第31卷第6期 2017年11月 山东理工大学学报(自然科学版) Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Vo1.31 No.6 Nov.2O17 文章编号:1672—6197(2017)06—0058—05 基于子模块电容电压分块的MMC直流均压控制法 牛轶霞,刘振杰,刘英杰 (山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255049) 摘 要:针对模块化多电平换流器在均压控制方面排序慢,开关动作次数多,以及换流器损耗大 问题,提出一种提高MMC的电容电压分块均压控制方法.依据桥臂电容电压极值来确定分块组 个数,用排序的复杂度和电压均衡效果来确定分块的多少,将不同大小的电容电压子模块放入不 的分块组合中,然后根据需要投入子模块的数目和电流方向进行优化排序,改变子模块的投入和 除状态.在PSCAD/EMTDC中21电平的MMC仿真结果显示,提出的均压方法加快了均压控 的排序,同时利用IGBT使换流器的开关损耗得到了降低. 关键词:模块化多电平换流器;均压控制;排序;电压分块 中图分类号:TM7 文献标志码:A Block modulation and voltage balance control of the sub—modules in modular multilevel converter direct.current NIU Yi—xia,LIU Zhen-jie,LIU Ying—jie (School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of TechnologyZibo 255049,China) ,Abstract:A kind of high level of modular multilevel converter(MMC)capacitor voItage blocking balance control method is proposed to solve the problem,which the modular multileve1 converter in equalizing control sorting slow,switching frequency,and the large inverter 1ossFirstlv.ac— .cording to the extreme value of bridge arm capacitor voltage to determine the block combination, with the complexity of the sorting and the influence of voltage balance to determine how manv combined number.Secondly,putting different sizes of capacitor voltage sub—modu1es in different block combinations,then according to the needs of input number of sub—modu1es and current di— 的合同切制 rectlon to conduct optimized sorting,and change the sub—modules input and reseetion status. The 21 levels MMC inverter is built in PSCAD/EMTDC and its sieu1rarion resuIts show that the equalizing method can speed up the sorting of equalizing control,at the same timethe switching ,Iosses Of the converter which use Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)are reduced. Key words: modular multilevel converter;pressure equalization control;sort;voItage hlocking 高压直流输电系统(High Voltage Direct Cur— rent,HVDC)和灵活的交流输电系统(Flexible AC (HVDC)输电成为了电压源高压直流输电发展的主 流方向 。 .然而基于VSC的高压直流输电通常输 出的是低电平,受到了电压等级和输出电平数的限 制,输出波形较差.与2电平和3电平的拓扑结构相 比,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Con— Transmission System,FACTS)在远距离和大容量 输电方面具有很大的优势 引,采用电压源换流器 (voltage source converter,VSC)和脉冲宽度控制 (pulse width modulation,PWM)技术的高压直流 收稿日期:2O16—09—21 作者简介:牛轶霞,女,songniu@sdut.edu.cn verter)有很多技术优势__5。],但是随着电平输出数的 第6 }:轶霞,等:雏 模块电容电 分块的MM【、直流均 控制法 增大以及输出功率的增加,子模块(SM)的控制方法 变得更加复杂,子模块的电容电压排序以及均压控 制成了最需要解决的问题. 电压差值也有上下限分别记作U …和U fU . 一U 4-(i—1)・△ 那么 1U ,,一U .. q- ・Av MMC的子模块均压控制一直在不断地改进与 第i个组合用来盛电容电压范围是介于L『『 _和L,… 之问的子模块.每个组合对应一个子模块 的电容电压区间.设每个组合内子模块的个数为 ,,『lll()ck !,…Ii"1 ,同样数据个数对应着子模 块的个数.对于第 个组合,U , 干¨U .,如图l所 刀 . 创新.已经取得了很好的科研成果.文献[8]重心是 对投入和切除状态的两组子模块按电压值分别进行 排序.这种方法能降低了IGBT的开关频率。从而起 到了降低开关损耗的作用。但是需要对所有的子模 块进行均 排序.文献E9J针对电容电压的不平衡而 导致的波形畸变,结合载波移相调制方法(PWM)提 了.二相桥臂平均电压控制的方法。提高了电容电 压稳定的能力,但是与传统均压控制方法相比,开关 功率损耗大.义献[1()]主要考虑的是针 对电容电压 越限的子模块,通过引入保持【大]子优化控制策略,维 持原来于模块的投切状态,通过这种方式米降低 IGBT的开关频率.均压效果受到影响。文献[11]主 要是存算法上有所创新,在实践上得到了较好的使 用.但是受到电半数日的. 本义针对于模块的排序以及歼关次数和换流器 的损耗.减小存排序过程中资源不必要的占用,提m 了一种MMC子模块电容电压分块均压控制法.此方 法在一定程度上降低r排序的复杂度,减小r开关次 数也降低厂子模块IGBT的开断损耗. 电容电压分块均压控制法 1.1 电容电压排序 冒泡排序、插入排序、选择排序、快速排序等这 些都是日前最常刚的也是最基本的排序方法,以子 模块的电容电压值为日标.对所有的电压值进行排 序。排序算法的复杂度正比于子模块的数目.数目越 多,复杂度就越高,这给硬件的实时均压带来了更大 的压力.钊 埘这个问题,本文提出r一种电压均压的 分块均 控制法。小仪保证了控制效果,使计算复杂 度不至于过高,同时也减小了IGBT的开关损耗. 1.2 电容电压分块原则 首先遍历所有子模块的电容电压,获取电容电压 的最大值L, 和最小fA UJ .设稳态时子模块电容 电 U ,f1 为参考标准,把所有的电容电压分成 块,每一块的区问用术作为子模块电容电压的一个 组合.每一块巾电容电压最大与最小的差值为Av, ..... - Aw 一——] 一AU.AUmin一— (1) 每一块相当于一个组合,对于第i个组合中,其 组合1 组合 在 n: nI £ x1 『12 … f… m ¨ f n axw.1 f mm ~ 图1 分块电压组合图 假设桥臂需要投入子模块运行个数为m .存 ∑ m _薹 < ” 则将组合l到组合w中对应的子模块全部投 r 入,并将下一个数组对应的子模块视为具有同等的 优先使用等级,从【f1任意拿取需要个数的数据m… ~∑ 对应的子模块。令 ¨ 7, l=Ⅲ 一> b l1l_k (4) I—l 通过这种分块处理,只需要将子模块电压分放 3 剑对应范 的分块组合中。这只需要在不同组合之 问比较,排序的计算量明显减小,在均压方面也是有 效果的. 1.3 电容电压分块个数的确定 在将子模块进行分块处理的时候,各个组合内 部不进行排序,只是将所有的电压差按照一定的范 进行了分块,分块处理实际_J 就是以比较的过程 代替了排序过程.