一種基於平均值模型的MMC閥組損耗確定方法及系統
2024-04-14 22:35:05
一種基於平均值模型的mmc閥組損耗確定方法及系統
技術領域
1.本發明涉及電力系統柔性直流輸電技術領域，特別是涉及一種基於平均值模型的mmc閥組損耗確定方法及系統。
背景技術：
2.本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。
3.隨著電力電子器件製造技術的不斷革新，基於mmc的柔性直流輸電技術在大規模可再生能源的送出和消納以及提升電網安全穩定性等方面具有無可匹敵的優勢。柔性直流輸電有著優異的技術性能，但系統運行中會因器件的非理想特性而產生能量耗散，相對較高的損耗率是其大規模應用的主要障礙之一，特別是在高壓大容量的場合。器件的功率損耗還會造成結溫升高，而器件本身的物理性能對溫度十分敏感，過高的溫度會造成器件失效率增大，進而導致系統的可靠性下降。開展柔性直流輸電mmc閥組損耗特性研究可為散熱系統的設計、器件的選型、系統的可靠性、經濟性評估提供依據，對於柔性直流輸電技術的長久發展和工程應用有重要的價值。
4.mmc閥組損耗的計算方法大體可以分為兩類。第1類為基於電磁暫態仿真數據的計算方法。通過運行仿真模型獲得計算損耗所需要的數據，對數據進行二次處理得到損耗值。這類方法的優點在於可以獲得子模塊的動態數據，進而實現高精度的損耗計算。但，模型中包含了大量的開關器件和電容，想要計算某一工況下的損耗，需要大量時間來獲取數據，時間成本很高，不利於獲取不同工況下的損耗。
5.第2類為基於解析表達式的計算方法。這類方法的優點在於時間成本低，而且可以看出影響損耗大小的具體因素。但是在實際情況中，由於mmc閥組橋臂子模塊電容電壓存在離散性，所以需要電容電壓平衡策略控制的參與使得各個子模塊電容電壓不平衡度儘可能的小，這就導致子模塊具體的動態過程十分複雜，很難以解析的方式表達，所以第2類方法在計算開關損耗時往往採取過於理想化的方式，這導致了計算結果不精確或者方法適用性差。
6.李探等人在2019年於《電網技術》上發表了《構建虛擬橋臂數學模型的mmc閥損耗快速計算方法研究》，該方法構建了mmc虛擬橋臂數學模型，以此為基礎計算閥組損耗。但是沒有考慮橋臂電壓、電流高次諧波的影響，同時所建立的虛擬橋臂數學模型不能計及控制器的作用，與實際情況有較大的區別。
7.羅永捷等人在2020年於《中國電機工程學報》上發表了《高壓大容量mmc換流閥損耗精確計算》，該方法綜合解析計算和仿真兩種思路，實現了mmc在最近電平逼近調製策略下mmc閥組損耗的定量分析。缺點是只適用於mmc運行在單位功率因數的情況，具有很大的局限性。
8.李程昊等人在2015年於《中國電機工程學報》上發表了《中高頻模塊化多電平換流器閥損耗的精確計算方法與分析平臺》，該方法構建一種簡化的mmc電磁暫態模型，捨去開
關器件和電容，將子模塊電容的動態過程數值化，加速電磁暫態數據的獲取過程，進而在matlab中對數據進行二次處理，計算得出mmc閥組損耗。但是需要在matlab中對數據進行二次處理，操作過程複雜。
技術實現要素：
9.為了解決上述問題，本發明提出了一種基於平均值模型的mmc閥組損耗確定方法及系統，通過開關頻率曲面和平均值模型的結合，解決mmc閥組開關損耗的計算精度、計算速度難以兼顧的問題，實現了全工況下mmc閥組損耗的快速計算。
10.為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
11.第一方面，本發明提供一種基於平均值模型的mmc閥組損耗確定方法，包括：
12.根據mmc閥組中橋臂電流流通路徑和橋臂子模塊投入數目，確定器件通態損耗；
13.基於半平均值模型全工況網格化運行後獲得開關頻率數據集，對開關頻率數據集經二維插值得到開關頻率曲面，根據開關頻率曲面得到任意工況下開關頻率近似值；
