[发明专利]一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法

说明书

本发明公开了一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，包括：确定MMC中子模块的故障率参数，计算备用冗余子模块的故障率参数；确定MMC每个桥臂中处于额定工作状态的子模块数量，以及备用冗余子模块数量；利用马尔可夫链模型表征MMC单个桥臂所有的工作运行状态，并计算状态与状态之间的转移概率；建立单个桥臂全部运行状态的微分方程组；求解微分方程组获得桥臂各运行状态概率函数，并计算单桥臂的冗余子模块有效数量以及MMC整体的冗余子模块有效数量并据此计算MMC整体的备用冗余子模块有效利用率。本发明建立的模型，更加符合实际工程中MMC的冗余子模块配置以及运行投入方式，为冗余子模块的优化配置提供了有效的计算参考标准。

技术领域

本发明涉及一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，属于电力系统输配电的技术领域。

背景技术

随着电力电子化器件以及控制技术的发展，绝缘栅双极晶体管(insulated gatebipolar transistor,IGBT)的应用电压以及相应容量等级在不断地提升中，基于IGBT的电压源型换流器(voltage source converter,VSC)在直流输配电领域得到了实际的工程应用。特别是在高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)工程领域，相比传统电流源型换流器，采用VSC技术相加适用于可再生新能源发电并网、分布式发电等场合应用。以两电平VSC技术作为基础，模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)技术被相关研究人员提出。相比两电平VSC，MMC有更高品质的电压输出，更低的器件开关频率，在控制技术以及设备损耗方面有更优良的表现。同时，MMC具备高度模块化特性，易于拓展，减小了装备体积的同时也可以进一步降低构造成本。

世界上第一个基于MMC的输电工程Trans Bay Cable于2010年在美国正式投运。目前中国也在大力发展基于MMC的直流输配电技术。2011年上海南汇风电场MMC柔性直流输电示范工程投入运行，这是中国首条完全自主知识产权的MMC柔性直流输电工程。2013年广东南澳三端柔性直流输电工程正式投入运行，是世界首个多端柔性直流输电工程。到2014年，浙江舟山五端柔性直流输电工程投入运行。在已建成的MMC直流工程中，每一个MMC的桥臂内都有数量众多的子模块在参与设备整体运行并承担相应的电压电流应力。在实际工程环境下，运行子模块随时可能面临故障的情况，因此需要为设备配置一定数量的冗余子模块来替换故障的模块，防止MMC设备整体停运。

冗余子模块能有效延长设备整体无故障运行时间，更多冗余子模块的投入能有效提升系统可靠性，但同时也会增长设备配置的成本投入，因此MMC的冗余子模块配置是一个复杂的决策问题。当前存在相关研究文献针对不同类型结构的MMC考虑不同冗余子模块数量下的MMC可靠性或是将冗余子模块利用率作为优化目标进行冗余数量配置。然而在上述计算优化过程中，主要采用的是MMC子模块主动冗余运行方式，即设备配置的冗余模块和初始子模块运行状态一致，在MMC设备正常状态下两种类型的子模块交替导通。对于工作状态一致的初始子模块以及冗余配置子模块可以采用k/n(G)模型进行系统工作状态的建模，并计算相应的可靠性以及冗余模块利用率。而对于采用冷备用冗余运行方式的MMC，备用冗余子模块与运行子模块的运行状态不同，两者的故障率不一致，不能直接采用k/n(G)模型表征系统运行状态，因此无法进行下一步的设备运行状态建模以及冗余子模块利用率计算，进而无法为实际MMC工程配置提供建设性的参考。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，在MMC采用冷备用冗余子模块的运行方式下，建立了系统运行状态计算模型，所提计算方法更加符合MMC实际工程中冗余子模块配置方式，并为MMC工程配置提供子模块利用率计算方案。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种考虑备用冗余的MMC冗余子模块有效利用率计算方法，包括以下步骤：