CN106533229A - 采用模型预测控制的mmc装置子模块电容电压平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：系统级主控CPU求得MMC主电路中各相的控制信号；步骤2：相控电路将子模块按电压分级为放电组、充电组以及无差别对待组；步骤3：脉冲分配环节确定最终投入的子模块，并生成相应的触发脉冲，通过驱动电路之后生成PWM信号，用以控制相应开关器件IGBT的通断，从而完成MMC装置的子模块电容电压分组式模型预测控制。本发明在保留MMC系统非线性特性的同时，也有效保证了MMC系统的子模块电容电压控制，显著提高了系统的控制精度，减轻了处理器负担，可以最大限度减少现有模型预测技术的计算量。

Description

采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法

技术领域

本发明属于输配电控制技术领域，具体涉及一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法。

背景技术

由于以光伏发电为代表的新能源具有分散性、间歇性等特点，若采用常规高压直流输电技术接入时会影响电力系统的并网稳定性，导致功率波动。因此，为了使新能源以经济、环保、可靠的方式接入电网，提高新能源的区域优化配置能力，必须开发安全可靠、高效率的柔性直流输电技术。

基于电压源型换流器的轻型直流输电(VSC-HVDC)系统因其经济、灵活、高质量、高可控性的输电方式，能够将分散电源通过经济、环保的方式接入交流电网，成为国内外研究的热点。VSC-HVDC具有以下优势：

(1)能够实现有功功率和无功功率的解耦控制；

(2)能够实现无功补偿；

(3)能够实现潮流的灵活控制等。

以VSC为关键技术的直流输电系统，对VSC器件的耐压等级及容量均要求较高。但现有的半导体功率器件的耐压水平和电流容量均难以满足要求，因此，目前多采用适当的拓扑结构来提高VSC系统的耐压水平。由于随着变换器电平数增多可改善系统输出性能，降低开关频率，因此，采用模块化多电平结构的电压源型换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)成为目前电力系统领域的研究热点。

MMC结构能够大大增加变流器输出电平数，相较于其他多电平变流器，具有以下优点：

(1)MMC子模块的结构、参数相同，易于扩展；

(2)MMC避免了开关器件直接串联，从而不存在功率器件直接串联带来的静态和动态均压问题；

(3)MMC每相可以独立运行；

(4)MMC的子模块结构简单，相对易于控制。

目前MMC-HVDC的控制系统多采用PI调节器，也有部分文献提出采用PR调节器，当系统运行状态发生变化时，难以确保MMC-HVDC系统的暂态性能，且难以消除换流器非线性特性带来的影响。随着微处理器性能的逐步提升，模型预测控制(Model PredictiveControl，MPC)因其出色的动态特性、易于实现多目标控制、包含系统的非线性因素等优点，在MMC-HVDC领域得到了广泛关注。

目前关于MPC在MMC-HVDC中的应用主要包括以下内容：

(1)以交流侧电流质量、环流抑制、子模块均压为综合控制目标的MPC方法，需要考虑种子模块投入组合，并且随着子模块数量的增多，计算量呈几何数增加；

(2)为了减少MPC所带来的庞大计算量，只引入一个控制目标，与传统PR或PI控制相比，虽然有效改善了系统的暂态性能，但其他性能却难以保证。

(3)根据不同的开关状态组合来预测系统的最佳控制模式，虽然在一定程度上降低了计算量，但随着子模块数量的递增，设计过于繁杂。

综上所述，利用模型预测方法来实现MMC系统的有效控制，平衡子模块直流侧电容电压，能够有效提高暂态性能和稳态控制精度，但是随着子模块数量的不断增加，对处理器提出了较为苛刻的要求，在实际系统中实现困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，可以最大限度减少现有模型预测技术的计算量。

本发明所采用的技术方案是，一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：系统级主控CPU根据AD采样调理电路送来的实时数据信号，结合电压控制器的输出和模型预测控制器，求得MMC主电路中各相的控制信号；

步骤2：相控电路利用从系统级主控CPU获得的实时控制信息，结合所采集的各相子模块电容电压，利用子模块电压电压控制器，将子模块按电压分级为放电组、充电组以及无差别对待组；

步骤3：脉冲分配环节结合系统主控电路输出的控制信号和子模块电压分组情况，确定最终投入的子模块，并生成相应的触发脉冲，通过驱动电路之后生成PWM信号，用以控制相应开关器件IGBT的通断，从而完成MMC装置的子模块电容电压分组式模型预测控制。

本发明的特点还在于：

步骤1具体为：

步骤1.1：系统级主控CPU根据电压霍尔传感器实时采集的直流电压信息U_dc和直流侧给定电压，利用电压控制器计算MMC主电路中系统侧的有功电流分量，以该有功电流分量作为MMC主电路中系统侧的有功电流给定值，即MMC主电路需要输送的有功部分；无功电流给定根据MMC系统需要传送的无功部分来确定；

步骤1.2：将有功电流给定和无功电流给定送入坐标变换环节dq/abc，即将电流分量从两相同步旋转坐标系变换到三相静止坐标系下，从而得到系统A、B、C三相电流给定；之后，分别将三相电流给定与三相电流的测量值送入模型预测控制器；

步骤1.3：模型预测控制器以系统交流侧电流跟踪为控制目标，为了最大限度减小处理器负担，采用无差别对待各子模块电容电压的方法，通过判断所投入的n个子模块在上下桥臂n+1种不同投入组合模式下所获得的电流偏差信息，获得下一时刻能够保证电流偏差最小的上下桥臂子模块投入数量的组合模式n_pa、n_na。

