CN104505819A - 非排序的查找方法和基于该方法的mmc均压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非排序的查找方法和基于该方法的MMC均压方法。模块化多电平柔性直流输电(MMC-HVDC)系统在改善电能质量可再生能源并网孤岛供电非同步互联城市电网供电等方面具有较强的优势。子模块电容电压的稳定对MMC稳定运行至关重要,然而MMC各子模块电容电压均衡是MMC的难点。与现有子模块电容电压排序均压相比，本发明的有益效果是：不用对整个桥臂子模块电容电压进行排序操作，算法执行时间大大减少；比排序算法占用较少的资源，提高了芯片的利用率；可以应用于高电压等级柔性直流输电子模块均压控制。

Description

非排序的查找方法和基于该方法的MMC均压方法
技术领域
本发明属于电力系统的柔性直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平柔性直流输电阀控系统子模块电容电压的均压算法。
背景技术
模块化多电平柔性直流输电(MMC-HVDC)是一种基于电压源型换流(Voltage Sourced Converters—VSC)技术的新型高压直流输电技术。除了具有传统高压直流输电优点外，柔性直流输电系统还可直接向远距离的小型孤立负荷供电，连接分散电源，运行控制方式灵活多变，可减少输电线路电压降落及闪变，提高电能质量。因此，柔性直流输电技术在孤岛供电、城市电网供电、分布式能源并网等方面具有很高的应用价值。
柔性直流输电换流阀控制系统是整个控制系统的中间环节，在功能上是联系极控与换流阀(子模块)的枢纽。阀控系统运行状态决定了整个柔性直流输电系统的动稳态控制性能和故障穿越特性子模块电容电压均衡在合理工作范围是模块化多电平VSC稳定运行的前提条件。也是柔性直流输电换流阀控制系统设计的难点。
随着柔性直流输电系统容量的增加，每个桥臂上串联的IGBT(子模块)的数量也会迅速增加，需要在阀控系统和子模块以及极控之间传送的信息量也大大增加，如何设计一种合理、可靠的子模块均压算法，成为该领域的一个重要课题。
由于MMC子模块数量相当多，对控制系统的控制周期要求也很高。通常为几十个微秒以内。在如此短的时间内要完成整个桥臂所有子模块电容电压排序并产生每个子模块的驱动指令，普通处理器无法完成，因此都是采用FPGA来实现排序均压算法。然而由于FPGA资源有限，当桥臂子模块数据较小时，FPGA实现排序均压也较为轻松。当桥臂子模块上升到几百个甚至上千个的时候，如果还采用排序均压算法，目前市面上的FPGA在资源和算法时间上就捉襟见肘了。因此急需寻找一种能适应大规模子模块数量的均压算法。
发明内容
本发明的目的是提供一种非排序的查找方法和基于该方法的MMC均压方法，解决现有方法需要排序的问题。
本发明的方案如下：
一种非排序的查找方法，用于在N个不相同的数据中查找第K个数据D；K为该N个数据中按照从低到高排序的序号，其特征在于，步骤如下：
1)将该N个数据分别记为N个M位宽的二进制数；则待确定的数据D从高位到低位依次为DM、DM-1、…Di…D1，i＝1、2、…M；
2)从N个数据的最高位到N个数据的最低位，依次检测Ni个数据中对应位为0的个数SUM0i；
3)依次确定Di；若SUM0i<Ki，则确定待查找数据Di＝1；若SUM0i不小于Ki，则Di＝0；
Ki为确定上一位数据后更新的值，若确定Di+1＝0，则Ki＝Ki+1；若确定Di+1＝1，则Ki＝Ki+1-SUM0i+1；其中KM＝K；
Ni为确定上一位数据后更新的数据集合，若确定Di+1＝0，Ni为从Ni+1中剔除第i+1位为1的数据，若确定Di+1＝1，Ni为从Ni+1中剔除第i+1位为0的数据；NM为所有N个数据。
为了在N个子模块中确定需要投入或者切除的K个子模块，对N个子模块的电容电压值，记为N个M位宽的二进制数，应用所述查找方法，查找出第K个数据D；遍历N个数据，与D比较大小，以确定应当投入或者切除的子模块。
遍历一遍N个数据；若电流方向为充电，若子模块电容电压小于等于D，则该位置子模块驱动指令为投入；大于数据D的子模块驱动指令为切除；若电流方向为放电，小于数据D的子模块驱动指令为切除，大于等于数据D的子模块驱动指令为投入。
对传统排序均压算法进行分析发现，当需要投入K个子模块时，只需要找出子模块电容电压处于第K个大的子模块电容电压即可。因为比K小的子模块和比K大的子模块应处于投入或者切除状态(根据电流方向不同，所处状态不同)。而排序均压算法对小于K和大于的子模块电容电压也进行了排序操作，这是无用的，浪费资源和时间。
基于此思想，对子模块电容电压的非排序均压算法重点是找出整个桥臂N个子模块电容电压中第K个大的子模块电容电压。该算法的数学原理是基于二进制数从高位到低位的位权依次减小，计算出位权相同的bit里0或1的个数，与N比较，则可以确定该位的值，直至找出第N个大的数。然后所有子模块电容电压与之比较则可以确定子模块驱动状态。
与现有子模块电容电压排序均压相比，本发明的有益效果是：不用对整个桥臂子模块电容电压进行排序操作，算法执行时间大大减少；比排序算法占用较少的资源，提高了芯片的利用率；可以应用于高电压等级柔性直流输电子模块均压控制。
附图说明
图1为数据矩阵；
图2为非排序均压算法流程图；
图3为均压效果图；
图4为非排序均压算法与排序均压算法的比较。
具体实现方式
