本发明公布了一种多电平UPQC拓扑结构评估方法，属于电力系统柔性交流配电技术领域。本发明通过选定三种应用于UPQC的多电平拓扑结构类型，建立多电平UPQC拓扑结构的基于器件损耗、器件频率、调制方式和功率等级的损耗模型，基于曲线拟合和故障树分析法的故障模型，基于暂稳态特性的仿真模型，基于蒙特卡罗模拟法的冗余模型，基于功率器件数目的器件模型，分别用以构建损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系的评价指标。结合五种评价指标的相互影响关系，建立层次分析模型，应用层次分析法得到五种评价指标的权重系数，进而分析三种多电平UPQC拓扑结构的性能排序，可以实现多电平UPQC拓扑结构性能的综合准确评估。
1.一种多电平UPQC拓扑结构评估方法，其特征是所述方法包括下列步骤：
步骤1：选定三种应用于UPQC的多电平拓扑结构类型；
步骤2：建立多电平UPQC拓扑结构的基于器件损耗、器件频率、调制方式和功率等级的损耗模型，基于曲线拟合和故障树分析法的故障模型，基于暂稳态特性的仿真模型，基于蒙特卡罗模拟法的冗余模型，基于功率器件数目的器件模型，分别用以构建损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系的五种评价指标；
步骤3：结合五种评价指标的相互影响关系，建立层次分析模型，应用层次分析法得到五种评价指标的权重系数，进而分析三种多电平UPQC拓扑结构的性能排序，形成多电平UPQC拓扑结构评估方法。
2.根据权利要求1所述的多电平UPQC拓扑结构评估方法，其特征是建立多电平UPQC拓扑结构的基于器件损耗、器件频率、调制方式和功率等级的损耗模型，基于曲线拟合和故障树分析法的故障模型，基于暂稳态特性的仿真模型，基于蒙特卡罗模拟法的冗余模型，基于功率器件数目的器件模型，分别用以构建损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系的五种评价指标，具体包括：步骤201：多电平UPQC拓扑结构的损耗模型基于功率器件损耗、器件工作频率、调制方式和功率等级的综合分析，利用公式 计算多电平UPQC拓扑结构的功率损耗；其中，Pi、gi、fi、ki分别代表第i个器件的功率损耗、功率等级、工作频率、调制方式，n代表功率器件数量；应用损耗模型形成损耗与拓扑关系的评价指标；
步骤202：多电平UPQC拓扑结构的故障模型基于曲线拟合和故障树分析法，通过功率器件的安全工作区域分析器件的可靠性，结合拓扑结构拟合出拓扑系统的可靠性曲线；将多电平UPQC拓扑逐级分解，形成从串并联单元、级联单元，到模块或器件的故障树模型，分析多电平UPQC拓扑结构的故障率；应用故障模型形成拓扑可靠性的评价指标；
步骤203：多电平UPQC拓扑结构的仿真模型基于电力仿真软件分析多电平UPQC的稳态性能和暂态特性，获取UPQC拓扑结构在不同电能质量问题下的特征描述，形成暂稳态特性的评价指标；
步骤204：多电平UPQC拓扑结构的冗余模型基于蒙特卡罗模拟法，分析各变流器拓扑结构的冗余度曲线，寻求故障率和冗余器件的平衡，形成系统稳定性的评价指标；
步骤205：多电平UPQC拓扑结构的器件模型基于各拓扑结构的工作原理，推导相同条件和功能下不同多电平UPQC所需功率器件的数目，进而分析不同多电平UPQC拓扑结构的成本需求以及对损耗模型、故障模型和冗余模型的影响，形成结构与成本关系的评价指标。
3.根据权利要求1所述的多电平UPQC拓扑结构评估方法，其特征是结合得到的五种评价指标，建立层次分析模型，应用层次分析法得到五种评价指标的权重系数，进而分析三种多电平UPQC拓扑结构的性能排序，形成多电平UPQC拓扑结构评估方法，具体包括：步骤301：选定三种多电平UPQC拓扑结构为方案层，多电平UPQC拓扑结构的损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系为评估指标层，多电平UPQC拓扑结构评估结果为目标层，建立三层分析模型；
步骤302：根据多电平UPQC拓扑结构的损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系五种评价指标之间的关系，以及选定的三种多电平UPQC拓扑结构对应的五种评价指标，构造各级成对比较矩阵；
步骤303：根据成对比较矩阵的特征值和特征向量，进行一致性检验，若未通过检验，返回执行步骤302；通过检验后，计算排序权向量，实现三种多电平UPQC拓扑结构的评估排序。
一种多电平UPQC拓扑结构评估方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统柔性交流配电技术领域，特别涉及一种多电平UPQC拓扑结构评估方法。
背景技术
