本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种混合型换流器中功率模块的设计方法。
背景技术：
特高压、远距离、大容量输电是柔性直流输电的重要发展方向，能满足大型能源基地电力外送的需求，将特高压、远距离、大容量的柔性直流输电应用于逆变站，可以提升多直流馈入受端电网的安全、稳定水平。
在特高压、远距离、大容量输电场景下，柔性直流输电需要采用直流架空线作为输电媒介，虽然直流架空线的成本低，但是故障率高，为了提高柔性直流输电系统的可靠性，避免直流线路故障时柔性直流输电系统停运，柔性直流输电系统的换流器必须要具备直流故障自清除能力和快速重启动能力。
现有技术提供的一种混合型换流器的拓扑采用了级联多电平结构，换流器的每个桥臂中的功率模块由半桥功率模块和全桥功率模块混合串联组成，在满足直流故障自清除和快速重启动的同时，可以有效控制换流器的成本和损耗，具有较大的应用潜力，而根据不同的应用需求，混合型换流器中半桥功率模块和全桥功率模块的数量是不同的，因此，根据不同的应用需求确定混合型换流器中半桥功率模块和全桥功率模块的数量具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种混合型换流器中功率模块的设计方法，能够根据不同的应用需求确定混合型换流器中半桥功率模块和全桥功率模块的数量。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种混合型换流器中功率模块的设计方法，所述混合型换流器包括NH个半桥功率模块和NF个全桥功率模块，包括：
当所述混合型换流器需要满足输出电压约束条件时，根据额定功率下所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第一NH初始值和第一NF初始值；
当所述混合型换流器需要满足直流降压运行约束条件时，根据直流降压运行的幅度、直流降压运行时所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第二NH初始值和第二NF初始值；
当所述混合型换流器需要满足直流线路故障自清除约束条件时，根据直流线路故障清除过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第三NH初始值和第三NF初始值；
当所述混合型换流器需要满足阀组在线投退约束条件时，根据阀组投退过程中所述混合型换流器的功率因数角、阀组投退过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第四NH初始值和第四NF初始值；
根据第一NH初始值、第二NH初始值、第三NH初始值和第四NH初始值中的至少一个获得NH的最终值，并根据第一NF初始值、第二NF初始值、第三NF初始值和第四NF初始值中的至少一个获得NF的最终值。
进一步地，所述当所述混合型换流器需要满足输出电压约束条件时，根据额定功率下所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第一NH初始值和第一NF初始值，具体为：
当所述混合型换流器需要满足预设的有功功率和无功功率输出范围时，根据以下公式计算获得第一NH初始值和第一NF初始值：
或
其中，UAC为额定功率下所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值，UDC为所述混合型换流器的额定直流电压，USM为功率模块的额定运行电压。
进一步地，额定功率下所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值UAC根据以下公式计算获得：
其中，U为交流母线相电压的幅值，k为变压器的变比，P、Q分别为额定功率下柔性直流换流站注入交流系统的有功功率和无功功率，R0为变压器、桥臂电抗器和换流阀的总等效损耗电阻，ω0为工频角频率，LT为变压器折算到换流阀侧的短路阻抗值，L为桥臂电抗器的电感值。
进一步地，所述当所述混合型换流器需要满足直流降压运行约束条件时，根据直流降压运行的幅度、直流降压运行时所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第二NH初始值和第二NF初始值，具体为：
当所述混合型换流器需要满足直流降压运行约束条件时，根据以下公式计算获得第二NH初始值和第二NF初始值：
或
其中，α为直流降压运行的幅度，一般为70％～80％，UAC为直流降压运行时所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值，UDC为所述混合型换流器的额定直流电压，USM为功率模块的额定运行电压。
进一步地，直流降压运行时所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值UAC根据以下公式计算获得：
其中，U为交流母线相电压的幅值，k为变压器的变比，P、Q分别为直流降压运行时柔性直流换流站注入交流系统的有功功率和无功功率，R0为变压器、桥臂电抗器和换流阀的总等效损耗电阻，ω0为工频角频率，LT为变压器折算到换流阀侧的短路阻抗值，L为桥臂电抗器的电感值。