14.基於理想假設推導橋臂上器件的最大開通和關斷次數，以此利用平均值模型確定開關頻率上限和對應的開關損耗上限；
15.根據開關頻率近似值、開關頻率上限和開關損耗上限，得到器件開關損耗。
16.作為可選擇的實施方式，在mmc閥組中，六個橋臂的通態損耗相等，則每個橋臂的通態損耗為：
[0017][0018][0019]
式中：n
pa
為a相上橋臂子模塊投入數目；n為橋臂子模塊數目；i
pa
為a相上橋臂瞬時電流；t1和t2為兩個不同時刻；p
t_cond
為igbt的瞬時通態損耗功率；p
d_cond
為二極體的瞬時通態損耗功率。
[0020]
作為可選擇的實施方式，開關頻率上限為：
[0021][0022]
其中，n為橋臂子模塊數目；t1和t2為兩個不同時刻；n
(1-0)
為由投入到切除的最大子模塊數目；n
(0-1)
為由切除到投入的最大子模塊數目。
[0023]
作為可選擇的實施方式，投入到切除的最大子模塊數目和由切除到投入的最大子模塊數目為：若n(t)小於n-n(t-δt)，n
(0-1)
＝n(t)；n
(1-0)
＝n(t-δt)；否則，n
(0-1)
＝n-n(t-δt)；n
(1-0)
＝n-n(t)；其中，n(t)、n(t-δt)為t時刻、t-δt時刻投入的子模塊數目，n-n(t-δt)、n-n(t)為t時刻、t-δt時刻切除的子模塊數目。
[0024]
作為可選擇的實施方式，根據子模塊每次動作時的n
(1-0)
和n
(0-1)
，並結合損耗組合類型計算出此刻的開關損耗，在一段時間內求均值再乘以六後，得到開關損耗上限。
[0025]
作為可選擇的實施方式，根據開關頻率曲面得到的開關頻率近似值用於替代實際開關頻率去計算器件開關損耗。
[0026]
作為可選擇的實施方式，器件開關損耗為：
[0027][0028]
式中：p
sw
為器件開關損耗；p
sw_max
為開關損耗上限；f
max
為開關頻率上限；f
real
為實際開關頻率，由開關頻率近似值代替。
[0029]
第二方面，本發明提供一種基於平均值模型的mmc閥組損耗確定系統，包括：
[0030]
通態損耗確定模塊，被配置為根據mmc閥組中橋臂電流流通路徑和橋臂子模塊投入數目，確定器件通態損耗；
[0031]
開關頻率近似模塊，被配置為基於半平均值模型全工況網格化運行後獲得開關頻率數據集，對開關頻率數據集經二維插值得到開關頻率曲面，根據開關頻率曲面得到任意工況下開關頻率近似值；
[0032]
上限確定模塊，被配置為基於理想假設推導橋臂上器件的最大開通和關斷次數，以此利用平均值模型確定開關頻率上限和對應的開關損耗上限；
[0033]
開關損耗確定模塊，被配置為根據開關頻率近似值、開關頻率上限和開關損耗上限，得到器件開關損耗。
[0034]
第三方面，本發明提供一種電子設備，包括存儲器和處理器以及存儲在存儲器上並在處理器上運行的計算機指令，所述計算機指令被處理器運行時，完成第一方面所述的方法。
[0035]
第四方面，本發明提供一種計算機可讀存儲介質，用於存儲計算機指令，所述計算機指令被處理器執行時，完成第一方面所述的方法。
[0036]
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
[0037]
本發明提出一種基於平均值模型的mmc閥組損耗確定方法及系統，首先推導mmc閥組橋臂器件的最大開通和關斷次數，以此為基礎，利用平均值模型計算開關頻率上限和開關損耗上限，並進一步結合開關頻率曲面實現mmc閥組開關損耗的快速計算。實現了全工況下mmc閥組損耗的快速計算，通過開關頻率曲面和平均值模型的結合，解決mmc閥組開關損耗的計算精度、計算速度難以兼顧的問題，損耗計算結果可為mmc閥組散熱系統的設計、器件選型、系統可靠性與經濟性評估提供依據。
[0038]
