[发明专利]一种柔性直流输电系统电压等级优化设计方法

权利要求书

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U_dc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(U_dc/U_SM)，U_dc为直流输电电压，U_SM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，i_pa(t)为t时刻a相上桥臂的电流，x₀，x₁和x₂为i_pa(t)过零点的时刻，P_{T_con}(i_pa(t))为IGBT通态损耗，P_{D_con}(i_pa(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，U_F0为二极管门槛电阻，r_f为二极管通态电阻；U_CE0为IGBT的擎柱电压，r_CE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P_sw1和(2)附加开关损耗P_addloss；

(1)必要开关损耗P_sw1的计算公式为：

其中，E_off(i_pa(t_x))为IGBT在t_x时刻的关断损耗，E_rec(i_pa(t_x))为二极管在t_x时刻的反向恢复损耗，E_on(i_pa(t_x))为IGBT在t_x时刻的开通损耗；E_off(i_pa(t'_x))为IGBT在t'_x时刻的关断损耗，E_rec(i_pa(t'_x))为二极管在t'_x时刻的反向恢复损耗，E_on(i_pa(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，U_CE为IGBT和二极管导通或者关断时所承受的实际电压，U_SM为SM子模块电容额定电压；U_{CE_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P_addloss的计算公式为：

上式中，T_s为控制周期，k为从1到T/T_s之间的自然数，P_addloss(k)满足下式：

其中，E_on(i_pa(kT_s))为IGBT在kT_s时刻的开通损耗，E_off(i_pa(kT_s))为IGBT在kT_s时刻的关断损耗，E_rec(i_pa(kT_s))为二极管在kT_s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：