[0002] 随着高新技术的飞速发展，基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制的用电设备和各种电力电子设备在电力系统中大量投入使用，它们对系统干扰比一般机电设备更加敏感，对供电质量的要求更苛刻。另外，新能源的发展促使越来越多的分布式电源并入配电网，高渗透分布式发电以及配电网自身带来的电能质量问题，使得配电网的电能质量问题越来越突出，人们对于电能质量问题改善的要求也越来越迫切。而在智能电网发展目标中，要求配电网增强接纳分布式能源系统接入能力的同时，明确提出了配电网中的电能质量问题：满足经济社会电能质量的多元化要求，实现最佳的电能质量和供电可靠性。
[0003] 定制电力技术的发展为电能质量问题提供了解决方法。统一电能质量调节器UPQC作为定制电力技术中功能最为全面的装置，集成了串联电压补偿原理和并联电流补偿原理，既能补偿电源电压的不对称和谐波，也能补偿非线性负载的不对称和谐波。中高压配电网中，UPQC多采用大功率多电平的变流器拓扑结构；而大功率多电平的变流器拓扑结构类型多种多样、性能特点各不相同。大功率多电平的变流器拓扑结构，如级联H桥、MMC(Modular Multilevel Converter)、A2MC(Alternate-Arm Multilevel Converter)等，对它们的拓扑类型选择及相应的控制策略，包括UPQC串联变流器、并联变流器、直流储能环节的拓扑结构和控制策略，直接影响到UPQC的适用场合、补偿容量、补偿性能、功率损耗、投资成本以及电容均压等问题。采用多电平UPQC拓扑评估方法，可以综合比较多电平UPQC拓扑的各项功能指标，能够为多电平UPQC拓扑的合理选择提供依据。
[0004] 现有多电平UPQC拓扑分析技术只是针对多电平UPQC某一种特性或某一种结构开展，而从某一项功能出发研究UPQC拓扑结构的应用情况，难以说明该多电平UPQC拓扑结构能否适用于多种不同要求的场合，给出该结构的优劣评估或者适用范围。采用多电平UPQC拓扑结构评估方法，可以综合考虑多电平UPQC的多项性能指标，融合他们的相互影响关系，给出合理准确的评价，为多电平UPQC拓扑结构的选择提供依据。
发明内容
[0005] 本发明目的在于提供多电平UPQC拓扑结构的选择依据，提出一种多电平UPQC拓扑结构评估方法，给出多电平UPQC拓扑结构的合理准确评估。
[0006] 技术方案是，一种多电平UPQC拓扑结构评估方法，其特征是所述方法包括下列步骤：
[0007] 步骤1：选定三种应用于UPQC的多电平拓扑结构类型；
[0008] 步骤2：建立多电平UPQC拓扑结构的基于器件损耗、器件频率、调制方式和功率等级的损耗模型，基于曲线拟合和故障树分析法的故障模型，基于暂稳态特性的仿真模型，基于蒙特卡罗模拟法的冗余模型，基于功率器件数目的器件模型，分别用以构建损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系的五种评价指标；
[0009] 步骤3：结合五种评价指标的相互影响关系，建立层次分析模型，应用层次分析法得到五种评价指标的权重系数，进而分析三种多电平UPQC拓扑结构的性能排序，形成多电平UPQC拓扑结构评估方法。
[0010] 所述建立多电平UPQC拓扑结构的基于器件损耗、器件频率、调制方式和功率等级的损耗模型，基于曲线拟合和故障树分析法的故障模型，基于暂稳态特性的仿真模型，基于蒙特卡罗模拟法的冗余模型，基于功率器件数目的器件模型，分别用以构建损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系的五种评价指标，具体包括：
[0011] 步骤201：多电平UPQC拓扑结构的损耗模型基于功率器件损耗、器件工作频率、调制方式和功率等级的综合分析，利用公式 计算多电平UPQC拓扑结构的功率损耗；其中，Pi、gi、fi、ki分别代表第i个器件的功率损耗、功率等级、工作频率、调制方式，n代表功率器件数量；应用损耗模型形成损耗与拓扑关系的评价指标；
[0012] 步骤202：多电平UPQC拓扑结构的故障模型基于曲线拟合和故障树分析法，通过功率器件的安全工作区域分析器件的可靠性，结合拓扑结构拟合出拓扑系统的可靠性曲线；将多电平UPQC拓扑逐级分解，形成从串并联单元、级联单元，到模块或器件的故障树模型，分析多电平UPQC拓扑结构的故障率；应用故障模型形成拓扑可靠性的评价指标；
[0013] 步骤203：多电平UPQC拓扑结构的仿真模型基于电力仿真软件分析多电平UPQC的稳态性能和暂态特性，获取UPQC拓扑结构在不同电能质量问题下的特征描述，形成暂稳态特性的评价指标；
[0014] 步骤204：多电平UPQC拓扑结构的冗余模型基于蒙特卡罗模拟法，分析各变流器拓扑结构的冗余度曲线，寻求故障率和冗余器件的平衡，形成系统稳定性的评价指标；
[0015] 步骤205：多电平UPQC拓扑结构的器件模型基于各拓扑结构的工作原理，推导相同条件和功能下不同多电平UPQC所需功率器件的数目，进而分析不同多电平UPQC拓扑结构的成本需求以及对损耗模型、故障模型和冗余模型的影响，形成结构与成本关系的评价指标。
