CN104836457B - 一种模块化多电平换流器电容电压分组平衡优化算法 - Google Patents

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Abstract

一种模块化多电平换流器电容电压分组平衡优化算法，属于输配电技术领域。其技术方案是：首先，对桥臂子模块数进行质因子分解，按质因子从大到小的顺序对子模块进行多层分组；其次，根据桥臂电流方向与子模块电容电压值，按多层分组的分组顺序，将导通子模块数进行逐层分配，直至最后一层；最后，最后一层所分各组，根据分配所得导通子模块数与桥臂电流方向，对子模块电容电压进行排序，确定该导通的子模块。该平衡算法用于在保证换流器正常运行的前提下，基于质因子分解法对桥臂子模块进行多层分组，实现子模块分组均压，在桥臂子模块电容电压维持平衡的同时，显著减少控制系统的运算量。

Description

一种模块化多电平换流器电容电压分组平衡优化算法
技术领域
本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种基于质因子分解法的模块化多电平换流器电容电压平衡优化算法。
背景技术
近年来，高电压大功率的全控型电力电子器件如IGBTs和IGCTs在远距离输电系统和低压配电网络中得到广泛使用，特别是应用于基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术。与传统的两电平和三电平VSC-HVDC相比，由西门子公司提出的模块化多电平换流器（MMC）（子模块为半桥结构）拓扑具有无需大量IGBT直接串联，器件承受电压电流变化率低，无需滤波器等优点。同时，在同等电压等级下，它需要两倍的开关器件，且由于需要对其分散布置的子模块电容进行电压平衡控制，使其控制系统变得复杂。
世界上第一个商业化运行的MMC-HVDC工程是美国的传斯贝尔（TBC）工程，其额定容量为400MW，直流电压±200kV，每个换流器桥臂中有216个子模块。此外，将于今年建成的法国到西班牙的MMC-HVDC工程INELFE，额定容量为2×1000MW。在实际工程中，为降低交流电压谐波含量，及增加直流输电工程传输功率，需大量增加桥臂子模块数。但当桥臂子模块数量过多，控制系统采用排序法平衡桥臂各子模块电容电压的运算量将十分庞大，控制系统的运算速度将变得非常缓慢，甚至出现计算崩溃的现象。
为解决这一问题，有文献提出的一种子模块电容电压平衡优化算法，通过设定子模块电容电压波动范围，只对电容电压超出范围的子模块进行处理，在保持桥臂子模块电容电压平衡的同时，尽可能减少子模块开断状态的变化。减少子模块开断状态的变化在一定程度上减少了控制系统的运算量，然而当桥臂子模块数量过多，庞大的运算量也将使控制系统难以承受。
本发明提出了一种模块化多电平换流器电容电压分组平衡优化算法，可以保证电平数极高的换流器在维持桥臂电容电压平衡的同时，显著降低电容电压平衡算法排序次数，减少控制系统运算量，提高控制系统计算速度。
发明内容
本发明针对电平数很高的模块化多电平换流器，采用排序法进行桥臂子模块电容电压平衡时排序次数过多，控制系统运算量过大的问题，提出了一种模块化多电平换流器电容电压分组平衡优化算法。本发明采用的技术方案为：
步骤1：对桥臂子模块数进行质因子分解，按质因子从大到小的顺序对子模块进行多层分组；
步骤2：根据桥臂电流方向与子模块电容电压值，按多层分组的分组顺序，将导通子模块数进行逐层分配，直至最后一层；
步骤3：最后一层所分各组，根据分配所得导通子模块数与桥臂电流方向，对子模块电容电压进行排序，确定该导通的子模块。
附图说明
图1为所述的模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构；
图2为所述的桥臂子模块基于质因子分解法逐层分组的说明图；
图3为所述的桥臂子模块第一层分组的说明图；
图4为所述的桥臂子模块第二层分组的说明图；
图5为所述的第n层分组后某一组子模块结构说明图。
图中各标号：SM1-第一子模块；SM2-第二子模块；SMN-第N个子模块；L-桥臂电抗器；U dc -MMC正负极直流母线间电压差；N-桥臂子模块数；M 1-第一层分组所分组数；M 2-第二层分组所分组数；M n-第n层分组所分组数；N 1第一层分组后各组子模块数；N 1-第二层分组后各组子模块数；N n-1-第n-1层分组后各组子模块数；N n-第n层分组后各组子模块数；SM11-第一层分组后第一个子模块；SM21-第一层分组后第二个子模块；SMN1-第一层分组后第N 1个子模块；U 11-第一层分组后第一组子模块电容电压之和，U 12-第一层分组后第二组子模块电容电压之和；U 1M-第一层分组后第M 1组子模块电容电压之和；I arm -桥臂电流；U 21-第二层分组后第一组子模块电容电压之和；U 22-第二层分组后第二组子模块电容电压之和；U 2M-第二层分组后第M 2组子模块电容电压之和；SM1n-第n层分组后某一组内第一个子模块；SM2n-第n层分组后某一组内第二个子模块；SMNn-第n层分组后某一组内第N n个子模块；U n1-第n层分组后某一组内第一个子模块电容电压；U n2-第n层分组后某一组内第一个子模块电容电压；U Nn -第n层分组后某一组内第N n个子模块电容电压。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对基于质因子分解法的多电平换流器电容电压平衡算法进行详细说明。
图1为MMC的拓扑结构，若采用传统排序法对桥臂N个子模块电容进行均压，当N数值很大时，排序运算量将十分庞大，控制系统计算速度将变得非常缓慢，甚至出现计算崩溃。本发明在原有电容电压平衡方法基础上，根据整数质因子分解法思想对桥臂子模块电容电压平衡方法进行优化，具体实现步骤如下：
步骤1：对桥臂子模块数进行质因子分解，按质因子从大到小的顺序对子模块进行多层分组。
桥臂子模块基于质因子分解法逐层分组的说明图，如图2所示。将图1中某个桥臂的子模块数N进行质因子分解，并按质因子从大到小的顺序排列可分解为：
（1）
对第（i-1）层某一组进行再分组，分组后组数与组内子模块数的关系可表示为：
（2）
根据（1）式子模块数N的质因子分解形式，按质因子从大到小的顺序对桥臂子模块数进行多层分组，分组后各层各组内子模块数满足式（2）数学关系。
步骤2：根据桥臂电流方向与子模块电容电压值，按多层分组的分组顺序，将导通子模块数进行逐层分配，直至最后一层。
对N个子模块进行第一层分组，如图3所示。计算M 1组各组子模块电容电压之和，对M 1个子模块电容电压之和进行排序。若此时桥臂电流为电容充电方向，将由调制策略确定的导通子模块数除以M 1所得余数，按M 1个子模块电容电压之和从小到大的排列顺序，依次给各组分配1个导通子模块数；若电流为电容放电方向，则按从大到小的排列顺序，依次给各组分配1个导通子模块数。将导通子模块数除以M 1去余取整，作为各组的导通子模块基数，再加上按各组子模块电容电压之和排序情况，分配的导通子模块数除以M 1所得余数，即完成第一层分组各组导通子模块数的分配。
对第一层某一组内N 1个子模块进行第二层分组，如图4所示。与第一层分组分配余数的原则一致，将第一层分组分配的导通子模块数除以M 2所得余数，根据桥臂电流方向及各组电容电压之和分配给各组，再加上导通子模块数除以M 2去余取整所得导通子模块基数，即完成第二层分组各组导通子模块数的分配，其余各层分组时导通子模块数的分配原则与此一致。
步骤3：最后一层所分各组，根据分配所得导通子模块数与桥臂电流方向，对子模块电容电压进行排序，确定该导通的子模块。
根据第n层分组各组分配的导通子模块数，及桥臂电流方向，按照N n个子模块电容电压的排序结果，确定该导通的子模块。若电流为电容充电方向，根据分配所得导通子模块数，按N n个子模块电容电压从小到大的排列顺序，确定该导通的子模块；若电流为电容放电方向，则按N n个子模块电容电压从大到小的排列顺序，确定该导通的子模块，实现桥臂子模块电容电压的平衡。