在計算精確度方面，本發明由於採用了開關頻率曲面和平均值模型相結合的計算方式，因此在損耗計算過程中計及了電壓平衡策略的影響，保證了mmc閥組損耗的計算精度。
[0039]
在計算速度方面，平均值模型由於不含由開關器件和電容，仿真運行速度大幅度提升，因此損耗計算速度也隨之提升。
[0040]
在適用性方面，當電容電壓平衡策略改變時，重新利用半平均值模型獲取開關頻率數據集，再進行二維插值就能得到對應電容電壓平衡策略下的開關頻率曲面。方法不受具體電容電壓平衡策略的影響，適用性強。
[0041]
本發明附加方面的優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
[0042]
構成本發明的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。
[0043]
圖1為本發明實施例1提供的半平均值模型結構；
[0044]
圖2為本發明實施例1提供的開關頻率曲面生成過程圖；
[0045]
圖3為本發明實施例1提供的最大開關次數計算流程圖；
[0046]
圖4為本發明實施例1提供的基於平均值模型的mmc閥組損耗確定方法過程圖。
具體實施方式
[0047]
下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
[0048]
應該指出，以下詳細說明都是示例性的，旨在對本發明提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
[0049]
需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本發明的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。
[0050]
在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
[0051]
實施例1
[0052]
為解決現有mmc閥組損耗計算精確度、計算速度難以兼顧的問題，本實施例提供一種基於平均值模型的mmc閥組損耗確定方法，包括：
[0053]
(1)基於曲線擬合理論獲取器件損耗參數，得到器件通態損耗表達式；
[0054]
(2)在平均值模型中，基於子模塊的電流流通路徑和橋臂子模塊投入數目，採用器件通態損耗表達式，確定mmc閥組中器件通態損耗；
[0055]
(3)在確定的系統參數和電容電壓平衡策略下，基於半平均值模型全工況網格化運行後獲得的開關頻率數據集，經二維插值後生成開關頻率曲面，以此得到任意工況下器件開關頻率近似值；
[0056]
(4)基於理想假設推導mmc閥組橋臂上器件的最大開通和關斷次數，以此利用平均值模型計算開關頻率上限，並結合器件開關損耗表達式計算mmc閥組中器件的開關損耗上限；
[0057]
(5)綜合利用開關頻率近似值、開關頻率上限和開關損耗上限，得到任意工況下mmc閥組中器件的開關損耗。
[0058]
在本實施例中，mmc閥組損耗主要分為主電路損耗和底層控制損耗；主電路損耗中由於器件的非理想特性而產生的igbt通態損耗、開關損耗和二極體通態損耗、反向恢復損耗是mmc閥組損耗的主要部分。
[0059]
在本實施例中，igbt、二極體等器件的通態損耗由通態壓降和通態電流的乘積來表示：
[0060]
p
t_cond
＝u
ce
ic＝(r
t0
ic+u
ce0
)icꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0061]
p
d_cond
＝udid＝(r
d0
id+u
d0
)idꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0062]
式中：p
t_cond
為igbt的瞬時通態損耗功率；p
d_cond
