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(quán)

【摘 要】論文針對傳統(tǒng)的模塊化多電平換流器子模塊排序均壓控制方法所出現(xiàn)的開關(guān)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(fā)，提出一種新的排序均壓控制方法，即基于BFPRT算法來實(shí)現(xiàn)快速排序。在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下對此方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)選擇合適投切置換變量可實(shí)現(xiàn)提高排序效率、降低開關(guān)頻率的效果。

【關(guān)鍵詞】模塊化多電平換流器;均壓控制;排序;開關(guān)頻率

中圖分類號： TM46文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)的發(fā)展，由IGBT全控可關(guān)斷器件構(gòu)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(yōu)越性而廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電領(lǐng)域。隨著輸電線路電壓等級的升高，系統(tǒng)中的模塊數(shù)量也隨之增加，由此出現(xiàn)了子模塊電容電壓難以均衡及開關(guān)損耗增加等問題。針對此類問題，文獻(xiàn)[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(jìn)行采樣并進(jìn)行排序處理，再根據(jù)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(jì)算量大、開關(guān)頻率高。隨著子模塊數(shù)目的增多，控制設(shè)計(jì)簡單、效率好、能有效降低開關(guān)頻率損耗的設(shè)計(jì)需求變得越發(fā)強(qiáng)烈?？刂扑惴ň鶋鹤鳛槟壳?MMC 研究中最常用的均壓方式，相較于拓?fù)渚鶋?，雖然增加了控制算法的復(fù)雜性，但不用增加各類元器件，相對來說較經(jīng)濟(jì)。

1 MMC的工作原理

在實(shí)際工作中應(yīng)用的換流器多為三相六橋臂，每橋臂由N個(gè)以串聯(lián)方式的子模塊SM及一個(gè)橋臂電感L相連，這N個(gè)子模塊結(jié)構(gòu)相同。本文采用子模塊IGBT半橋結(jié)構(gòu)，主要由儲能電容及一個(gè)半橋單元構(gòu)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(dǎo)通，S2關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，SM處于投入狀態(tài)，此時(shí)橋臂電流無論正負(fù)，子模塊的輸出皆為電容電壓值;當(dāng)S1關(guān)斷，S2處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，SM則處于切除狀態(tài)，此時(shí)子模塊的輸出電壓為零;需特別指出的是，當(dāng)S1關(guān)斷，S2也處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，SM處于閉鎖狀態(tài)，當(dāng)橋臂電流為正時(shí)，SM處于預(yù)充電狀態(tài)。

MMC正常運(yùn)行時(shí)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(tài)的SM數(shù)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(dǎo)通子模塊的電壓之和。

2 排序算法及均壓控制策略改進(jìn)

2.1 基于BRFPT算法的改進(jìn)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(gè)元素或最后一個(gè)元素作為pivot，而在BFPTR算法中，每次選擇五個(gè)中位數(shù)的中位數(shù)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(fā)生。BFPRT算法相較常規(guī)Partition算法在最壞情況下時(shí)間復(fù)雜度仍然保持O（N），通過分析可知，假設(shè)一組m個(gè)元素，每5個(gè)元素分為一組共產(chǎn)生（m/5）個(gè)中位數(shù)。另外在（m/5）個(gè)中位數(shù)之中，每個(gè)中位數(shù)在其所在分組中大于或等于其中3個(gè)元素，最終選取的主元又大于其中一般的中位數(shù)，故主元至少大于所有元素中的1/2*m/5*3=3m/10個(gè)。任何情況下此改進(jìn)排序算法時(shí)間復(fù)雜度都為O（N）。

2.2 改進(jìn)的均壓策略

因電容電壓自身充放電原因，每個(gè)周期電容電壓有大有小，為保證橋臂電容電壓輸出穩(wěn)定均衡，需要對周期內(nèi)各子模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)投切，投切頻率較高，增大了開關(guān)損耗。我們既希望電容電壓均衡輸出又希望盡量減少開關(guān)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(guān)頻率，從而盡可能平衡這兩者關(guān)系。

傳統(tǒng)排序方法通過對橋臂上的電容電壓值進(jìn)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(nèi)各個(gè)子模塊的更換率高，直接造成了開關(guān)頻率升高。經(jīng)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(shù)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(xù)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(guān)頻率。將橋臂子模塊按照運(yùn)行狀態(tài)分為投入組與備用組，通過BFPTR算法將每組按第N?。ù螅┑脑貏澐譃閮刹糠?，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?？焖俣ㄎ贿m合的子模塊位置并進(jìn)行投入，切除兩組中N個(gè)SM電壓值偏大或偏小的模塊。

3 仿真分析

為驗(yàn)證改進(jìn)排序均壓控制方法的正確性與有效性，本文基于PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建了雙端21電平柔性直流輸電MMC-HVDC系統(tǒng)模型，仿真模型如圖1所示，系統(tǒng)具體參數(shù)：直流測電壓320KV;交流側(cè)線電壓220KV;橋臂子模塊個(gè)數(shù)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(jī)產(chǎn)生m個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次仿真對比，排序性能如表1。

由上表可知，當(dāng)m為50，100，500時(shí)，改進(jìn)的算法排序平均耗時(shí)較傳統(tǒng)的算法有明顯的降低，數(shù)據(jù)處理次數(shù)較傳統(tǒng)也大為減少，而且數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)越多優(yōu)越性體現(xiàn)得越明顯。所以改進(jìn)的算法既可以有效提高速度，又能降低控制器的計(jì)算量，整體性能上優(yōu)于傳統(tǒng)算法。

以整流側(cè)a相橋臂為例，對所提出的改進(jìn)子模塊均壓控制方法在PSCAD/EMTDC的仿真環(huán)境下進(jìn)行了驗(yàn)證。改變子模塊投切置換變量c的大?。ǚ謩e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(dòng)較大，但圖（b）的頻率有明顯的降低。

4 結(jié)論

本文所提出的改進(jìn)MMC排序均壓控制方法，一則是基于BRFPT算法改進(jìn)快速排序，有效降低了運(yùn)算時(shí)間，另外配合改進(jìn)的均壓控制策略，在兼顧子模塊開關(guān)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(shí)現(xiàn)良好的均壓效果。通過仿真驗(yàn)證了所提方法的正確性與有效性。

【參考文獻(xiàn)】

[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(yōu)化均壓方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)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(xiàn)代電子技術(shù)，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.