基于最大电压偏差裕度的MMC子模块均压优化算法研究

根据模块化多电平换流器(MMC)的运行原理,针对传统子模块电容电压排序算法存在器件开关频率高、从而引起开关损耗较大的问题,本文提出一种基于最大电压偏差裕度的均压优化算法。该算法考虑了子模块上一时刻开关投切状态以及各子模块电压之间的差值,可以在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,避免IGBT不必要的反复投切,有效降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗,从而提高系统运行效率。本文通过在Matlab/Simulink平台上搭建21电平的MMC仿真模型进行了仿真,仿真结果验证了均压优化算法的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器排序频率优化设计

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因其独特的优势取得了广泛的应用,其中子模块电容电压均衡排序算法成为了热点话题。目前国内外大多数均压算法优化的目的都是为了降低时间计算复杂度和器件的开关频率。通过分析MMC子模块电容电压更新过程和波动原理,推导均压算法的最小排序频率计算方法,通过仿真研究均压算法排序频率对均压效果的影响,根据仿真结果对排序频率进行了优化设计。最后,将厦门柔性直流输电工程作为算例,在PSCAD/EMTDC中搭建模型进行仿真,验证优化设计方案的正确性。由仿真结果可知,论文提出的排序频率优化算法具有较好的均压效果,相比传统的时刻排序方法可以降低器件一半的开关频率,且能同时降低整体平均时间计算复杂度。     

一种改进的模块化多电平换流器电压平衡方法

基于排序的子模块电容电压均压方法是目前应用于大容量模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型高压直流输电系统的主流均压方式,存在排序运算量大、开关频率高等缺陷,带来较大的硬件投入,降低MMC运行可靠性。针对上述问题,引入时间复杂度更低的基数排序,结合MMC运行特点,去除冗余关键字,降低时间复杂度,在此基础上,根据控制器所需投入子模块数m,优化子模块全排序为寻求m个子模块,去除冗余运算,同时提出重排序判据,使MMC控制器选择性地排序,减少排序频度,增大原有触发脉冲维持时间,降低开关频率。最后,在MATLAB/SIMULINK搭建21电平MMC模型,仿真结果表明,改进基数MMC均压算法能在较好维持电容电压平衡的同时,大幅减少运算量,降低开关频率,验证了改进均压方法的可行性与有效性。     

基于改进快速排序算法的MMC均压控制策略

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于其自身具有输出电平数高、开关频率低、波形质量好等优势而被广泛研究和使用。子模块电容的电压均衡问题是MMC的重点研究方向之一。传统均压方法随着子模块数目增加,将极大增加开关元件频率损耗和控制器运算量。该文提出了一种基于改进快速排序算法的均压策略,通过实时监测子模块电容电压,设置子模块电压间的离散度指标,继而控制排序模块的开通和保持。同时,通过排序算法的优化,使控制器在多模块时计算效率大大增加,降低硬件要求。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建MMC-HVDC模型进行仿真验证。仿真结果表明,改进的均压控制方法能够在维持系统特性相对均衡的同时,有效提高运行速度,降低子模块开关频率。     

适用于实时仿真的MMC子模块电容电压优化均衡方法

针对并行全比较算法存在的高空间复杂度问题,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)实时仿真的电容电压均衡优化方法。在子模块电容电压的排序方面,采用分组排序的均压策略,组内子模块采用并行全比较算法以减少排序时间,组间子模块根据所定义的能量平衡因子计算结果来平衡其电容电压值。此外,提出一种子模块电容电压值重构方法处理含相同电容电压值的子模块排序问题。在触发脉冲产生方面,提出一种串、并行触发结合的混合触发模式,将触发脉冲产生环节消耗的时间与MMC各桥臂子模块总数解耦。在PSCAD/EMTDC仿真程序和低功率MMC物理样机平台的阀级控制器中验证了所提MMC子模块电容电压优化均衡方法的逻辑有效性和工程实用性,证明了所提方法在保证低时间复杂度的同时,其空间复杂度亦有所降低。     