进一步地，所述当所述混合型换流器需要满足直流线路故障自清除约束条件时，根据直流线路故障清除过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第三NH初始值和第三NF初始值，具体包括：
当所述混合型换流器需要满足直流线路故障自清除约束条件时，若通过闭锁换流器的方式清除直流线路故障，则根据以下公式计算获得第三NH初始值和第三NF初始值：
或
若通过产生反向电压的方式清除直流线路故障，则根据以下公式计算获得第三NH初始值和第三NF初始值：
或
其中，U为交流母线相电压的幅值，UAC为直流线路故障清除过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值，UDC为所述混合型换流器的额定直流电压，USM为功率模块的额定运行电压，β为所述混合型换流器产生反向电压的幅度。
进一步地，直流线路故障清除过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值UAC根据以下公式计算获得：
其中，k为变压器的变比，Q为直流线路故障清除过程中柔性直流换流站注入交流系统的无功功率，R0为变压器、桥臂电抗器和换流阀的总等效损耗电阻，ω0为工频角频率，LT为变压器折算到换流阀侧的短路阻抗值，L为桥臂电抗器的电感值。
进一步地，所述当所述混合型换流器需要满足阀组在线投退约束条件时，根据阀组投退过程中所述混合型换流器的功率因数角、阀组投退过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第四NH初始值和第四NF初始值，具体为：
当所述混合型换流器需要满足阀组在线投退约束条件时，根据以下公式计算获得第四NH初始值和第四NF初始值：
或
其中，为阀组投退过程中所述混合型换流器的功率因数角，UAC为阀组投退过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值，UDC为所述混合型换流器的额定直流电压，USM为功率模块的额定运行电压。
进一步地，阀组投退过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值UAC根据以下公式计算获得：
其中，U为交流母线相电压的幅值，k为变压器的变比，IDC为所述混合型换流器的额定直流电流，R0为变压器、桥臂电抗器和换流阀的总等效损耗电阻，Q为阀组投退过程中柔性直流换流站注入交流系统的无功功率，ω0为工频角频率，LT为变压器折算到换流阀侧的短路阻抗值，L为桥臂电抗器的电感值。
进一步地，所述根据第一NH初始值、第二NH初始值、第三NH初始值和第四NH初始值中的至少一个获得NH的最终值，并根据第一NF初始值、第二NF初始值、第三NF初始值和第四NF初始值中的至少一个获得NF的最终值，具体包括：
选取第一NH初始值、第二NH初始值、第三NH初始值和第四NH初始值中的至少一个作为NH的目标初始值，并选取第一NF初始值、第二NF初始值、第三NF初始值和第四NF初始值中的至少一个作为NF的目标初始值；
根据NH的目标初始值中的最小值确定NH的最终值，并根据NF的目标初始值中的最大值确定NF的最终值。
与现有技术相比，本发明实施例提供了一种混合型换流器中功率模块的设计方法，混合型换流器中包括NH个半桥功率模块和NF个全桥功率模块，当需要满足输出电压约束条件时，对应获得第一NH初始值和第一NF初始值；当需要满足直流降压运行约束条件时，对应获得第二NH初始值和第二NF初始值；当需要满足直流线路故障自清除约束条件时，对应获得第三NH初始值和第三NF初始值；当需要满足阀组在线投退约束条件时，对应获得第四NH初始值和第四NF初始值；根据获得的NH的初始值中的至少一个获得NH的最终值，并根据获得的NF的初始值中的至少一个获得NF的最终值，能够根据不同的应用需求确定混合型换流器中半桥功率模块和全桥功率模块的数量。
附图说明
图1是本发明提供的一种混合型换流器中功率模块的设计方法的一个优选实施例的流程图；
图2是本发明提供的一种混合型换流器的拓扑结构的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，是本发明提供的一种混合型换流器中功率模块的设计方法的一个优选实施例的流程图，所述混合型换流器包括NH个半桥功率模块和NF个全桥功率模块，包括步骤S11至步骤S15：
步骤S11、当所述混合型换流器需要满足输出电压约束条件时，根据额定功率下所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第一NH初始值和第一NF初始值；
步骤S12、当所述混合型换流器需要满足直流降压运行约束条件时，根据直流降压运行的幅度、直流降压运行时所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第二NH初始值和第二NF初始值；
步骤S13、当所述混合型换流器需要满足直流线路故障自清除约束条件时，根据直流线路故障清除过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第三NH初始值和第三NF初始值；
