低载波比MMC-UPFC的减频效应抑制方法与系统与流程

本发明属于变换器控制，涉及一种低载波比mmc-upfc的减频效应抑制方法与系统。

背景技术：

1、基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter，mmc)的统一潮流控制器(unified power flow controller, upfc)，即mmc-upfc具有良好的设备扩展能力等优点，成为超高压输电领域的研究热点。目前，mmc-upfc的实际应用多采用易于实现的最近电平逼近调制策略(nlm)。但是nlm容易受到电容电压平衡策略影响，造成开关损耗过大。

2、而载波移相调制策略(cps-pwm)具有开关频率恒定、子模块开关损耗一致性较高、优良的谐波特性等优点。目前，在大功率应用场景中，cps-pwm的载波比多设为大于10，然而，已有研究证明低载波比(不大于5)的cps-pwm可以明显降低开关损耗和冷却需求，进一步提高mmc系统的谐波特性，对mmc-upfc的系统优化具有实际意义，但是低载波比对mmc-upfc的电容电压危害缺少明确的判断标准。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种低载波比mmc-upfc的减频效应抑制方法与系统，对低载波比mmc-upfc的电容电压进行聚类、分类、预测、关联分析，挖掘电容电压波动形成标签，并根据标签改进电容电压均衡策略以更好地促进mmc-upfc稳定运行，提高mmc-upfc的运行效率，使稳定在低载波比下运行。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明的第一方面提供了一种低载波比mmc-upfc的减频效应抑制方法，所述方法包括：

4、s1：将低载波比的cps-pwm引入到mmc-upfc中，分析减频效应、低载波比以及电容电压之间的关系，定义电容电压不平衡度，并确定减频效应影响下mmc-upfc电容电压危害受到明显抑制的最优载波比取值区间；

5、s2：根据所述最优载波比取值区间改变载波比设定值，采集mmc-upfc的电容电压数据，并计算电容电压不平衡度，以不平衡度变化趋势确定最优载波比，对最优载波比运行下不同时刻的电容电压不平衡度进行聚类，根据聚类结果确定mmc-upfc运行过程中的电容电压不均衡度标签；

6、s3：根据所述聚类结果和电容电压不均衡度标签，确定电容电压的波动区间，并对不同的波动区间设置不同的电容电压倍数和电容电压均衡策略启用系数，进而计算相应的电容电压直接注入偏置量，直接注入到电容电压调制波中，抑制减频效应。

7、优选地，s1具体包括：

8、s1.1：考虑cps-pwm造成的非线性动态开关过程，使用二重傅里叶积分得出新的mmc非线性开关函数 s j( t)：

9、，

10、式中，为基波角频率；t表示时刻；

11、是第 j个子模块的移相角，等于2π( j-1)/ n， n代表子模块数量；

12、 fr是载波移相调制策略的载波比；

13、载波谐波和边带谐波为新添加的非线性谐波；

14、 h(i,k)是与基波谐波次数 i和载波谐波次数 k相关的谐波幅值系数；

15、s1.2：考虑mmc-upfc中mmc换流器的运行情况和电路拓扑，构建桥臂电流表达式，并将非线性开关函数 s j( t)和桥臂电流表达式代入电容电压求解公式中获得mmc-upfc子模块电容电压，只保留电容电压的谐波δ uc _j中与 fr有关的非线性电容电压谐波δ uc _j(i,k)：