所以.组合的数}=1 一定 度f:决 定了算法的时间复杂度。倘若组合数目过多的话,就 会导致计算的时间复杂度增大,同样,过少的话也会 影响均压的效果.最后,本文要从时问复杂度和均压 效果来确定分块组合的数目. 1.3.1 时间复杂度的衡量 在N+1电平的MM 换流器中,用D (N)表 60 山东理工大学学报(自然科学版) 示冒泡排序法在电容电压排序的时间复杂度,则有 D (N)一 (5) 是由交流侧决定的,当子模块充电时,从第一个公式 可以看出,在分块均压控制的方法中,运行中的子模 块电容电压总是小于传统控制法,因此桥臂电流变 对电容电压采用分块处理时,首先获得所有子 模块电容电压的极大值和极小值,以及设定电容电 压的额定值作为参考值,然后获得所有电压与极值 的差值,然后依据电压差值的上下限将所有的差值 放入对应的数组中,它的时间复杂度用D (N)表 示,则有: D (N)一2N+WN一(2+W)・N (6) j 化率TUZan呈现随电容电压升高而减小的趋势.时间 Q 相同,SM电容电压充电值就变小.因此在选择W 0^ 时。应让其满足:W一 凸 。电容电压己,出是平稳 的.如果电容电压的差值小于,iv,则投入运行的子 模块电容电压变化值小于分块的组合数组范围,为 要是为了减小算法的时间复杂度,那么组合的 个数W的选择至少应该满足D。(N)<D (N),即 w应该满足:W< 均压效果的考虑 MMC系统正常运行时,子模块的电容电压在 充放电的过程中,总是运行在额定值u耐附近,当电 压较低时,在运行中优先进入充电状态,当电压较高 时,在运行中优先进入放电状态.所以,本文依据电 容电压偏离额定值U t的大小来衡量均压效果.众 所周知,抛除时间复杂度,从均压效果来看冒泡排序 法是最好的.当采用冒泡排序法时,可允许的子模块 电容电压偏差为P,则有: ≤P (7) u,rf 采用本文所提出的电容电压分块的方法,降低 了时间复杂度,但是可能会带来电压的波动,以最恶 劣的情况为假设,要保证电压的波动在允许的范围 内,那么电压的偏差就不应该超过P+zip,在这时 候应该满足: 旦 ≤P (8) V U … 在考虑两个极端的情况下,则有: jI u…一u U…一U ,(1一P),(1+ ) (9) 将两组式子结合,就可以得出: U ,・(1+P)一U ,・(1一P) W・己, f 2pw Ap (10) 最后,综合考虑两方面以及结合上面两个式子, 得出电容电压均压控制的分块的组合数目w应该 满足: Z_P P≤w< _…) △在实际的运行中,交流侧的输出电压U。主要还 了降低排序计算量,在此情况下可以保持组合及其 对应的子模块不变.这样的做法使开关的次数降低, 与此同时开关损耗减小. 通过放电过程,对此进行详细叙述:桥臂电流小 于零,投入的子模块处于放电状态.假如上一个电平 运行时,第一个组合到第i一1个组合中对应的子模 块均投入,并且第i个数组对应的子模块投入了 m 个;下一个电平运行时,投入的子模块电容电压 的差值小于△ ,这说明根据子模块电压将子模块 重新放人当前所在的数组中,这样做既省去了不必 要的重新分块,同时也减小了子模块的开关次数. 1.3.2 电容电压分块均压控制的流程 首先检测电容电压的偏差值,对电容电压进行 分快处理。当桥臂中运行的子模块个数m 小于总 子模块数的一半时,从第1个组合开始逐层向上搜 索组合并运行相应子模块;如果运行的子模块数 大于或者等于总的模块数的一半时,则从第W 个组合开始旁路子模块.如图2所示,电容电压分层 控制流程. 图2 电容电压分层均压控制流程 基于本文提出的电容电压分块均压控制方法, 计算量能够降低,并且通过此排序方法取得了良好 第6期 牛轶霞,等:基于子模块电容电压分块的MMC直流均压控制法 61 的均压效果,而且还在一定程度上减小了IGBT的 开关损耗.实现的整个流程为:遍历所有子模块电容 电压,并获得子模块电容电压的极大值和极小值的 差值,如果差值在允许范围之内,那就不用重新分 块,保留原来状态,差值大于零的组合对应的子模块 继续放电,差值小于零的组合对应的子模块则继续 充电. 2仿真分析 本文利用PscAD仿..真软件,在E MTDC环境 下建立了21电平MMC直流输电系统模型,如图3 .….所示・ 图3单端2l电平MMC直流输电系统 单端21电平MMC输电系统的参数见表1. 表1系统主参数 参数名称 数值 直流侧电压 预充电电压 子模块电容 桥臂抑流电感 调制波频率 控制器取样频率 20个正常运行的子模块构成一个桥臂,在仿真 例子中采用NLM方法,整流侧采用的是定有功和 定无功的控制.