擎住电压，与结温有关；根据NLM原理，计算当前时刻投入的子模块数目；式中，为一个标准的正弦波，k为电压调制度，N为子模块数目，Uc为子模块电容电压，round(x)为取整函数；步骤2.3、根据NLM原理，计算当前时刻投入的子模块数目，基于以下公式式中，为一个标准的正弦波，k为电压调制度，N为子模块数目，Uc为子模块电容电压，round(x)为取整函数；步骤2.4、根据桥臂电流方向，判断通态损耗的组成，计算通态损耗值；若电流值为正，即电流的方向与假定正方向相同，此时产生的通态损耗包括n个D1的通态损耗和N-n个T2的通态损耗；反之若电流值为负，即电流的方向与假定正方向相反，此时产生的通态损耗包括n个T1的通态损耗和N-n个D2的通态损耗；最后对各个时段通态损耗进行累加，具体基于以下公式：式中，fs为工作频率；T为一个工频周期；其中，EconD1为二极管D1产生的通态损耗，nh(t)为当前时刻投入子模块的数目，ih(t)为相电流，vD1h(t)为二极管D1的通态压降；EconT1为IGBT1产生的通态损耗，vT1h(t)为IGBT1的通态压降；EconT2为IGBT2产生的通态损耗，N为子模块总个数，vT2h(t)为IGBT2的通态压降；EconD2为二极管D2产生的通态损耗，vD2h(t)为二极管D2的通态压降；Pcon为单位时间内MMC的通态损耗。在上述的基于NLM的MMC损耗优化计算方法，开关损耗分析步骤步骤具体包括：步骤3.1、根据厂家给定的数据图表，进行开关器件IGBT和二极管的开关损耗曲线拟合；步骤3.2、对电容电压进行初始化；各个子模块电容电压初始化：UC＝UC0+rand(-ε,ε)UC0存入矩阵UC中；步骤3.3、根据开关频率得到在一个周期内的开关时刻t1，t2，...ts；步骤3.4、计算A相上桥臂在当前开关时刻应该投入的子模块的数目和桥臂电流，判断电流的方向；步骤3.5、进行电容电压排序，得到具体应该投入的子模块的编号；采用MATLAB中原有的排序函数sort函数，若电流大于0，则投入电压低的子模块；反之则投入电压高的子模块；将选择投入的子模块编号的工作状态变量改为1，切除的子模块的工作状态变量为0；该时刻的各个子模块的工作状态将储存在状态矩阵ST2；步骤3.6、从状态矩阵ST1中读取各个子模块在前一个开关时刻的工作状态，通过对比两个矩阵各个子模块相对应的状态参数，可以得到flag(k)的取值，k为子模块编号，k＝1,2，...N；矩阵ST1中各元素的初始值为0；其中，flag表示子模块状态改变情况，flag＝1表示子模块从切除状态到投入状态，flag＝-1表示子模块从投入状态到切除状态，flag＝0表示子模块的工作状态没有发生变化；步骤3.7、根据flag(k)的取值，结合本时刻电流的方向，计算各个子模块在本时刻的开关损耗；当电流为正向时，若flag＝1则产生T2关断损耗，D1开通损耗(可以忽略)，记该种状态的子模块个数为sum1；若flag＝-1则产生D1反向恢复损耗和T2开通损耗，记该种状态的子模块个数为sum2；若flag＝0则没有产生开关损耗；当电流与假定正方向相反时，若flag＝1则产生D2反向恢复损耗和T1开通损耗，记该种状态的子模块个数为sum3；若flag＝-1则产生T1关断损耗，D2开通损耗，记该种状态的子模块个数为sum4；flag＝0则没有产生开关损耗；MMC在第k次开关时刻产生的开关损耗可以表示为：Eswk＝sum1·(ET2off)+sum2·(ET2on+ED1rec)+sum3·(ET1on+ED2rec)+sum4·(ET1off)步骤3.8、将当前时刻的子模块工作状态存入状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于NLM的MMC损耗优化计算方法，其特征在于，基于NLM的调制方式，包括通态损耗分析步骤：通过获取每个开关时刻的子模块投切数目以及桥臂电流方向，判断通态损耗的组成，计算通态损耗值；开关损耗分析步骤：根据模块化多电平换流器的基本工作原理基于MATLAB进行分析，具体是通过厂家给定的数据图表进行开关器件IGBT和二极管的开关损耗曲线拟合，判断上桥臂电流的方向进而对电容电压排序得到具体应该投入的子模块的编号，然后根据与前一开关时刻子模块状态的变化得到当前时刻对应的开关损耗组成，利用MATLAB计算开关损耗值；最后更新子模块电容电压值用于后一开关时刻电容电压的排序，重复上面步骤直至一周期内的最后一个开关时刻，累计总开关损耗；MMC的总损耗分析步骤：定义输送的功率不变，直流侧电压等级保持不变，损耗与电压调制度k、电流调制度m和开关频率fs有关；而限制条件

【技术特征摘要】
