CN108390378B - 一种mmc-upfc可靠性建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MMC‑UPFC可靠性建模方法,是从MMC‑UPFC的结构特点出发,将UPFC组件划分为五个子***,利用马尔可夫状态空间法建立各个子***的状态空间模型,并运用F&D法进行等值化简,考虑各子***逻辑关系,并利用状态枚举法建立MMC‑UPFC的可靠性模型,计算可靠性参数。本发明可用于组件复杂的电力设备的可靠性评估,对其实际工程运用具有指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备可靠性建模方法,更具体说是一种基于模块化多电平(modular multi-level converter,MMC)的统一潮流控制器(unified power flowcontroller,UPFC)的可靠性建模方法,即MMC-UPFC可靠性建模方法。
背景技术
统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)综合了数种FACTS设备的控制手段,可以有效补充旧电网缺乏的潮流控制方式,优化潮流分布,实现电压、有功和无功的动态补偿。基于模块化多电平(modular multi-level converter,MMC)的UPFC(简称MMC-UPFC),适用于高压大容量领域,对安全可靠运行的需求更高,因此UPFC可靠性是实际工程中需要考量的重要因素。
传统UPFC可靠性模型主要有两状态、三状态和四状态模型,但存在以下几点不足:一是没有考虑UPFC应用于高压大容量***的双回结构;二是只考虑了MMC内部子模块换流阀的冗余结构和换流桥并联结构,没有考虑MMC本身互为备用的情形;三是只考虑了UPFC实现各种运行状态的能力,没有全面分析导致不同工作状态的原因,影响了状态转移率计算的准确性。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的问题,提供一种针对适用于高压大容量输电领域的MMC-UPFC可靠性建模方法。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点是:所述MMC-UPFC具有双回结构,所述建模方法包含以下步骤:
步骤1、根据MMC-UPFC的双回结构特点,将所述MMC-UPFC的组件划分为五个子***,所述五个子***分别是:换流器***S1,并联侧变压器***S2,串联侧变压器***S3,直流母线及控制***S4和站外交流***S5;
步骤2、采用马尔可夫状态空间法分别对各子***进行可靠性建模,建立各子***状态空间模型;
步骤3、分别将各子***状态空间模型进行等值化简,得到各子***的等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ,所述等值化简后状态转移率a′IJ是指在等值化简后的状态I和状态J之间的转移率;
步骤4、根据各子***间的逻辑关系,并利用状态枚举法枚举出UPFC的七个运行状态;
步骤5、利用所述等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ,以及各子***间的逻辑关系,获得所述UPFC的七个运行状态的可靠性参数,依据所述可靠性参数建立MMC-UPFC可靠性模型。
本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点也在于:所述MMC-UPFC的双回结构特点是指:其三台MMC采用互为备用的形式连接在直流母线上,在所述MMC-UPFC的串联侧独立运行时,实现静止同步串联补偿器的功能,在所述MMC-UPFC的并联侧独立运行时,实现静止同步补偿器的功能。
本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点也在于:在所述步骤2中,是按如下过程建立各子***的状态空间模型:考虑各子***组件的串、并联关系和运行状态,通过排列组合建立各子***状态空间模型,状态空间模型中的每一个元素均代表一个子***的运行状态;根据各子***组件的故障率和修复率,分别得到各子***的等值化简前状态概率P和等值化简前状态转移率aij;所述等值化简前状态转移率aij是指在等值化简前的状态i和状态j之间的转移率。
本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点也在于:步骤3中的等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ按如下方式获得:
等值化简前状态概率P为向量,向量P为:P=(p1,...pi...,pn)T,pi表示等值化简前子***第i个运行状态的状态概率,1≤i≤n,n表示等值化简前子***的运行状态个数;
等值化简前状态转移率A为矩阵,矩阵A为:A=[aij],1≤j≤n;
等值化简后状态概率P′为向量,向量P′为:P′=(p1′,...pI′...,p′m)T,p1′表示等值化简后子***第I个运行状态的状态概率,1≤I≤m,m表示等值化简后子***的运行状态个数;