[0016] 所述建立层次分析模型，应用层次分析法得到五种评价指标的权重系数，进而分析三种多电平UPQC拓扑结构的性能排序，形成多电平UPQC拓扑结构评估方法，具体包括：
[0017] 步骤301：选定三种多电平UPQC拓扑结构为方案层，多电平UPQC拓扑结构的损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系为评估指标层，多电平UPQC拓扑结构评估结果为目标层，建立三层分析模型；
[0018] 步骤302：根据多电平UPQC拓扑结构的损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系五种评价指标之间的关系，以及选定的三种多电平UPQC拓扑结构对应的五种评价指标，构造各级成对比较矩阵；
[0019] 步骤303：根据成对比较矩阵的特征值和特征向量，进行一致性检验，若未通过检验，返回执行步骤302；通过检验后，计算排序权向量，实现三种多电平UPQC拓扑结构的评估排序。
[0020] 本发明综合分析多电平UPQC拓扑结构的性能，给出多电平UPQC拓扑结构的准确评估，也可用于确立拓扑结构的适用范围，还可用于三种复杂结构下的拓扑结构评估。
附图说明
[0021] 图1为多电平UPQC拓扑结构评估方法示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。应该强调的是，下述说明仅为示例，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0023] 图1是多电平UPQC拓扑结构评估方法示意图，本发明提供的多电平UPQC拓扑结构评估方法包括下列步骤：
[0024] 步骤1：选定三种应用于UPQC的多电平拓扑结构类型。
[0025] 步骤2：建立多电平UPQC拓扑结构的基于器件损耗、器件频率、调制方式和功率等级的损耗模型，基于曲线拟合和故障树分析法的故障模型，基于暂稳态特性的仿真模型，基于蒙特卡罗模拟法的冗余模型，基于功率器件数目的器件模型，分别用以构建损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系的评价指标。
[0026] 具体过程包括：
[0027] 步骤201：基于功率器件损耗、器件工作频率、调制方式和功率等级的综合分析，建立多电平UPQC拓扑结构的损耗模型，利用公式 计算多电平UPQC拓扑结构的功率损耗；其中，Pi、gi、fi、ki分别代表第i个器件的功率损耗、功率等级、工作频率、调制方式，n代表功率器件数量；拓扑结构的不同带来功率器件数量、工作频率和调制方式的变化；应用损耗模型形成损耗与拓扑关系的评价指标。
[0028] 步骤202：基于曲线拟合和故障树分析法建立多电平UPQC拓扑结构的故障模型，通过功率器件的安全工作区域分析器件的可靠性，再结合拓扑结构拟合出拓扑系统的可靠性曲线；将多电平UPQC拓扑逐级分解，形成从串并联单元、级联单元，到模块或器件的故障树模型，分析多电平UPQC拓扑结构的故障率；应用故障模型形成拓扑可靠性的评价指标。
[0029] 步骤203：基于电力仿真软件建立多电平UPQC拓扑结构的仿真模型，分析多电平UPQC的稳态性能和暂态特性，获取UPQC拓扑结构在不同电能质量问题下的特征描述，形成暂稳态特性的评价指标。
[0030] 步骤204：基于蒙特卡罗模拟法建立多电平UPQC拓扑结构的冗余模型，分析各变流器拓扑结构的冗余度曲线，寻求故障率和冗余器件的平衡，形成系统稳定性的评价指标。
[0031] 步骤205：基于各拓扑结构的工作原理建立多电平UPQC拓扑结构的器件模型，推导相同条件和功能下三种多电平UPQC所需功率器件的数目，进而分析三种多电平UPQC拓扑结构的成本需求以及对损耗模型、故障模型和冗余模型的影响，形成结构与成本关系的评价指标。
[0032] 步骤3：结合得到的五种评价指标的相互影响关系，建立层次分析模型，应用层次分析法得到五种评价指标的权重系数，进而分析三种多电平UPQC拓扑结构的性能排序，形成多电平UPQC拓扑结构评估方法。
[0033] 具体过程包括：
[0034] 步骤301：选定三种多电平UPQC拓扑结构为方案层，多电平UPQC拓扑结构的损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系为评估指标层，多电平UPQC拓扑结构评估结果为目标层，建立三层分析模型。
[0035] 步骤302：根据多电平UPQC拓扑结构的损耗与拓扑关系、拓扑可靠性、暂稳态特性、系统稳定性、结构与成本关系五种评价指标之间的关系，构造一个5×5阶成对比较矩阵；根据选定的三种多电平UPQC拓扑结构对应的五种评价指标，构造五个3×3阶成对比较矩阵。
[0036] 步骤303：根据成对比较矩阵的特征值和特征向量，进行一致性检验，若未通过检验，返回执行步骤302；通过检验后，计算排序权向量，实现三种多电平UPQC拓扑结构的评估排序。
