一种基于多目标优化的mmc冗余子模块配置方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法，属于多电平电力电子变换器的控制【技术领域】。主要包括以下步骤：(1)确定MMC系统的可靠性RM；(2)确定MMC系统冗余子模块有效利用率EM；(3)确定冗余子模块数量转换函数CM；(4)建立并求解多目标优化函数TM。该方法主要是从MMC系统可靠性RM、冗余子模块有效利用率EM和冗余子模块数量转换函数CM这三个目标出发，建立了多目标优化函数TM，求解最优冗余子模块数量。在保证系统可靠性的前提下，节约成本，有利于系统的经济运行。
【专利说明】—种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子【技术领域】，特别涉及一种基于多目标优化的MMC冗余子模块
配置方法。
【背景技术】
[0002]目前，模块化多电平MMC变换器已经在高压直流输电系统(HVDC)得到了较好的应用。
[0003]模块化多电平MMC相对传统多电平技术有着很多优点。传统二极管钳位型多电平技术，随着电平数的增加，钳位二极管增加，直流侧电容电压的均衡控制较难，算法复杂，二极管钳位型三电平一般使用较多，但很难使用在更高的电平领域。H桥级联型多电平技术，采用模块化控制，使得控制变得相对简单，但是应用于高压直流输电系统(HVDC)时，网侧电压须经过多重移相变压器，通过二极管整流后，给各个功率模块提高直流电压，这样使得整个装置的成本和体积变大，不利于高压直流输电系统(HVDC)的发展。然而模块化多电平MMC技术，同样采用模块化控制，高度模块化，拓展容易，冗余设计简单，无需使用多重化移相变压器，大大减小了装置体积和重量，减少了成本和损耗。因此，模块化多电平技术在高压直流输电系统(HVDC)领域越来越受到人们的关注，将来将会成为高压直流输电系统(HVDC)的主要拓扑结构。
[0004]高压直流输电系统(HVDC)正常、稳定的工作在输配电领域是非常重要的。但是模块化多电平功率模块较多，随着功率模块的长期使用，必然会出现损坏的现象，这就会影响模块化多电平变换器的正常工作，影响正常的输配电，对电网造成一定损失。在此背景下，通过冗余子模块的配置和使用，来提高系统的可靠性就变得十分重要了。冗余子模块配置越多，系统可靠性越高，但是成本较高，冗余子模块利用率较差，不经济；冗余子模块配置越少，成本较低，但是系统的可靠性得不到保障。因此，合理有效的配置冗余子模块数量就变得十分重要了。但是，目前并没有冗余子模块的配置方法。
[0005]针对冗余子模块的配置方法，当前在高压直流输电系统中，主要是根据保守原则，结合工程经验和实际情况来选择冗余子模块数量。目前，有相关文献对冗余子模块的配置做出了分析，但是未能给出具体的配置方法；不过也有文献对冗余子模块的配置做了深入研究，只是给出了冗余子模块配置的大概范围，未能更加深入的研究。基于以上的分析，本发明提出了一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法，主要从系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量这三个目标出发，建立了多目标优化函数，求解最优冗余子模块数量。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法。该方法主要是从系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量这三个目标出发，建立了多目标优化函数，求解最优冗余子模块数量。[0007]本发明提供一种基于多目标优化的MMC冗余子模块配置方法，其特征在于，主要包括以下步骤:
[0008]步骤(1):根据工程实际，结合正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R,确定MMC系统的可靠性Rm ；
[0009]步骤⑵:借助建立MMC系统的可靠性Rm的思想，建立冗余子模块数量η与冗余子模块有效利用率Em的函数关系；
[0010]步骤(3):为了便于多目标优化问题的统一求解，将冗余子模块数量η进行变换，转换到 [O, I]； [0011]步骤(4):MMC冗余子模块配置目标:系统可靠性尽可能的高，冗余子模块有效利用率尽可能的高，冗余子模块数量尽可能的少。基于上述三个目标，建立了系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数TM，求解最优冗余子模块数η。
[0012]步骤⑴:确定MMC系统的可靠性Rm
[0013]首先，确定单个模块SM的可靠性R，对于单个SM只考虑IGBT，二极管和电容器，则可以得到单个SM的可靠性R:
[0014]R = RilRiRi
[0015](I)
[0016]其中，R1为单个IGBT的可靠性，R2为单个二极管的可靠性，R3为单个电容器的可靠性。
[0017]然后，根据正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，可以得到A相上桥臂的可靠性Rai:
[0018]
【权利要求】
1.一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于，主要包括以下步骤: 步骤(1):根据工程实际，结合正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，确定MMC系统的可靠性Rm ； 步骤(2):借助建立MMC系统的可靠性Rm的思想，建立冗余子模块数量η与冗余子模块有效利用率Em的函数关系； 步骤(3):为了便于多目标优化问题的统一求解，将冗余子模块数量η进行变换，转换到[O, I]区间； 步骤(4):MMC冗余子模块配置目标:系统可靠性尽可能的高，冗余子模块有效利用率尽可能的高，冗余子模块数量尽可能的少，基于上述三个目标，建立了系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数TM，求解最优冗余子模块数η。
2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于所述步骤(1)具体包括:首先，确定单个模块SM的可靠性R，对于单个SM只考虑绝缘栅双极晶体管IGBT、二极管和电容器，则可以得到单个SM的可靠性R: R=K^RiR,(I) 其中，R1为单个IGBT的可靠性，R2为单个二极管的可靠性，R3为单个电容器的可靠性。 然后，根据正常工作时的模块数量N和单个模块SM的可靠性R，可以得到A相上桥臂的可靠性Rai:
3.根据权利要求2所述的一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于所述步骤(2)具体包括:首先，借助建立A相上桥臂可靠性Rai的思想，得到A相上桥臂冗余子模块有效数量:
4.根据权利要求3所述的一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于所述步骤(3)具体包括:首先，冗余子模块数量η的目标:在满足高可靠性的前提下，冗余子模块数量η越小越好，即: Cm (n) = min(n)(7)然后，为了便于多目标优化问题的统一求解，将其转换到[O，1]，转化公式为:
5.根据权利要求4所述的一种基于多目标优化的模块化多电平变换器MMC冗余子模块配置方法，其特征在于所述步骤(4)具体包括:首先，基于步骤(1)、(2)和(3)，建立系统可靠性、冗余子模块有效利用率和冗余子模块数量的多目标优化函数:
【文档编号】H02M7/5387GK103701347SQ201410004749
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】王宝安, 谭风雷, 商姣 申请人:东南大学