基于MMC排序均压控制策略的研究

宋吉江　孙飞　牛轶霞　孙立权

【摘 要】论文针对传统的模块化多电平换流器子模块排序均压控制方法所出现的开关频率高、损耗大等诸多问题，作者从子模块选择过程及排序算法角度出发，提出一种新的排序均压控制方法，即基于BFPRT算法来实现快速排序。在PSCAD/EMTDC仿真环境下对此方法进行验证，结果表明，根据系统参数选择合适投切置换变量可实现提高排序效率、降低开关频率的效果。

【关键词】模块化多电平换流器;均压控制;排序;开关频率

中图分类号： TM46文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）22-0147-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.067

0 引言

随着电力电子技术的发展，由IGBT全控可关断器件构成的模块化多电平换流器，因其具有可模块化、输出电压等级高、谐波含量少等优越性而广泛应用于高压直流输电领域。随着输电线路电压等级的升高，系统中的模块数量也随之增加，由此出现了子模块电容电压难以均衡及开关损耗增加等问题。针对此类问题，文献[1]提出了子模块均压排序思想，通过对上、下桥臂子模块的电容电压进行采样并进行排序处理，再根据桥臂电流方向选择合适子模块投切。这种方法SM电容电压均衡性好，但计算量大、开关频率高。随着子模块数目的增多，控制设计简单、效率好、能有效降低开关频率损耗的设计需求变得越发强烈。控制算法均压作为目前 MMC 研究中最常用的均压方式，相较于拓扑均压，虽然增加了控制算法的复杂性，但不用增加各类元器件，相对来说较经济。

1 MMC的工作原理

在实际工作中应用的换流器多为三相六桥臂，每桥臂由N个以串联方式的子模块SM及一个桥臂电感L相连，这N个子模块结构相同。本文采用子模块IGBT半桥结构，主要由储能电容及一个半桥单元构成。Udc、Usa分别为直流母线电压与三相交流a相线电压;Upa与Una为上下桥臂电压。

MMC中的子模块主要有三种工作模式。其中S1导通，S2关断状态时，SM处于投入状态，此时桥臂电流无论正负，子模块的输出皆为电容电压值;当S1关断，S2处于导通状态时，SM则处于切除状态，此时子模块的输出电压为零;需特别指出的是，当S1关断，S2也处于关断状态时，SM处于闭锁状态，当桥臂电流为正时，SM处于预充电状态。

MMC正常运行时直流电压是恒定不变的，这就要求三相单元中处于投入状态的SM数目是一定的，即满足：Upi+Uni=Udc，其中Upi，Uni分别为三相上、下桥臂导通子模块的电压之和。

2 排序算法及均压控制策略改进

2.1 基于BRFPT算法的改进快排

本文提出的BRFPT算法，改变了快速排序Partition中的pivot值的选取，在快速排序中，我们始终选择第一个元素或最后一个元素作为pivot，而在BFPTR算法中，每次选择五个中位数的中位数作为pivot，这样做的目的就是使得划分比较合理，从而避免了O（N2）的发生。BFPRT算法相较常规Partition算法在最坏情况下时间复杂度仍然保持O（N），通过分析可知，假设一组m个元素，每5个元素分为一组共产生（m/5）个中位数。另外在（m/5）个中位数之中，每个中位数在其所在分组中大于或等于其中3个元素，最终选取的主元又大于其中一般的中位数，故主元至少大于所有元素中的1/2*m/5*3=3m/10个。任何情况下此改进排序算法时间复杂度都为O（N）。

2.2 改进的均压策略

因电容电压自身充放电原因，每个周期电容电压有大有小，为保证桥臂电容电压输出稳定均衡，需要对周期内各子模块进行动态投切，投切频率较高，增大了开关损耗。我们既希望电容电压均衡输出又希望尽量减少开关频率，然而这两者是矛盾的。一般是通过损失一些均衡性来降低开关频率，从而尽可能平衡这两者關系。

传统排序方法通过对桥臂上的电容电压值进行排序选择最佳子模块组合投入，均衡控制较好，但控制周期内各个子模块的更换率高，直接造成了开关频率升高。经研究引入投切置换变量c非常必要。三相上、下桥臂前后周期通过投切数目变化来维持直流电压恒定，引入的变量c一方面通过在投入组与备用组互换不合适的子模块，提高均衡效果;另一方面，继续保持某些子模块在下一周期的使用，提高子模块利用率，降低整体开关频率。将桥臂子模块按照运行状态分为投入组与备用组，通过BFPTR算法将每组按第N小（大）的元素划分为两部分，而这高低两部分不一定是有序的，通常我们也不需要求出顺序，而只需要求出每组前N大或前N小的值。快速定位适合的子模块位置并进行投入，切除两组中N个SM电压值偏大或偏小的模块。

3 仿真分析

为验证改进排序均压控制方法的正确性与有效性，本文基于PSCAD/EMTDC环境下搭建了双端21电平柔性直流输电MMC-HVDC系统模型，仿真模型如图1所示，系统具体参数：直流测电压320KV;交流侧线电压220KV;桥臂子模块个数为40;桥臂电抗0.05H;子模块额定电压16KV;电容为1000uF。

通过VS2010对两种排序算法对随机产生m个数据进行多次仿真对比，排序性能如表1。

由上表可知，当m为50，100，500时，改进的算法排序平均耗时较传统的算法有明显的降低，数据处理次数较传统也大为减少，而且数据个数越多优越性体现得越明显。所以改进的算法既可以有效提高速度，又能降低控制器的计算量，整体性能上优于传统算法。

以整流侧a相桥臂为例，对所提出的改进子模块均压控制方法在PSCAD/EMTDC的仿真环境下进行了验证。改变子模块投切置换变量c的大小（分别取c=1，2，3，4…..取值范围为0

可以看到，与图（a）相比，图（b）的子模块电压波动较大，但图（b）的频率有明显的降低。

4 结论

本文所提出的改进MMC排序均压控制方法，一则是基于BRFPT算法改进快速排序，有效降低了运算时间，另外配合改进的均压控制策略，在兼顾子模块开关频率与均衡性需求下，通过选择合适的投切置换变量大小，实现良好的均压效果。通过仿真验证了所提方法的正确性与有效性。

【参考文献】

[1]陆翌，王朝亮，彭茂兰，等.一种模块化多电平换流器的子模块优化均压方法[J].电力系统自动化，2014，38（03）：52-58.

[2]周冠军，宋吉江，王晓晓，等.高电平MMC子模块电容电压控制策略研究[J].现代电子技术，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.