步骤S14、当所述混合型换流器需要满足阀组在线投退约束条件时，根据阀组投退过程中所述混合型换流器的功率因数角、阀组投退过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第四NH初始值和第四NF初始值；
步骤S15、根据第一NH初始值、第二NH初始值、第三NH初始值和第四NH初始值中的至少一个获得NH的最终值，并根据第一NF初始值、第二NF初始值、第三NF初始值和第四NF初始值中的至少一个获得NF的最终值。
结合图2所示，是本发明提供的一种混合型换流器的拓扑结构的电路示意图，混合型换流器包括6个桥臂，每个桥臂的拓扑结构相同，均由一个换流阀和一个桥臂电抗器串联组成，每个换流阀由一定比例的半桥功率模块和全桥功率模块级联而成，混合型换流器中共包括NH个相同的半桥功率模块和NF个相同的全桥功率模块。
为了满足混合型换流器的交流输出电压的要求，可以根据额定功率下混合型换流器输出的交流相电压的幅值、混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得半桥功率模块的数量的第一NH初始值和全桥功率模块的数量的第一NF初始值。
为了满足混合型换流器直流降压运行的要求，可以根据直流降压运行的幅度、直流降压运行时混合型换流器输出的交流相电压的幅值、混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得半桥功率模块的数量的第二NH初始值和全桥功率模块的数量的第二NF初始值。
为了满足混合型换流器直流线路故障自清除的要求，可以根据直流线路故障清除过程中混合型换流器输出的交流相电压的幅值、混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得半桥功率模块的数量的第三NH初始值和全桥功率模块的数量的第三NF初始值。
为了满足混合型换流器阀组在线投退的要求，可以根据阀组投退过程中混合型换流器的功率因数角、阀组投退过程中混合型换流器输出的交流相电压的幅值、混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得半桥功率模块的数量的第四NH初始值和全桥功率模块的数量的第四NF初始值。
根据半桥功率模块的数量的第一NH初始值、第二NH初始值、第三NH初始值和第四NH初始值中的至少一个确定半桥功率模块的数量NH的最终值，根据全桥功率模块的数量的第一NF初始值、第二NF初始值、第三NF初始值和第四NF初始值中的至少一个确定全桥功率模块的数量NF的最终值。
例如，如果混合型换流器需要同时满足交流输出电压的要求和直流线路故障自清除的要求，则根据对应获得的半桥功率模块的数量的第一NH初始值和第三NH初始值确定半桥功率模块的数量NH的最终值，根据对应获得的全桥功率模块的数量的第一NF初始值和第三NF初始值确定全桥功率模块的数量NF的最终值。
本发明实施例所提供的一种混合型换流器中功率模块的设计方法，当需要满足输出电压约束条件时，对应获得第一NH初始值和第一NF初始值；当需要满足直流降压运行约束条件时，对应获得第二NH初始值和第二NF初始值；当需要满足直流线路故障自清除约束条件时，对应获得第三NH初始值和第三NF初始值；当需要满足阀组在线投退约束条件时，对应获得第四NH初始值和第四NF初始值；根据获得的NH的初始值中的至少一个获得NH的最终值，并根据获得的NF的初始值中的至少一个获得NF的最终值，能够根据不同的应用需求确定混合型换流器中半桥功率模块和全桥功率模块的数量。
在另一个优选实施例中，所述当所述混合型换流器需要满足输出电压约束条件时，根据额定功率下所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第一NH初始值和第一NF初始值，具体为：
当所述混合型换流器需要满足预设的有功功率和无功功率输出范围时，根据以下公式计算获得第一NH初始值和第一NF初始值：
或
其中，UAC为额定功率下所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值，UDC为所述混合型换流器的额定直流电压，USM为功率模块的额定运行电压。
需要说明的是，本发明所有实施例中的半桥功率模块和全桥功率模块的额定运行电压相同，均为USM。
在又一个优选实施例中，额定功率下所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值UAC根据以下公式计算获得：
其中，U为交流母线相电压的幅值，k为变压器的变比，P、Q分别为额定功率下柔性直流换流站注入交流系统的有功功率和无功功率，R0为变压器、桥臂电抗器和换流阀的总等效损耗电阻，ω0为工频角频率，LT为变压器折算到换流阀侧的短路阻抗值，L为桥臂电抗器的电感值。
在又一个优选实施例中，所述当所述混合型换流器需要满足直流降压运行约束条件时，根据直流降压运行的幅度、直流降压运行时所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第二NH初始值和第二NF初始值，具体为：
当所述混合型换流器需要满足直流降压运行约束条件时，根据以下公式计算获得第二NH初始值和第二NF初始值：
或
其中，α为直流降压运行的幅度，一般为70％～80％，UAC为直流降压运行时所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值，UDC为所述混合型换流器的额定直流电压，USM为功率模块的额定运行电压。