基于算法优化的MMC子模块降频均压策略研究

伴随着应用电压等级不断升高,模块化多电平换流器子模块级联数目大幅增长,各子模块间的电容电压均衡问题尤为明显。高效的排序算法是作用于子模块电压均衡过程的核心模块,降低排序算法的时间复杂度可以有效减轻硬件控制器设计难度,提高系统可靠性。基于快速排序的Top K算法,在原有子模块投切策略基础上每轮排序只提取需要的前K个模块,并将有助于MMC均压的开关降频策略引入Top K算法进行深度优化,非全排序降频算法能够大幅减少排序次数,有效缩减程序仿真运算量。在多电平双端背靠背互联系统Simulink仿真模型中,验证算法封装子模块排序和降频实验效果良好。     

模块化多电平换流器电容电压均衡排序算法综述

高压大容量模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在世界的柔性直流输电工程得到了广泛的应用,有关MMC的电容电压均衡排序算法已成为研究热点与难点。论文针对适合高电平的MMC电容电压均衡排序算法,对国内外已有的涉及排序算法的主要文献进行整理和归纳,从而探索该领域的研究前沿和关注的重点。将不同的均压排序算法根据降低计算复杂度、降低器件开关频率等优化目的进行了分类,并研究了其核心思想;探讨了MMC电容电压均衡排序算法评价指标;对其中降低复杂度的3种均压排序方法的排序复杂度进行比较,且通过仿真对比了它们的电容电压均衡效果;对其中采用保持因子降低开关频率的排序方法进行了比较。最后,针对MMC实时仿真,讨论了均衡排序算法的发展方向。     

基于降低开关频率的MMC优化排序算法

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于其具有较高的输出电平数、耐压等级高、波形质量好等众多优点而被广泛研究,并已运用于柔性直流输电工程中。子模块电容电压的均衡问题一直以来都是MMC众多研究热点之一。传统电容电压排序法会实时的对电容电压大小进行升降序排列,并在下一时刻按照桥臂电流的方向选择合适的子模块投入。但随着MMC子模块数目的增多,系统中开关器件的开关频率及损耗会随之增加。本文提出了一种新型的优化排序算法,设置相应电压的阈值,考虑上一时刻子模块的投切状态基础上进行电压排序,减少子模块开关动作次数,从而达到减小损耗的目的。最后在MATLAB/SIMULINK中搭建MMC模型进行仿真验证,仿真结果验证了本文所提算法的有效性。     

模块化多电平换流器电容电压改进排序平衡方法

针对含有大规模子模块的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)直流电容电压平衡问题,提出一种基于改进排序的电容电压平衡方法。基于传统排序电压平衡方法中的排序环节要求对桥臂内所有子模块电容电压进行排序,计算延时严重影响电压平衡控制的动态响应。以避免投入组和切除组组内元素排序为目的改进快速排序算法,每趟排序均选择第m个位置的记录作为基准值,通过判断使下一趟排序只在被划分后的一个区域上递归;采用数学归纳法证明改进快速排序算法的时间复杂度为O(n)。考虑MMC子模块电容电压连续两个控制周期变化规律后,提出采用改进的快速排序算法排序之前按照上个控制周期的排序结果排列电容电压能够进一步减少比较次数。最后,通过计算机随机实验验证改进快速排序算法的时间复杂度并搭建两端401电平MMC-HVDC仿真模型验证所提电压平衡方法的可行性和有效性。     

基于变基准值比较的MMC电容电压优化均衡控制策略

模块化多电平换流器的子模块电容电压均衡是其稳定运行的关键,传统电容电压均衡策略计算量大,器件平均开关频率高。提出一种基于变基准值比较的电容电压优化均衡控制策略,由最近电平逼近调制计算出当前投入模块的数目,并根据投入模块个数调节基准值,以此基准值为分界点将子模块电容电压序列分为两组,采用随机置乱算法对组内元素排序,根据桥臂电流方向,确定组间排序先后次序,最终确定投入模块信息。同时,通过电容电压优化函数选取合适的电容电压允许偏差阈值及调节因子,实现对器件平均开关频率和电容电压一致性的优化控制;在MATLAB/Simulink中搭建基于MMC的三相逆变器仿真模型,验证所提策略在取得良好均压效果的前提下,降低计算量,同时降低器件平均开关频率。     