以A相上桥臂为例,图4为应用传 统均压控制法而得到的子模块电容电压波形,图中 每一条线代表一个子模块电容电压,从图中可以看 出,子模块电容电压的偏差一直在(0.85~ 1.15)U ,附近充放电,具有一定的子模块电容电压 均压效果. 图5是采用本文电容电压的分块均压控制方法 时各个子模块的电容电压,从一系列仿真结果中可 图4传统均压得到的电容电压波形 w以发现,算法的时间复杂度正比于分块组合个数 随着组合数w的减小而减小,但是电压 波动 ,在不断增加.图5以w一2为例,得到的是子模块的 w 电容电压图,图6是稳态时线电压的总的畸变率. %,凸 矗 n 图5 w=2时子模块的电容电压 ^。 L l IIL. L.. 。’_、『 。一 r” ’ l 。 时间/s 图6线电压谐波总畸变率 表2是当w分别为2,3,4时仿真结果.表2在 时间段0.74 0.82s统计,将电容电压分块控制策 略与传统均压调制策略进行比较,主要在三个方面: 时间复杂度、排序/分块次数、IGBT开断次数. 表2均压控制结果对} 州62 山东理工大学学报(自然科学版) 国电机学报,2O12,32(13):7-12. 从表2可以看出,应用传统均压调制而得到了 较好的子模块的均压效果,但是需要对所有的子模 [2]汤广福,罗湘,魏晓光.多端直流输电与直流电网技术[J].中国电 机工程学报,2013,33(1O):8 17. 块电压进行排序,这样大大增加了算法量,同时排序 次数也很高,子模块的开关损耗也变得很大. [3]LESNICAR A,MARQUARDT R.An innovative modular multi— level converter topology suitable for a wide power range[c]// 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference Proceedings.Bolo— 3结束语 本文提出了一种将模块化多电平换流器的子模 块进行分块处理,使其适用于高电平MMC的均压 gna,Italy,2003:6. [4]李庚银,吕鹏飞,李广凯,等.轻型高压直流输电技术的发展与展 望[J].电力系统自动化,2003,27(4):1—5. Is]MARQUARDT R.Modular multilevel converter:an universal concept for HVDC—‘networks and extended DC——bus applications 控制方法.将全部子模块的电容电压放人分块组合 [c]//2010 International Power Electronics Conference.Sappo— 中,在不同的分块组合之间进行优化,这有利于降低 排序复杂度并且减小了使用绝缘栅双极型晶闸管 (IGBT)换流器的开关损耗.在实际应用中,随着电 平数目的增多,与传统排序方法相比,该方法可有效 地避免所有的子模块电容电压的排序,在一定程度 上减小了均压控制在整个周期中所占的比例. 。 同时,本文所提出的子模块电容电压分组均压 控制方法具有较好的稳定电容电压的能力,能够输 出较好的电压波形,也能确保换流器的安全与稳定. 与传统的均压策略相比,采用本文提出的分块 均压策略能有效地降低了算法的时间复杂度,而且 降低排序和IGBT的开关次数.w值越小,分块次 数越小,算法时间复杂度也在减小,IGBT的开关损 耗也跟随降低.因此合适的w值,不但保证了均压 效果,而且还可以降低算法的运算量和开关次数,对 子模块的均压起到了优化效果. 参考文献: [13温家良,吴锐,彭畅,等.直流电网在中国的应用前景分析[J].中 ro,Japan,2010:502—507. [6]TANG G F,HE z Y,PANG H.R&D and application of volt— age sourced converter based high voltage direct current engineer— ing technology in China[J].Journal of Modern Power Systems and Clean Energy,2014,2(1):1 15. 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