在又一个优选实施例中，直流降压运行时所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值UAC根据以下公式计算获得：
其中，U为交流母线相电压的幅值，k为变压器的变比，P、Q分别为直流降压运行时柔性直流换流站注入交流系统的有功功率和无功功率，R0为变压器、桥臂电抗器和换流阀的总等效损耗电阻，ω0为工频角频率，LT为变压器折算到换流阀侧的短路阻抗值，L为桥臂电抗器的电感值。
在又一个优选实施例中，所述当所述混合型换流器需要满足直流线路故障自清除约束条件时，根据直流线路故障清除过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第三NH初始值和第三NF初始值，具体包括：
当所述混合型换流器需要满足直流线路故障自清除约束条件时，若通过闭锁换流器的方式清除直流线路故障，则根据以下公式计算获得第三NH初始值和第三NF初始值：
或
若通过产生反向电压的方式清除直流线路故障，则根据以下公式计算获得第三NH初始值和第三NF初始值：
或
其中，U为交流母线相电压的幅值，UAC为直流线路故障清除过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值，UDC为所述混合型换流器的额定直流电压，USM为功率模块的额定运行电压，β为所述混合型换流器产生反向电压的幅度。
需要说明的是，闭锁换流器和产生反向电压是清除直流线路故障的两种方式，在闭锁换流器的方式下，混合型换流器中的开关器件都是关断的；在产生反向电压的方式下，混合型换流器中的开关器件按照控制指令进行相应的开通和关断行为，输出相应的电压。
在又一个优选实施例中，直流线路故障清除过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值UAC根据以下公式计算获得：
其中，k为变压器的变比，Q为直流线路故障清除过程中柔性直流换流站注入交流系统的无功功率，R0为变压器、桥臂电抗器和换流阀的总等效损耗电阻，ω0为工频角频率，LT为变压器折算到换流阀侧的短路阻抗值，L为桥臂电抗器的电感值。
在又一个优选实施例中，所述当所述混合型换流器需要满足阀组在线投退约束条件时，根据阀组投退过程中所述混合型换流器的功率因数角、阀组投退过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值、所述混合型换流器的额定直流电压和功率模块的额定运行电压获得第四NH初始值和第四NF初始值，具体为：
当所述混合型换流器需要满足阀组在线投退约束条件时，根据以下公式计算获得第四NH初始值和第四NF初始值：
或
其中，为阀组投退过程中所述混合型换流器的功率因数角，UAC为阀组投退过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值，UDC为所述混合型换流器的额定直流电压，USM为功率模块的额定运行电压。
在又一个优选实施例中，阀组投退过程中所述混合型换流器输出的交流相电压的幅值UAC根据以下公式计算获得：
其中，U为交流母线相电压的幅值，k为变压器的变比，IDC为所述混合型换流器的额定直流电流，R0为变压器、桥臂电抗器和换流阀的总等效损耗电阻，Q为阀组投退过程中柔性直流换流站注入交流系统的无功功率，ω0为工频角频率，LT为变压器折算到换流阀侧的短路阻抗值，L为桥臂电抗器的电感值。
在又一个优选实施例中，所述根据第一NH初始值、第二NH初始值、第三NH初始值和第四NH初始值中的至少一个获得NH的最终值，并根据第一NF初始值、第二NF初始值、第三NF初始值和第四NF初始值中的至少一个获得NF的最终值，具体包括：
选取第一NH初始值、第二NH初始值、第三NH初始值和第四NH初始值中的至少一个作为NH的目标初始值，并选取第一NF初始值、第二NF初始值、第三NF初始值和第四NF初始值中的至少一个作为NF的目标初始值；
根据NH的目标初始值中的最小值确定NH的最终值，并根据NF的目标初始值中的最大值确定NF的最终值。
例如，如果混合型换流器仅需要满足直流降压运行的要求，则选择对应获得的半桥功率模块的数量的第二NH初始值作为NH的目标初始值，由于NH的目标初始值只有一个，因此将第二NH初始值作为半桥功率模块的数量NH的最终值；选择对应获得的全桥功率模块的数量的第二NF初始值作为NF的目标初始值，同理，由于NF的目标初始值只有一个，因此将第二NF初始值作为全桥功率模块的数量NF的最终值。
如果混合型换流器需要同时满足交流输出电压、直流降压运行、直流线路故障自清除和阀组在线投退的要求，则对应获得的半桥功率模块的数量的第一NH初始值、第二NH初始值、第三NH初始值和第四NH初始值均为NH的目标初始值，将NH的目标初始值中的最小值作为半桥功率模块的数量NH的最终值；同理，根据不同的应用需求对应获得的全桥功率模块的数量的第一NF初始值、第二NF初始值、第三NF初始值和第四NF初始值均为NF的目标初始值，将NF的目标初始值中的最大值作为全桥功率模块的数量NF的最终值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。