基于MMC排序均壓控制策略的研究

宋吉江　孫飛　牛軼霞　孫立權

【摘 要】論文針對傳統的模塊化多電平換流器子模塊排序均壓控制方法所出現的開關頻率高、損耗大等諸多問題，作者從子模塊選擇過程及排序算法角度出發，提出一種新的排序均壓控制方法，即基于BFPRT算法來實現快速排序。在PSCAD/EMTDC仿真環境下對此方法進行驗證，結果表明，根據系統參數選擇合適投切置換變量可實現提高排序效率、降低開關頻率的效果。

【關鍵詞】模塊化多電平換流器;均壓控制;排序;開關頻率

中圖分類號： TM46文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0147-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.067

0 引言

隨著電力電子技術的發展，由IGBT全控可關斷器件構成的模塊化多電平換流器，因其具有可模塊化、輸出電壓等級高、諧波含量少等優越性而廣泛應用于高壓直流輸電領域。隨著輸電線路電壓等級的升高，系統中的模塊數量也隨之增加，由此出現了子模塊電容電壓難以均衡及開關損耗增加等問題。針對此類問題，文獻[1]提出了子模塊均壓排序思想，通過對上、下橋臂子模塊的電容電壓進行采樣并進行排序處理，再根據橋臂電流方向選擇合適子模塊投切。這種方法SM電容電壓均衡性好，但計算量大、開關頻率高。隨著子模塊數目的增多，控制設計簡單、效率好、能有效降低開關頻率損耗的設計需求變得越發強烈。控制算法均壓作為目前 MMC 研究中最常用的均壓方式，相較于拓撲均壓，雖然增加了控制算法的復雜性，但不用增加各類元器件，相對來說較經濟。

1 MMC的工作原理

在實際工作中應用的換流器多為三相六橋臂，每橋臂由N個以串聯方式的子模塊SM及一個橋臂電感L相連，這N個子模塊結構相同。本文采用子模塊IGBT半橋結構，主要由儲能電容及一個半橋單元構成。Udc、Usa分別為直流母線電壓與三相交流a相線電壓;Upa與Una為上下橋臂電壓。

MMC中的子模塊主要有三種工作模式。其中S1導通，S2關斷狀態時，SM處于投入狀態，此時橋臂電流無論正負，子模塊的輸出皆為電容電壓值;當S1關斷，S2處于導通狀態時，SM則處于切除狀態，此時子模塊的輸出電壓為零;需特別指出的是，當S1關斷，S2也處于關斷狀態時，SM處于閉鎖狀態，當橋臂電流為正時，SM處于預充電狀態。

MMC正常運行時直流電壓是恒定不變的，這就要求三相單元中處于投入狀態的SM數目是一定的，即滿足：Upi+Uni=Udc，其中Upi，Uni分別為三相上、下橋臂導通子模塊的電壓之和。

2 排序算法及均壓控制策略改進

2.1 基于BRFPT算法的改進快排

本文提出的BRFPT算法，改變了快速排序Partition中的pivot值的選取，在快速排序中，我們始終選擇第一個元素或最后一個元素作為pivot，而在BFPTR算法中，每次選擇五個中位數的中位數作為pivot，這樣做的目的就是使得劃分比較合理，從而避免了O（N2）的發生。BFPRT算法相較常規Partition算法在最壞情況下時間復雜度仍然保持O（N），通過分析可知，假設一組m個元素，每5個元素分為一組共產生（m/5）個中位數。另外在（m/5）個中位數之中，每個中位數在其所在分組中大于或等于其中3個元素，最終選取的主元又大于其中一般的中位數，故主元至少大于所有元素中的1/2*m/5*3=3m/10個。任何情況下此改進排序算法時間復雜度都為O（N）。

2.2 改進的均壓策略

因電容電壓自身充放電原因，每個周期電容電壓有大有小，為保證橋臂電容電壓輸出穩定均衡，需要對周期內各子模塊進行動態投切，投切頻率較高，增大了開關損耗。我們既希望電容電壓均衡輸出又希望盡量減少開關頻率，然而這兩者是矛盾的。一般是通過損失一些均衡性來降低開關頻率，從而盡可能平衡這兩者關系。

傳統排序方法通過對橋臂上的電容電壓值進行排序選擇最佳子模塊組合投入，均衡控制較好，但控制周期內各個子模塊的更換率高，直接造成了開關頻率升高。經研究引入投切置換變量c非常必要。三相上、下橋臂前后周期通過投切數目變化來維持直流電壓恒定，引入的變量c一方面通過在投入組與備用組互換不合適的子模塊，提高均衡效果;另一方面，繼續保持某些子模塊在下一周期的使用，提高子模塊利用率，降低整體開關頻率。將橋臂子模塊按照運行狀態分為投入組與備用組，通過BFPTR算法將每組按第N小（大）的元素劃分為兩部分，而這高低兩部分不一定是有序的，通常我們也不需要求出順序，而只需要求出每組前N大或前N小的值。快速定位適合的子模塊位置并進行投入，切除兩組中N個SM電壓值偏大或偏小的模塊。

3 仿真分析

為驗證改進排序均壓控制方法的正確性與有效性，本文基于PSCAD/EMTDC環境下搭建了雙端21電平柔性直流輸電MMC-HVDC系統模型，仿真模型如圖1所示，系統具體參數：直流測電壓320KV;交流側線電壓220KV;橋臂子模塊個數為40;橋臂電抗0.05H;子模塊額定電壓16KV;電容為1000uF。

通過VS2010對兩種排序算法對隨機產生m個數據進行多次仿真對比，排序性能如表1。

由上表可知，當m為50，100，500時，改進的算法排序平均耗時較傳統的算法有明顯的降低，數據處理次數較傳統也大為減少，而且數據個數越多優越性體現得越明顯。所以改進的算法既可以有效提高速度，又能降低控制器的計算量，整體性能上優于傳統算法。

以整流側a相橋臂為例，對所提出的改進子模塊均壓控制方法在PSCAD/EMTDC的仿真環境下進行了驗證。改變子模塊投切置換變量c的大小（分別取c=1，2，3，4…..取值范圍為0

可以看到，與圖（a）相比，圖（b）的子模塊電壓波動較大，但圖（b）的頻率有明顯的降低。

4 結論

本文所提出的改進MMC排序均壓控制方法，一則是基于BRFPT算法改進快速排序，有效降低了運算時間，另外配合改進的均壓控制策略，在兼顧子模塊開關頻率與均衡性需求下，通過選擇合適的投切置換變量大小，實現良好的均壓效果。通過仿真驗證了所提方法的正確性與有效性。

【參考文獻】

[1]陸翌，王朝亮，彭茂蘭，等.一種模塊化多電平換流器的子模塊優化均壓方法[J].電力系統自動化，2014，38（03）：52-58.

[2]周冠軍，宋吉江，王曉曉，等.高電平MMC子模塊電容電壓控制策略研究[J].現代電子技術，2019，42（04）：23-26.

[3]Agelidis V，Ciobotaru M，Konstantinou G.Selective harmonic elimination pulse-width modulation of modular multilevel converters[J].IET Power Electronics，2013，6（1）：96-107.