16、，

17、其中，c为电容电压；

18、 idc为mmc-upfc直流侧电流；

19、 is和分别为交流侧电流 i s的幅值与相位；

20、 iz2和分别为环流 iz二次谐波的幅值与相位；

21、s1.3：简化δ uc _j(i,k)的表达式，包括：

22、(1) 将 fr构造为小数表达形式：

23、，

24、式中，int( fr)为 fr的整数部分；

25、为fr的小数部分dec( fr)，取值范围设定为[0,1)；

26、(2)设定 fr的取值范围为2到5；

27、(3)设定 k的取值范围为为-5到5， i的取值范围为1到4；

28、(4)简化各 i， k取值下的谐波含量：

29、绘制不同 i、 k下谐波幅值系数 h( i, k)的数值对应表，筛选出幅值系数 h( i, k)大于基波幅值的10%及以上的谐波含量；

30、根据 i、k、fr设定值绘制电容电压谐波频率数值表，通过改变直观地查找频率可以降低到基波频率以下的电容电压谐波；

31、s1.4：基于简化后的δ uc _j(i,k)的表达式进行减频效应的定量分析，并根据定量分析结果定义电容电压不平衡度；

32、s1.5：基于δ uc_ j( i, k)|0< ω< ω0的表达式，确定最优载波比的取值区间。

33、优选地，s1.4中，基于简化后的δ uc _j(i,k)表达式进行减频效应的定量分析，并根据定量分析结果定义电容电压不平衡度，具体包括：

34、当 δ=0、0.5时，δ uc _j(i,k)的表达式简化为δ uc _j(i,k) | w=0的表达式， w是谐波角频率；

35、当 δ=(0,0.5)u(0.5,1)时，δ uc _j(i,k)的表达式简化为δ uc_ j( i, k)|0< ω< ω0的表达式；

36、根据上述两个简化的表达式，确定δ uc _j(i,k) | w=0和δ uc_ j( i, k)|0< ω< ω0对电容电压造成电容电压的低频波动、子模块电容不稳定的充放电状态以及子模块间电容电压的不均衡这三种减频效应危害，并定量分析这三种减频效应危害与设值之间的关系，定义电容电压不均衡度 ε。

37、优选地，δ uc _j(i,k) | w=0的表达式为：

38、，

39、优选地，δ uc_ j( i, k)|0< ω< ω0的表达式为：

40、，

41、优选地，电容电压不均衡度为：

42、，

43、式中， udc为mmc-upfc直流侧电压；

44、 n为子模块数量；

45、为第 j个子模块的电容电压；

46、 uc_avg是子模块电容电压的平均值。

47、优选地，s1.5中，基于δ uc_ j( i, k)|0< ω< ω0的表达式，确定最优载波比的取值区间，具体包括：

48、省略δ uc_ j( i, k)|0< ω< ω0的相角与频率，仅保留δ uc_ j( i, k)|0< ω< ω0的幅值，获得电容电压幅值系数 hc _j( δ) 表达式，绘制幅值系数 hc _j( δ)与 δ的关系图，选取电容电压谐波幅值最小的 δ最优取值区间，对应的 fr取值区间为最优载波比取值区间。

49、优选地，电容电压幅值系数 hc _j( δ) 表达式为：

50、，

51、优选地，s2中，选择电容电压不平衡度数值最小且趋向于0时的载波比作为最优载波比。

52、优选地，s2中，电容电压不平衡度的聚类过程为：

53、(1)采集载波比 fr设定为最优载波比时的不同时刻的电容电压不均衡度数据样本集 p( ɛ1, ɛ2, ɛ3… ɛ t)， ɛt代表第t个数据样本， ɛ t使用二维向量( ɛt1, ɛt2)表示，其中 ɛt1, ɛt2分别表示电容电压不均衡度及相应的采样时间；

54、(2) 基于数据样本集 p( ɛ1, ɛ2, ɛ3… ɛ t)选择 k个初始聚类中心：

55、从 p( ɛ1, ɛ2, ɛ3… ɛ t)中任意选取两个数据样本点 ɛu=( ɛu1, ɛu2)和 ɛq=( ɛv1, ɛv2)，u、v∈(1,t)，以此计算以 ɛu为基准数据样本点的 p中数据样本点的数据密度 ρ；

56、选择最大数据密度对应的基准数据样本点作为第一个初始聚类中心，再计算其余数据样本点与第一个初始聚类中心的距离，选择与第一个初始聚类中心距离最远的数据样本点作为第二个初始聚类中心，以此类推选取 k个初始聚类中心；

57、(3)基于 k个初始聚类中心进行修正聚类中心，得出聚类结果：

58、计算 p( ɛ1, ɛ2, ɛ3… ɛ t)中所有数据样本点距 k个聚类中心的距离，将不同数据样本划分到最近的聚类中心对应簇中，得到 k个簇；

59、重新计算 k个簇的样本中心点，作为下一次聚类过程中簇所在的新中心点：

60、判断重新计算得到的新中心点与计算前对应的聚类中心是否一致，若一致，则输出聚类结果，若不一致，则更新计算所得的新中心点为聚类中心，重复进行簇的划分、新中心点的计算与判断，直到各个簇的聚类中心不再变化，输出聚类结果；

61、(4)评价聚类结果，聚类结果最优时，根据聚类结果确定mmc-upfc运行过程中的电容电压不均衡度标签。

62、优选地，s2中，根据聚类结果，将mmc-upfc运行过程中电容电压不平衡标签分别记为四个：电容电压不平衡程度正常、略大、较大、过大。

63、优选地，s3中，根据所述聚类结果和电容电压不均衡度标签，确定每一个标签对应的电容电压的波动区间，并对不同的波动区间设置不同的电容电压倍数α和电容电压均衡策略启用系数 β，具体如下：