為二極體的瞬時通態損耗功率；ic、id分別為流經igbt、二極體的瞬時電流；u
ce0
、u
d0
分別為igbt、二極體的通態電壓偏置；r
t0
、r
d0
分別為igbt、二極體的通態電阻，u
ce0
、u
d0
、r
t0
、r
d0
的具體數值可以基於廠商提供的器件手冊中的數據，通過曲線擬合的方式得到。
[0063]
器件開關損耗的計算方法與通態損耗類似，可以根據廠商提供的器件手冊，利用曲線擬合的方式來近似計算igbt的開通損耗(e
on
)、關斷損耗(e
off
)、二極體的反向恢復損耗(e
rec
)：
[0064][0065][0066][0067]
式中：ai、bi、ci(i＝1，2，3)表示擬合參數，可以基於器件手冊中的數據通過擬合的方式得到；i
ce
為流過igbt的瞬時電流；if為流過二極體的瞬時電流；u
ref
為參考截止電壓；uc為子模塊電容電壓的瞬時值，在平均值模型中，用橋臂等效電容電壓瞬時平均值代替uc。
[0068]
在mmc閥組中，器件的通態損耗和橋臂電流流通路徑、橋臂子模塊投入數目有關；以a相上橋臂為例，在一段時間內，a相上橋臂平均通態損耗功率為：
[0069][0070]
式中：n
pa
為a相上橋臂子模塊投入數目；n為橋臂子模塊數目；i
pa
為a相上橋臂瞬時電流；t1和t2為兩個不同時刻，t1和t2的時間間隔應足夠長，一般取1s。
[0071]
在系統正常運行的情況下，mmc閥組的6個橋臂的通態損耗相等，所以整個mmc閥組的通態損耗功率為：
[0072]
p
cond
＝6p
pa_cond
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0073]
半平均值模型結合了詳細開關模型和平均值模型的特點，一相橋臂由開關器件和電容構成，其餘兩相橋臂由受控電壓源和等效電容形成的耦合電路構成，在保留了子模塊動態特性的同時，加快了仿真運行速度，其具體結構如圖1所示。所以，本實施例採用半平均值模型代替詳細開關頻率獲取開關頻率數據集，可以降低時間成本，如圖2所示，採用半平均值模型獲取開關頻率數據集，生成開關頻率曲面，利用開關頻率曲面獲得任意工況下開關頻率近似值f
pre
。
[0074]
平均值模型是基於橋臂子模塊電容電壓時刻保持一致這一假設推導得出的，模型本身不能體現各個子模塊的動態特徵，也不能計及電容電壓平衡策略的影響，但可基於理想假設計算開關頻率上限和對應的開關損耗上限。
[0075]
假設在t-δt這一時刻，一橋臂投入的子模塊數目為n(t-δt)，則切除的子模塊數目為n-n(t-δt)；若此時橋臂電流i
arm
》0，則在t-δt時刻投入的n(t-δt)個子模塊中最低的子模塊電壓都比切除的n-n(t-δt)個子模塊中最高的子模塊電壓高，若橋臂電流i
arm
《0，則相反；其中，δt表示控制周期。
[0076]
基於上述假設，可計算每次子模塊動作時的由投入到切除的最大子模塊數目n
(1-0)
，由切除到投入的最大子模塊數目n
(0-1)
，具體計算過程如圖3所示；其中，若n(t)小於n-n(t-δt)，n
(0-1)
＝n(t)；n
(1-0)
＝n(t-δt)；否則，n
(0-1)
＝n-n(t-δt)；n
(1-0)
＝n-n(t)。
[0077]
定義開關頻率為單個igbt模塊在一段時間內的開關次數與時間的比值，結合開關頻率的定義和圖3，計算mmc閥組器件開關頻率上限：
[0078][0079]
mmc閥組中器件的開關損耗會受到橋臂電流的方向和子模塊具體投切情況的影響。子模塊在不同電流方向和投切情況下的開關損耗組合類型如表1所示(以半橋子模塊為例)；
[0080]
表1不同情況下子模塊開關損耗組合類型
[0081][0082][0083]
計算出子模塊每次動作時的n
(1-0)
和n
(0-1)
，並結合表1中的損耗組合類型計算出此時刻的開關損耗，在一段時間內求均值再乘以6，就可以計算得出mmc閥組中器件的開關損耗上限p