1.基于NLM的MMC损耗优化计算方法，其特征在于，基于NLM的调制方式，包括通态损耗分析步骤：通过获取每个开关时刻的子模块投切数目以及桥臂电流方向，判断通态损耗的组成，计算通态损耗值；开关损耗分析步骤：根据模块化多电平换流器的基本工作原理基于MATLAB进行分析，具体是通过厂家给定的数据图表进行开关器件IGBT和二极管的开关损耗曲线拟合，判断上桥臂电流的方向进而对电容电压排序得到具体应该投入的子模块的编号，然后根据与前一开关时刻子模块状态的变化得到当前时刻对应的开关损耗组成，利用MATLAB计算开关损耗值；最后更新子模块电容电压值用于后一开关时刻电容电压的排序，重复上面步骤直至一周期内的最后一个开关时刻，累计总开关损耗；MMC的总损耗分析步骤：定义输送的功率不变，直流侧电压等级保持不变，损耗与电压调制度k、电流调制度m和开关频率fs有关；而限制条件即电压调制度和电流调制度只有一个是独立的变量；MMC的总损耗就是电压调制度和开关频率的函数；Ploss＝f(k,fs)其中，k为电压调制度，k＝ej/(Udc/2),ej为第j相内部电动势，Udc为直流电压，fs为开关频率。2.根据权利要求1中所述的基于NLM的MMC损耗优化计算方法，其特征在于，通态损耗的分析步骤具体包括：步骤2.1、计算MMC桥臂电流，在正常工作时，MMC处于三相对称运行状态，直流电流在三相桥臂中均匀分配，交流电流在每相上下桥臂中均匀分配，则A相电流表示为：式中，Idc为直流电流，Idc＝P/Udc；Iam为输出交流相电流峰值P，Q分别为交流侧有功功率和无功功率，Us为交流侧电压有效值；为A相电流滞后A相电压的角度；B、C相电流表示为：步骤2.2、根据厂家器件的相关图表，采用一次函数进行曲线拟合，具体方法是：v(t)表示工作电流i(t)为时器件的导通压降，用一次函数对器件曲线进行拟合，如下式所示；v(t)＝v0+r·i(t)式中，v0、r分别为正向导通电阻和擎住电压，与结温有关；根据NLM原理，计算当前时刻投入的子模块数目；式中，为一个标准的正弦波，k为电压调制度，N为子模块数目，Uc为子模块电容电压，round(x)为取整函数；步骤2.3、根据NLM原理，计算当前时刻投入的子模块数目，基于以下公式式中，为一个标准的正弦波，k为电压调制度，N为子模块数目，Uc为子模块电容电压，round(x)为取整函数；步骤2.4、根据桥臂电流方向，判断通态损耗的组成，计算通态损耗值；若电流值为正，即电流的方向与假定正方向相同，此时产生的通态损耗包括n个D1的通态损耗和N-n个T2的通态损耗；反之若电流值为负，即电流的方向与假定正方向相反，此时产生的通态损耗包括n个T1的通态损耗和N-n个D2的通态损耗；最后对各个时段通态损耗进行累加，具体基于以下公式：式中，fs为工作频率；T为一个工频周期；其中，EconD1为二极管D1产生的通态损耗，nh(t)为当前时刻投入子模块的数目，ih(t)为相电流，vD1h(t)为二极管D1的通态压降；EconT1为IGBT1产生的通态损耗，vT1h(t)为IGBT1的通态压降；EconT2为IGBT2产生的通态损耗，N为子模块总个数，vT2h(t)为IGBT2的通态压降；EconD2为二极管D2产生的通态损耗，vD2h(t)为二极管D2的通态压降；Pcon为单位时间内MMC的通态损耗。3.权利要求1中所述的基于NLM的MMC损耗优化计算方法，其特征在于，开关损耗分析步骤步骤具体包括：步骤3.1、根据厂家给定的数据图表，进行开关器件IGBT和二极管的开关损耗曲线拟合；步骤3.2、对电容电压进行初始化；各个子模块电容电压初始化：UC＝UC0+rand(-ε,ε)UC0存入矩阵UC中；步骤3.3、根据开关频率得到在一个周期内的开关时刻t1，t2，...ts；步骤3.4、计算A相上桥臂在当前开关时刻应该投入的子模块的数目和桥臂电流，判断电流的方向；步骤3.5、进行电容电压排序，得到具体应该投入的子模块的编号；采用MATLAB中原有的排序函数sort函数，若电流大于0，则投入电压低的子模块；反之则投入电压高的子模块；将选择投入的子模块编号的工作状态变量改为1，切除的子模块的工作状态变量为0；该时刻的各个子模块的工作状态将储存在状态矩阵ST2；步骤3.6、从状态矩阵ST1中读取各个子模块在前一个开关时刻的工作状态，通过对比两个矩阵各个子模块相对应的状态参数，可以得到flag(k)的取值，k为子模块编号，k＝1,2，...N；矩阵ST1中各...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇汇，彭辉，杨瑶佳，胡瑛俊，章江铭，姚力，韩霄汉，沈建良，
申请(专利权)人：武汉大学，国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，国网浙江省电力公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42