64、根据每一个标签对应的电容电压不均衡度 ε聚类取值区间，计算得到相应的电容电压的标准差的范围；

65、其中计算公式为：

66、，

67、式中 udc为直流侧电压；

68、根据三西格玛准则，基于距离电容电压平均值不同标准差的区间确定子模块电容电压的分布范围，并通过标准差确定每一个标签对应的电容电压波动取值区间；

69、针对每一个标签对应的电容电压波动取值区间，分别设定α和 β的取值，具体的：

70、针对电容电压不平衡程度略大、较大、过大标签对应的电容电压波动取值区间，α的取值设定为相应 ε聚类取值区间对应的标准差乘以一个偏差系数除以电容电压直流分量，偏差系数通过各个子模块电容电压数值与电容电压平均值之差除以标准差获得；

71、针对电容电压不平衡程度略大、较大标签对应的电容电压波动取值区间， β的取值设定为相应 ε聚类取值区间的最小标准差除以电容电压直流分量；

72、针对电容电压不平衡程度过大标签对应的电容电压波动取值区间， β的取值设定为相应 ε聚类取值区间的标准差除以电容电压直流分量；

73、针对电容电压不平衡程度正常标签对应的电容电压波动取值区间，α和 β的取值设定为等于保护系数α1。

74、优选地，s3中，将电容电压直接注入偏置量直接注入到电容电压调制波中，通过产生电容电压波动抵消量来稳定电容电压，抑制减频效应；

75、其中，的计算公式：

76、，

77、式中，c是电容电压；

78、α代表电容电压的倍数；

79、 β是电容电压均衡策略的启用系数；

80、 idc是mmc-upfc直流侧电流；

81、 udc为直流侧电压；

82、 n代表子模块数量；

83、 a为时间系数；

84、为时间间隔；

85、 uc_avg是子模块电容电压的平均值；

86、 uc_ j为子模块电容电压。

87、优选地，电容电压波动抵消量为：

88、，

89、式中，t表示时刻；

90、  ip为上桥臂电流；

91、为基波角频率；

92、是第 j个子模块的移相角；

93、 idc为mmc-upfc直流侧电流；

94、 h(i,0 )是与基波谐波次数 i和载波谐波次数0相关的谐波幅值系数；

95、、分别为中基波成分、频率大于基波频率的部分。

96、本发明的第二方面提供了一种低载波比mmc-upfc的减频效应抑制系统，包括：

97、定量分析模块，用于将低载波比的cps-pwm引入到mmc-upfc中，分析减频效应、低载波比以及电容电压之间的关系，定义电容电压不平衡度，并确定减频效应影响下mmc-upfc电容电压危害受到明显抑制的最优载波比取值区间；

98、聚类模块，用于根据所述最优载波比取值区间改变载波比设定值，采集mmc-upfc的电容电压数据，并计算电容电压不平衡度，以不平衡度变化趋势确定最优载波比，对最优载波比运行下不同时刻的电容电压不平衡度进行聚类，根据聚类结果确定mmc-upfc运行过程中的电容电压不均衡度标签；

99、抑制模块，用于根据所述聚类结果和电容电压不均衡度标签，确定电容电压的波动区间，并对不同的波动区间设置不同的电容电压倍数和电容电压均衡策略启用系数，进而计算相应的电容电压直接注入偏置量，直接注入到电容电压调制波中，抑制减频效应。

100、一种终端，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述方法的步骤。

101、计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

102、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

103、本发明将低载波比的cps-pwm引入到mmc-upfc中，降低了mmc-upfc的开关损耗，提高了mmc-upfc的效率，通过引入非线性电容电压谐波概念、降低mmc-upfc的载波比，挖掘低载波比、减频效应与mmc-upfc电容电压三者之间的关系，并构建mmc-upfc的电容电压不平衡度标签量化分析运行情况，确定使mmc-upfc稳定运行的最优载波比，可避免低载波比给mmc-upfc电容电压造成危害，减小减频效应危害获得稳定的电容电压波形，保证低载波比mmc-upfc的稳定运行。

104、针对最优载波比运行下不同时刻的电容电压不平衡度进行聚类时聚类中心和 k值的选择，设置电容电压不平衡度的标签，并基于聚类结果采用采用直接偏置分量注入修正调制波改进电容电压均衡策略，进一步降低了减频效应的干扰，更加直观地描述了低载波比下mmc-upfc的重要运行特性，完成对低载波比下mmc-upfc稳定控管，实现低载波比下的mmc-upfc高效运行。