Claims (3)

1.一种模块化多电平换流器电容电压分组平衡优化算法，其特征是:对于子模块数量众多的模块化多电平换流器，在保证换流器正常运行的前提下，基于质因子分解法对桥臂子模块进行多层分组，将桥臂子模块数进行质因子分解，按质因子从大到小的顺序对子桥臂子模块进行分组，实现子模块分组均压，在桥臂子模块电容电压维持平衡的同时，显著减少控制系统的运算量。
2.根据权力要求1所述的一种模块化多电平换流器电容电压分组平衡优化算法，其特征是通过基于质因子分解法对桥臂子模块进行多层分组并分组均压以显著减少控制系统运算量的方法，基于质因子分解法按质因子从大到小的顺序对桥臂子模块进行多层分组，根据桥臂电流方向及子模块电容电压，将导通子模块数逐层分配给各组，即将导通子模块数除以第一层所分组数，所得整数为各组导通子模块基数，所得余数若桥臂电流为充电方向则按各组电容电压和从小到大的顺序逐一分配给各组，若桥臂电流为放电方向则按各组电容电压和从大到小的顺序逐一分配给各组，之后各层导通子模块数分配情况与此类似，最后一层各组根据分配所得导通子模块数若桥臂电流为充电方向按组内电容电压从小到大的顺序选择子模块导通，若桥臂电流为放电方向按组内电容电压从大到小的顺序选择子模块导通，从而达到提高子模块电容电压排序速度，减少控制系统运算的目的。
3.根据权力要求1所述的一种模块化多电平换流器电容电压分组平衡优化算法，其特征是基于质因子分解法的模块化多电平换流器电容电压平衡算法，首先，对桥臂子模块数进行质因子分解，按质因子从大到小的顺序对子模块进行多层分组;其次，根据分组情况分配导通子模块数，将导通子模块数除以第一层所分组数，所得整数为各组导通子模块基数，所得余数若桥臂电流为充电方向则按各组电容电压和从小到大的顺序逐一分配给各组，若桥臂电流为放电方向则按各组电容电压和从大到小的顺序逐一分配给各组，之后各层导通子模块数分配情况与此类似；最后，最后一层各组根据分配所得导通子模块数若桥臂电流为充电方向按组内电容电压从小到大的顺序选择子模块导通，若桥臂电流为放电方向按组内电容电压从大到小的顺序选择子模块导通，即为基于质因子分解法的模块化多电平换流器电容电压平衡算法。
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