sw_max
。
[0084]
在系統參數、運行工況確定的前提下，mmc閥組中器件的開關頻率取決於所採用的電容電壓平衡策略和調製方式。由於電容電壓平衡策略、調製方式對橋臂電流的影響極小，所以mmc閥組中器件的開關頻率與開關損耗存在著正相關性。基於上述事實，實際開關損耗功率和開關損耗功率上限的關係可用式(9)近似表示：
[0085][0086]
式中：p
sw
表示實際開關損耗功率；p
sw_max
表示開關損耗上限；f
max
表示開關頻率上限；f
real
表示實際的開關頻率。
[0087]
由式(9)可知，在任意給定工況p
ref
、q
ref
下，利用平均值模型計算出f
max
、p
sw_max
，通過預先生成的開關頻率曲面近似獲得f
real
，就可以近似計算出p
sw
，基於損耗功率上限的mmc閥組開關損耗近似計算全過程如圖4所示。
[0088]
實施例2
[0089]
本實施例提供一種基於平均值模型的mmc閥組損耗確定系統，包括：
[0090]
通態損耗確定模塊，被配置為根據mmc閥組中橋臂電流流通路徑和橋臂子模塊投
入數目，確定器件通態損耗；
[0091]
開關頻率近似模塊，被配置為基於半平均值模型全工況網格化運行後獲得開關頻率數據集，對開關頻率數據集經二維插值得到開關頻率曲面，根據開關頻率曲面得到任意工況下開關頻率近似值；
[0092]
上限確定模塊，被配置為基於理想假設推導橋臂上器件的最大開通和關斷次數，以此利用平均值模型確定開關頻率上限和對應的開關損耗上限；
[0093]
開關損耗確定模塊，被配置為根據開關頻率近似值、開關頻率上限和開關損耗上限，得到器件開關損耗。
[0094]
此處需要說明的是，上述模塊對應於實施例1中所述的步驟，上述模塊與對應的步驟所實現的示例和應用場景相同，但不限於上述實施例1所公開的內容。需要說明的是，上述模塊作為系統的一部分可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行。
[0095]
在更多實施例中，還提供：
[0096]
一種電子設備，包括存儲器和處理器以及存儲在存儲器上並在處理器上運行的計算機指令，所述計算機指令被處理器運行時，完成實施例1中所述的方法。為了簡潔，在此不再贅述。
[0097]
應理解，本實施例中，處理器可以是中央處理單元cpu，處理器還可以是其他通用處理器、數位訊號處理器dsp、專用集成電路asic，現成可編程門陣列fpga或者其他可編程邏輯器件、分立門或者電晶體邏輯器件、分立硬體組件等。通用處理器可以是微處理器或者該處理器也可以是任何常規的處理器等。
[0098]
存儲器可以包括只讀存儲器和隨機存取存儲器，並向處理器提供指令和數據、存儲器的一部分還可以包括非易失性隨機存儲器。例如，存儲器還可以存儲設備類型的信息。
[0099]
一種計算機可讀存儲介質，用於存儲計算機指令，所述計算機指令被處理器執行時，完成實施例1中所述的方法。
[0100]
實施例1中的方法可以直接體現為硬體處理器執行完成，或者用處理器中的硬體及軟體模塊組合執行完成。軟體模塊可以位於隨機存儲器、快閃記憶體、只讀存儲器、可編程只讀存儲器或者電可擦寫可編程存儲器、寄存器等本領域成熟的存儲介質中。該存儲介質位於存儲器，處理器讀取存儲器中的信息，結合其硬體完成上述方法的步驟。為避免重複，這裡不再詳細描述。
[0101]
本領域普通技術人員可以意識到，結合本實施例描述的各示例的單元即算法步驟，能夠以電子硬體或者計算機軟體和電子硬體的結合來實現。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本技術的範圍。
[0102]
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。