希尔排序算法优化偏差控制的MMC电容均压模型

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)子模块均压控制问题一直是高压直流输电系统能否稳定运行的关键。当子模块数目较为庞大时,传统基于排序算法的均压模型会使得电容电压排序计算量加大,占用大量资源,为硬件的设计带来巨大困难。为此,设计了一种希尔排序算法优化偏差控制的MMC电容均压模型。通过对当前与上一个周期中所投入子模块的数量及各子模块电容电压与其平均值的偏差是否超过界限,判断是否再次计算触发脉冲,偏差的大小决定子模块是否投入,利用希尔排序算法对桥臂处于不同状态时满足相应判定条件的子模块进行排序,按照排列后的顺序依次投入,保证了系统的高效可靠运行。在PSCAD/EMTDC上搭建模块化多电平换流器的仿真模型,验证所提出的子模块均压控制模型的正确性。仿真结果验证了该控制模型在低频下能够很好地实现子模块电容电压的均衡控制。     

模块化多电平换流器电容电压均衡混合预测控制

提出了一种模块化多电平换流器(module multilevel converter,MMC)子模块电容电压预测均衡控制的混合控制方法。根据子模块工作状态和换流器桥臂电流大小,得到下一动作周期子模块电容电压的预测值;以预测的电容电压绝对误差限值作为电压偏差量判据,得到下一动作周期的子模块投切方案。该方法保证了子模块电容电压的均衡性,同时有效降低了功率器件的开关频率。在PSCAD/EMTDC上构建了11电平MMC系统,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

模块化多电平换流器子模块平均开关频率的精确控制方法

在现有的基于电容电压排序的优化均压算法基础上,提出一种适用于模块化多电平换流器(MMC)的精确控制子模块开关频率的方法。通过引入双保持因子,避免绝缘栅双极型晶体管(IGBT)不必要的反复投切现象,从而在保证各子模块电容电压基本一致的前提下,有效地降低MMC子模块开关频率,减小开关损耗;在此基础上,设计了精确控制子模块开关频率的比例—积分(PI)控制器,能够在降低开关频率的同时精确地控制其大小,保证系统稳定运行和换流器的运行效率;最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端101电平MMC仿真模型,对所提出的方法进行了验证,仿真结果表明该方法可以在保证系统稳定运行的前提下,精确地控制子模块的开关频率,证明了所提出方法的正确性和有效性。     

模块化多电平换流器电容电压平衡并行排序方法

针对模块化多电平换流器(MMC)存在的电容电压均衡问题,从实际工程出发,采用了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的并行全比较电容电压实时排序算法。基于RT-LAB在环半实物仿真平台进行了实验。结果表明,该算法实现了电容电压的排序并行处理,排序运算只需要4个时钟的运算时间,且运算时间不随桥臂子模块数量而变化,达到了实时性排序的效果。此外,该算法遵循了避免不必要的开关动作的原则,降低了器件的开关频率和开关损耗。     

基于改进冒泡排序的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)子模块电容电压均衡是当前MMC研究领域的热点问题。当MMC的单个桥臂子模块数量较多时,存在控制器运算时间长、子模块投切频繁和开关损耗大并导致MMC故障等缺陷。针对上述缺陷,提出了一种基于改进冒泡排序算法和平均值法混合控制策略。通过实时监测电容电压,采用改进冒泡法在初始化时对子模块电容电压进行排序,减少MMC控制器的运算量。在之后的控制周期采用已投入子模块平均值比较法对子模块作投切,降低开关频率。最后在Matlab/Simulink搭建21电平MMC模型,仿真结果验证了所提混合控制策略的有效性和正确性。     

