一种基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法与流程

技术特征：

1.一种基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，所述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1个电感L串联而成，上、下桥臂连接点引出相线，三条相线接入公共电网；N＝round(U_dc/U_SM)，round()表示取整函数，U_dc为MMC换流阀直流母线额定电压，U_SM为SM子模块额定电压；其特征在于，三次谐波含量优化计算方法的步骤为：首先计算出MMC换流阀的通态损耗，然后计算出MMC换流阀的开关损耗，得出MMC换流阀总损耗与三次谐波含量的关系式；其次，计算出MMC换流阀的冗余度，得出冗余度与三次谐波含量的关系式；最后以两个关系式为目标，进行多目标优化，得到最优的三次谐波含量值。

2.根据权利要求1所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述计算MMC换流阀的通态损耗的公式为：

其中：

i_pa(t)＝S/(3U_dc)+2Scos(ωt)/(3U_dc)

n_pa(t)＝(U_dc-U_dc(cos(ωt)-k cos(3ωt)))/(2U_SM)

上式中，T为电网工频周期；t表示时间；n_pa(t)为t时刻a相上桥臂需要投入的子模块个数；P_Dcond(i_pa(t))和P_Tcond(i_pa(t))分别为t时刻a相上桥臂二极管和IGBT的通态损耗，P_Dcond(-i_pa(t))和P_Tcond(-i_pa(t))分别为t时刻a相下桥臂二极管和IGBT的通态损耗，i_pa(t)为t时刻a相上桥臂的电流；U_CE0和U_f0分别为IGBT 和二极管的通态偏置电压，r_CE和r_f分别为IGBT和二极管的通态电阻；U_CE0、U_f0、r_CE和r_f的取值都能从IGBT生产厂家给出的数据手册中得到；ω为电网电压的基波角频率，k为叠加的三次谐波含量；S为MMC换流阀的额定功率。

3.根据权利要求2所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述计算MMC换流阀的开关损耗包括1)计算MMC换流阀的必要开关损耗和2)计算MMC换流阀的附加开关损耗；

1)计算MMC换流阀的必要开关损耗的公式为：

其中：

上式中，E_off(i_pa(t))为t时刻a相下桥臂IGBT的关断损耗，E_off(-i_pa(t))为t时刻a相上桥臂IGBT的关断损耗，E_on(i_pa(t))为t时刻a相上桥臂IGBT的开通损耗，E_on(-i_pa(t))为t时刻a相下桥臂IGBT的开通损耗，E_rec(i_pa(t))为t时刻a相上桥臂二极管的反向恢复损耗，E_rec(-i_pa(t))为t时刻a相下桥臂二极管的反向恢复损耗；a₁、b₁和c₁是IGBT关断损耗的拟合系数；a₂、b₂和c₂是IGBT开通损耗的拟合系数；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能从IGBT生产厂家给出的数据手册中获得；

2)计算MMC换流阀的附加开关损耗的公式为：

上式中，l表示第l个控制周期，T_S为控制周期；

当n_pa((l-1)T_S)≤N-n_pa(lT_S)时：

E_sw-f(l)＝n_pa((l-1)T_S)(E_on(i_pa(lT_S))+E_off(i_pa(lT_S))+E_rec(i_pa(lT_S)))

当n_pa((l-1)T_S)>N-n_pa(lT_S)时：

E_sw-f(l)＝(N-n_pa((l-1)T_S))(E_on(i_pa(lT_S))+E_off(i_pa(lT_S))+E_rec(i_pa(lT_S)))。

4.根据权利要求3所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述MMC换流阀的总损耗与三次谐波含量的关系式为：

F₁(k)＝6(P_cond+P_sw-b+P_sw-f)。

5.根据权利要求4所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述MMC换流阀的冗余度与三次谐波含量的关系式为：

F₂(k)＝min{1-cos(ωt)-k cos(3ωt)}

上式中，min{}函数表示取在所有时间段内的最小值。

6.根据权利要求5所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述以两个关系式为目标，进行多目标优化，得到最优的三次谐波含量值的步骤包括：

首先，构造目标函数R：

上式中，η₁、η₂是权系数，由用户根据MMC换流阀的应用场合进行取值；

然后，采用遗传算法对损耗与冗余进行多目标优化计算，即求解目标函数R中三次谐波含量k的最优解。

7.根据权利要求6所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述采用遗传算法对损耗与冗余进行多目标优化计算包括以下步骤：

(1)基因编码：每一条基因采用m₁位的二进制数进行编码，m₁≥10；然后进行下一步；

(2)初始种群的生成：随机生成m₂个k值作为初始种群，m₂≥50；然后进行下一步；

(3)个体评价及终止条件判断：计算出每个k值对应的目标函数值R；判断是否满足连续m₃次遗传前后两代的最小目标函数值R之差都小于m₄，m₃≥5，0<m₄<0.01；若满足，则计算结束，此时最后一代种群中最小目标函数值R对应的k值即为最优三次谐波含量值；否则进行下一步；

(4)选择：将计算得到R值从小到大保留m₅个；将保留的R值所对应的k值作为下一代的父辈种群；并将最大R值所对应的k值复制m₂-m₅个补充到父辈种群中；m₅<m₂；然后进行下一步；

(5)交叉：对父辈种群中的m₂个k值进行随机两两配对；将每一对k值，随机选取一个二进制位互换；然后进行下一步；

(6)变异：对交叉后的父辈种群中的m₂个k值，随机选择一个k值；在这个k值对应的二进制数中，再随机选择一个二进制位进行0、1翻转；然后转入步骤(3)。

8.根据权利要求7所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，在遗传算法中，为了使求解得到的三次谐波含量k精度达到0.001，设置变量m₁为10；为加快收敛速度，设置m₂为50；为提高收敛可靠性，设置m₃为5，m₄为0.001，m₅为40。

9.根据权利要求8所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，所述计算MMC换流阀的必要开关损耗中，a₁、b₁、c₁是IGBT关断损耗的拟合系数，通过对IGBT生产厂家给出的数据手册中“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，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，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“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。

10.根据权利要求2～9中任一项所述的基于MMC换流阀调制波的三次谐波含量值优化计算方法，其特征在于，S取值为1000MVA，U_dc取值为±300kV，U_SM取值为3000V，T取值为20ms，T_S取值为0.5ms，ω取值为100π，IGBT的型号为Infineon-FZ1200R45HL，U_CE0取值为1.343V，U_f0取值为1.079V，r_CE取值为0.00126Ω，r_f取值为0.001109Ω，η₁取值为0.7，η₂取值为0.3；a₁取值为378.2，a₂取值为684.4，a₃取值为644.2，b₁取值为4.025，b₂取值为3.659，b₃取值为3.103，c₁取值为6.071×10^-5，c₂取值为6.558×10^-4，c₃取值为7.984×10^-4。