下面对非排序均压算法的具体实现步骤进行介绍。
本发明提供了两种方法，一种是查找方法，另一种是基于该查找方法的MMC子模块均压方法；基本方案在于查找方法，用于在N个不相同的数据中查找第K个数据D；K为该N个数据中按照从低到高排序的序号。概括来讲，基本方案如下：
1)将该N个数据分别记为N个M位宽的二进制数；则待确定的数据D从高位到低位依次为DM、DM-1、…Di…D1，i＝1、2、…M；
2)从N个数据的最高位到N个数据的最低位，依次检测Ni个数据中对应位为0的个数SUM0i；
3)依次确定Di；若SUM0i<Ki，则确定待查找数据Di＝1；若SUM0i不小于Ki，则Di＝0；
Ki为确定上一位数据后更新的值，若确定Di+1＝0，则Ki＝Ki+1；若确定Di+1＝1，则Ki＝Ki+1-SUM0i+1；其中KM＝K；
Ni为确定上一位数据后更新的数据集合，若确定Di+1＝0，Ni为从Ni+1中剔除第i+1位为1的数据，若确定Di+1＝1，Ni为从Ni+1中剔除第i+1位为0的数据；NM为所有N个数据。
在实践中，需要用计算机来实现上述方法；将该方法应用于MMC子模块均压过程，具体介绍如下：
由于要求所有数据必须不同，因此在每个子模块电容电压数据的后面扩展其位置信息，以保证N个数据互不相同。对于子模块电容电压数据精度为16bit。如图1、图2所示：
1，将该N个数据分别记为N个M(本实施例中子模块电容电压的数据位宽25)位宽的二进制数，形成如下N行M列的矩阵。为了方便操作，可以将矩阵转置，这种下面过程就是操作转置后矩阵的各行，如A25、B25、C25…为各数据的最高位数据。A1、B1、C1…为各数据的最低位数据。设当前控制周期需要投入子模块个数为K(如图2所示SM_TOURU)，待求第K个大数据为D。
2，计算最高位A25、B25、C25…，即图2所示bitN中0的个数，记为SUM_0。
3，比较SUM_0和K。若SUM_0小于K，则可以确定D的最高位bit25为1，即D25＝1。若SUM0不小于K，D25＝0。同时还需要更新K值，用于次高位bit24的计算；若D25＝1，K值要减去SUM_0，若D25＝0，K值不变。
4，下面需要计算bit24，计算时需要将待操作的数据进行筛选剔除。若D25＝1，那么将A25、B25、C25…同A24、B24、C24…与操作，得到A24、B24、C24…里高位bit25是1的数据。若D25＝0，那么将A25、B25、C25…取反后同A24、B24、C24…与操作，得到A24、B24、C24…里bit25＝0的数据。
5，按照步骤3方式计算bit24，先计算经过上述剔除操作后A24、B24、C24…中剩余数据中0的个数SUM_0，然后比较SUM_0与更新后K值；从而得到bit24。依次类推，直到计算D0。那么数据D即是这N个数据中第K个大数据。
6，遍历一遍N个数据。若电流方向为充电，将子模块电容电压与数据D比较，若小于等于D，则该位置子模块驱动指令为投入。大于数据D的子模块驱动指令为切除。若电流方向为放电，小于数据D的为切除，大于等于数据D的为投入。至此，完成非排序均压算法。效果如图3所示，算法复杂度比较如图4所示。
以上具体实施例中，采用了计算机程序的表达形式对基本方案中数学形式进行表述。本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案。由于属于计算机程序类型的发明创造，依照本发明的构思，本领域技术人员可以采用多种形式去实现，比如在排序时也可以从低到高进行排序，这样整个方案显然需要进行整体调整，但这种调整仍属于基于本发明构思的等效变换。
也就是说，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种非排序的查找方法，用于在N个不相同的数据中查找第K个数据D；K为该N个数据中按照从低到高排序的序号，其特征在于，步骤如下：
1)将该N个数据分别记为N个M位宽的二进制数；则待确定的数据D从高位到低位依次为DM、DM-1、…Di…D1，i＝1、2、…M；
2)从N个数据的最高位到N个数据的最低位，依次检测Ni个数据中对应位为0的个数SUM0i；
3)依次确定Di；若SUM0i<Ki，则确定待查找数据Di＝1；若SUM0i不小于Ki，则Di＝0；
Ki为确定上一位数据后更新的值，若确定Di+1＝0，则Ki＝Ki+1；若确定Di+1＝1，则Ki＝Ki+1-SUM0i+1；其中KM＝K；
Ni为确定上一位数据后更新的数据集合，若确定Di+1＝0，Ni为从Ni+1中剔除第i+1位为1的数据，若确定Di+1＝1，Ni为从Ni+1中剔除第i+1位为0的数据；NM为所有N个数据。
2.将权利要求1所述查找方法用于MMC-HVDC的子模块均压方法，其特征在于，为了在N个子模块中确定需要投入或者切除的K个子模块，对N个子模块的电容电压值，记为N个M位宽的二进制数，应用所述查找方法，查找出第K个数据D；遍历N个数据，与D比较大小，以确定应当投入或者切除的子模块。
3.根据权利要求2所述的子模块均压方法，其特征在于：遍历一遍N个数据；若电流方向为充电，若子模块电容电压小于等于D，则该位置子模块驱动指令为投入；大于数据D的子模块驱动指令为切除；若电流方向为放电，小于数据D的子模块驱动指令为切除，大于等于数据D的子模块驱动指令为投入。
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