模块化多电平换流器损耗与结温的解析计算方法

正常运行时模块化多电平换流器(MMC)子模块的电容不断被充电/放电。为保持电容电压平衡,各子模块投入/切出状态随机,导致MMC损耗计算的复杂度很高。文中引入了桥臂子模块投入占空比的概念,在整个功率运行区间内分析推导了子模块中4个开关器件通态电流平均值与有效值的解析表达式。在此基础上,综合考虑电容电压与门极电阻等参数的影响,推导了通态损耗与开关损耗的解析表达式。针对平均结温并不能真实反映开关器件实际工作状态的问题,详细分析了每个工频周期内开关器件结温波动特性,提出了一种最大运行结温的估算方法。算例分析表明,损耗与结温计算结果与MMC运行特性完全一致,该解析计算方法简便有效。     

混合型模块化多电平换流器的模型预测控制方法

混合型模块化多电平拓扑是由传统模块化多电平拓扑在每个桥臂上增加一个H桥模块构成。对于混合型模块化多电平换流器(MMC),基于比例积分(PI)控制器的双闭环控制策略需要多个参数控制器且具有参数整定复杂、对控制参数敏感等问题。为此,结合子模块电容电压排序算法与H桥模块控制算法,提出一种基于模型预测控制的分层控制策略,该方法通过建立相对应的指标函数对交流侧电流、环流与子模块电容电压进行分层控制,从而确定各子模块与H桥模块的开关状态。与传统控制方法相比,该方法原理简单、无需考虑复杂的参数整定且可使系统具有良好的动静态性能。最后搭建了混合型模块化多电平换流器的仿真平台,仿真结果验证了所提控制策略的有效性与正确性。     

模块化多电平换流器的电容均压算法比较及优化设计

模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输电技术的核心器件,MMC的子模块电容均压问题,是输电系统稳定运行的关键问题之一。针对这一问题,首先分析比较了现有的几种以电容电压排序为基础的电容均压算法。结合几种算法的优缺点,提出了一种优化的增量式电容均压算法,只引入一个电压上下限的参数,也能够实现电压波动、开关频率的可调节。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了MMC的仿真模型,实现了四种均压算法并进行比较,验证了理论分析。仿真结果表明,所提出的电容均压算法能极大降低开关频率,在相同的电压波动情况下,开关频率更低,是一种性能更优良的均压算法。     

具有较低复杂度和开关频率的MMC混合排序均压算法

模块化多电平换流器(MMC)在世界范围内的直流输电中应用已经十分广泛,其中电容电压均衡控制策略是MMC应用的关键技术与难点。文中首先提出了一种分两组的组间比较排序法,称为OF排序法。该方法排序的最大时间复杂度为N-1,但该方法的使用范围受限。因此,在此基础上又提出了一种新型MMC混合排序均压算法。该算法在大幅降低排序时间复杂度的同时还能够降低器件的开关频率。以厦门柔性直流输电工程为例,验证了该算法在多种工况下的正确性。最后,通过仿真计算出新型混合排序均压算法的时间复杂度约为1.45 N,优于现有的其他MMC均压排序算法,并且仿真结果显示该算法还能降低开关频率,约为传统冒泡法的1/2。     

基于冒泡原理的模块化多电平换流器快速电压均衡控制策略

模块化多电平换流器(MMC)传统的电压均衡控制需要对电容电压排序,排序运算的计算量降低了控制系统的响应速度。在分析冒泡原理基础上,提出一种快速电压均衡控制策略。每个控制周期内通过若干步冒泡运算分别得到投入、退出状态的电压最值子模块。当投入的子模块数量指令变化时,仅对最值子模块的开关状态进行改变。当投入和退出子模块电压差值超过电容电压允许偏差定值时,交换两者中越界的子模块开关状态。在PSCAD/EMTDC平台上搭建MMC模型,仿真结果表明所提策略可以在较少计算量下实现电容电压的均衡控制。