等值化简后状态转移率A′为矩阵,矩阵A′为:A′=[a′IJ],1≤J≤m;
由式(1)获得等值化简前状态概率P:
则:等值化简前状态转移频率fij为:fij=aijpi (2),
等值后的状态转移率a′IJ由式(3)、式(4)和式(5)联立计算获得:
f′IJ=a′IJpi′ (5)。
本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点也在于:所述UPFC的七个运行状态是指UPFC、SSSC和STATCOM的全额状态,UPFC、SSSC和STATCOM的降额状态,以及停运状态DOWN。
与现有技术相比,本发明有益效果体现在:
1、本发明在划分MMC-UPFC子***时充分考虑了其适用于高压输电领域的双回结构。
2、本发明在建立换流器子***可靠性模型时,综合考虑了MMC内部子模块换流阀的冗余结构、换流桥并联结构和MMC本身互为备用的情形。
3、本发明灵活运用了状态空间法和状态枚举法,全面准确且又高效的完成了MMC-UPFC的可靠性建模,对MMC-UPFC在高压领域的实际工程运用具有参考价值。
附图说明
图1为本发明方法中双回MMC-UPFC结构和子***划分示意图;
图2为本发明方法中各子***的逻辑关系图;
图3为本发明方法中换流器子***S1等值前的状态空间模型
图4为本发明方法中换流器子***S1等值后的状态空间模型;
具体实施方式
本实施例MMC-UPFC可靠性建模方法中MMC-UPFC具有双回结构,其建模方法包含以下步骤:
步骤1、根据MMC-UPFC的双回结构特点,将MMC-UPFC的组件划分为五个子***,五个子***分别是:三组互为备用的换流器***S1,并联侧变压器***S2,串联侧变压器***S3,直流母线及控制***S4和站外交流***S5,如图1和图2所示。
MMC-UPFC的双回结构特点是指:其三台MMC采用互为备用的形式直接通过转换开关连接在直流母线上,无需接入直流支撑电容;正常运行时,一台MMC通过并联变压器接入交流母线,两台MMC通过串联变压器分别接入双回线路;在MMC-UPFC的串联侧独立运行时,实现静止同步串联补偿器的功能(static synchronous series compensator,SSSC),在MMC-UPFC的并联侧独立运行时,实现静止同步补偿器的功能(static synchronouscompensator,STATCOM);MMC是由若干个换流阀子模块组成的,换流阀子模块通过串联接成换流桥,若将两组换流桥的交流侧并联,则MMC实现降额运行。
步骤2、采用马尔可夫状态空间法分别对各子***进行可靠性建模,建立各子***状态空间模型,具体是考虑各子***组件的串、并联关系和运行状态,通过排列组合建立各子***状态空间模型,状态空间模型中的每一个元素均代表一个子***的运行状态;根据各子***组件的故障率和修复率,分别得到各子***的等值化简前状态概率P和等值化简前状态转移率aij,等值化简前状态转移率aij是指在等值化简前的状态i和状态j之间的转移率。
步骤3、分别将各子***状态空间模型进行等值化简,归并相同的运行状态,得到各子***的等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ,等值化简后状态转移率a′IJ是指在等值化简后的状态I和状态J之间的转移率。
步骤4、根据各子***间的逻辑关系,建立如图2所示的逻辑框图,并利用状态枚举法枚举出UPFC的七个运行状态,UPFC的七个运行状态是指UPFC、SSSC和STATCOM的全额状态,UPFC、SSSC和STATCOM的降额状态,以及停运状态DOWN。
步骤5、利用等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ,以及各子***间的逻辑关系,获得UPFC的七个运行状态的可靠性参数,依据可靠性参数建立MMC-UPFC可靠性模型。
具体实施中,等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ按如下方式获得:
等值化简前状态概率P为向量,向量P为:P=(p1,...pi...,pn)T,pi表示等值化简前子***第i个运行状态的状态概率,1≤i≤n,n表示等值化简前子***的运行状态个数;
等值化简前状态转移率A为矩阵,矩阵A为:A=[aij],1≤j≤n;
等值化简后状态概率P′为向量,向量P′为:P′=(p1′,...pI′...,p′m)T,p1′表示等值化简后子***第I个运行状态的状态概率,1≤I≤m,m表示等值化简后子***的运行状态个数;
等值化简后状态转移率A′为矩阵,矩阵A′为:A′=[a′IJ];1≤J≤m;
由式(1)获得等值化简前状态概率P:
则:等值化简前状态转移频率fij为:fij=aijpi (2),
等值后的状态转移率a′IJ由式(3)、式(4)和式(5)联立计算获得:
f′IJ=a′IJpi′ (5)。
具体实施中,采用马尔可夫状态空间法建立各子***状态空间模型是按如下方式进行:
建立换流器***S1的状态空间模型如图3所示:将三组换流器编号为换流器C1、换流器C2和换流器C3,假设换流器C1先与并联侧相连;每组换流器均有全额(1)、降额(0.5)和停运(0)三种运行状态;λ、μ分别表示故障率和修复率;以“1”、“0.5”、“0.5+”、“0.25+”、“0.5-”、“0.25-”和“0”表示换流器***S1满足实现UPFC、SSSC和STATCOM三种功能的全额、降额状态以及DOWN状态的要求。对图3的状态空间模型进行等值化简后得到子***S1的等值状态空间模型,如图4所示。
并联侧变压器***S2、串联侧变压器***S3,直流母线及控制***S4内部组件虽不同,但均只有正常(1)和停运(0)两种运行状态。
站外交流***S5按影响程度不同可分为区内和区外两部分,区内部分是指UPFC接入的两母线之间区域,包括两母线,区外部分是指除区内部分以外的交流电网部分。
对于区外故障,无论是瞬时性故障还是永久故障所可能对UPFC造成的不平衡电压、过电压、欠电压和过电流的影响,在最严重的程度下都只能造成UPFC部分或全部换流器的暂时性闭锁。而在区外故障切除后,***恢复正常运行,UPFC可以在极短的时间内重新投入运行,整个过程所需的时间在秒级,对UPFC可靠性基本无影响。
对于区内故障,若为两母线永久性故障,则整个双回UPFC均停运;若为单回输电线路故障,则UPFC串联侧变为单回运行,UPFC降额以正常容量一半运行。因此站外交流***S5有三种运行状态:正常(1)、降额(0.5)和停运(0)。
MMC-UPFC功能和各子***状态组合如表1所示:
表1:UPFC七状态功能表
如表1所示:换流器***S1中降额状态0.5右侧,针对并联侧,表示并联侧换流器降额导致的UPFC降额状态,针对串联侧,表示串联侧换流器降额导致的UPFC降额状态;1/0表示正常或停运状态;1/0.5表示正常或降额状态。
表2:MMC-UPFC七状态概率表
根据各子***等值后的状态概率和各子***的状态组合关系,计算获得UPFC七个运行状态的可靠性参数,表2示出了MMC-UPFC七状态概率。
Claims (2)
1.一种MMC-UPFC可靠性建模方法,其特征是:所述MMC-UPFC具有双回结构,所述建模方法包含以下步骤:
步骤1、根据MMC-UPFC的双回结构特点,将所述MMC-UPFC的组件划分为五个子***,所述五个子***分别是:换流器***S1,并联侧变压器***S2,串联侧变压器***S3,直流母线及控制***S4和站外交流***S5;
所述MMC-UPFC的双回结构特点是指:其三台MMC采用互为备用的形式连接在直流母线上,在所述MMC-UPFC的串联侧独立运行时,实现静止同步串联补偿器的功能,在所述MMC-UPFC的并联侧独立运行时,实现静止同步补偿器的功能;
步骤2、采用马尔可夫状态空间法分别对各子***进行可靠性建模,按如下过程建立各子***的状态空间模型:考虑各子***组件的串、并联关系和运行状态,通过排列组合建立各子***状态空间模型,状态空间模型中的每一个元素均代表一个子***的运行状态;根据各子***组件的故障率和修复率,分别得到各子***的等值化简前状态概率P和等值化简前状态转移率aij;所述等值化简前状态转移率aij是指在等值化简前的状态i和状态j之间的转移率;
步骤3、分别将各子***状态空间模型进行等值化简,得到各子***的等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ,所述等值化简后状态转移率a′IJ是指在等值化简后的状态I和状态J之间的转移率;
等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ按如下方式获得:
等值化简前状态概率P为向量,向量P为:P=(p1,...pi...,pn)T,pi表示等值化简前子***第i个运行状态的状态概率,1≤i≤n,n表示等值化简前子***的运行状态个数;
等值化简前状态转移率A为矩阵,矩阵A为:A=[aij],1≤j≤n;
等值化简后状态概率P′为向量,向量P′为:P′=(p′1,...p′I...,p′m)T,pI′表示等值化简后子***第I个运行状态的状态概率,1≤I≤m,m表示等值化简后子***的运行状态个数;
等值化简后状态转移率A′为矩阵,矩阵A′为:A′=[a′IJ],1≤J≤m;
由式(1)获得等值化简前状态概率P:
则:等值化简前状态转移频率fij为:fij=aijpi (2)
等值化简后子***第I个运行状态的状态概率pI′为:
等值后的状态转移率a′IJ由式(3)、式(4)和式(5)联立计算获得:
f′IJ=a′IJpI′ (5)
步骤4、根据各子***间的逻辑关系,并利用状态枚举法枚举出UPFC的七个运行状态;
步骤5、利用所述等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′IJ,以及各子***间的逻辑关系,获得所述UPFC的七个运行状态的可靠性参数,依据所述可靠性参数建立MMC-UPFC可靠性模型。
2.根据权利要求1所述的MMC-UPFC可靠性建模方法,其特征是:所述UPFC的七个运行状态是指UPFC、SSSC和STATCOM的全额状态,UPFC、SSSC和STATCOM的降额状态,以及停运状态DOWN。
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