步骤2具体为：

步骤2.1：根据子模块电压期望值U_dcN，结合从系统级获得的子模块直流侧电压的实时信息，可以获得在时间T内，k相第i个子模块实测电压的平均值为U_dckvi，其中，k＝A，B，C；

步骤2.2：分以下三种情况对T时间内的子模块电压平均值U_dckvi进行分组：

1)若U_dckvi>m₁U_dcN，其中，m₁>1，说明子模块电压平均值已经较高，因此，在下一个开关动作周期需要对该子模块进行放电，因此将其归为放电组N₁；

2)若U_dckvi<m₂U_dcN，其中，m₂<1，说明子模块电压平均值偏低，在下一个开关动作周期需要对该子模块进行充电，因此将其归为充电组N₂；

3)若m₁U_dcN≥U_dckvi≥m₂U_dcN，说明子模块电压平均值接近期望值，可以进行无差别对待，即该子模块无需进行充放电过程，因此将其列为N₃组。

步骤3具体为：

①若k相上桥臂处于放电状态且下桥臂处于充电状态则将优先级设置为上桥臂N₁组子模块>N₃组子模块>N₂组子模块，下桥臂N₂组子模块>N₃组子模块>N₁组子模块，其中，k＝A，B，C，具体工作过程为：

步骤一：优先投入N₁组内的上桥臂子模块；若N₁组内上桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_pa，则对N₁组内上桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较高的n_pa个子模块；若N₁组上桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_pa，则N₁组内上桥臂子模块电容电压无需排序全部投入；优先投入N₂组内的下桥臂子模块，若N₂组内下桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_na，则对N₂组内下桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较低的n_na个子模块；若N₂组下桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_na，则N₂组内下桥臂子模块电容电压无需排序全部投入，并进入步骤二；

步骤二：若此时上桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的上桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内上桥臂子模块；若N₃组内上桥臂子模块全部投入后，所投入的上桥臂子模块数仍小于n_pa，则N₃组内的上桥臂子模块全部投入；若此时下桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的下桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内下桥臂子模块；若N₃组内下桥臂子模块全部投入后，所投入的下桥臂子模块数仍小于n_na，则N₃组内的下桥臂子模块全部投入，并进入下一步；

步骤三：对N₂组内上桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较高的子模块，直至上桥臂投入的子模块数量等于n_pa，对N₁组内下桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较低的子模块，直至下桥臂投入的子模块数量等于n_na；

②若k相上桥臂处于充电状态且下桥臂处于放电状态则将优先级设置为上桥臂N₂组子模块>N₃组子模块>N₁组子模块，下桥臂N₁组子模块>N₃组子模块>N₂组子模块，具体工作过程为：

步骤一：优先投入N₂组内的上桥臂子模块；若N₂组内上桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_pa，则对N₂组内上桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较低的n_pa个子模块；若N₂组上桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_pa，则N₂组内上桥臂子模块电容电压无需排序全部投入；优先投入N₁组内的下桥臂子模块，若N₁组内下桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_na，则对N₁组内下桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较高的n_na个子模块；若N₁组下桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_na，则N₁组内下桥臂子模块电容电压无需排序全部投入，并进入步骤二；

步骤二：若此时上桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的上桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内上桥臂子模块；若N₃组内上桥臂子模块全部投入后，所投入的上桥臂子模块数仍小于n_pa，则N₃组内的上桥臂子模块全部投入；若此时下桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的下桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内下桥臂子模块；若N₃组内下桥臂子模块全部投入后，所投入的下桥臂子模块数仍小于n_na，则N₃组内的下桥臂子模块全部投入，并进入下一步；

步骤三：对N₁组内上桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较低的子模块，直至上桥臂投入的子模块数量等于n_pa，对N₂组内下桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较高的子模块，直至下桥臂投入的子模块数量等于n_na；

③根据以上步骤确定需投入和切除的具体子模块后，通过相控电路产生所对应的脉冲信息，经驱动电路之后生成PWM信号，用以控制相应开关器件IGBT的通断。

上桥臂或下桥臂处于充电状态还是放电状态，根据电压电流方向判断：当系统侧相电压和相电流方向一致时，整个相单元处于充电状态，否则该相单元处于放电状态；对于各相上桥臂、下桥臂来说又可以进行如下划分：

①当系统侧相电流为正时，该相上桥臂处于放电状态，下桥臂子模块处于充电状态；

②当系统侧相电流为负时，该相上桥臂处于充电状态，下桥臂子模块处于放电状态。

本发明的有益效果是：

①本发明一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，由于模型预测控制器能够保留MMC系统的非线性因素，避免了传统PI或PR控制器难以应当运行工况变化等问题，提高了MMC系统的暂态性能；

②本发明一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法中所采用的模型预测控制器仅以系统侧电流跟踪为目标，有效避免了目前模型预测控制在MMC系统应用中随子模块数增加计算量几何倍数增长的问题，大大减轻了处理器的负担，同时提高了电流质量；

③本发明一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，子模块电压控制器无需对所有子模块电容电压进行排序，但对于子模块电容电压偏离较大的情况又进行了充分的考虑，因此，在减少工作量的同时又能有效保证子模块电容电压的平衡控制。

附图说明

图1是本发明MMC装置子模块电容电压平衡方法的原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明中MMC控制电路包括系统级和相控级，系统级包括AD采样调理电路和主控CPU，AD采样调理电路将电压互感器、电流互感器和系统级直流电压霍尔传感器以及各相2N路霍尔传感器送入的信息接入系统级控制电路，系统级控制电路将生成的控制信号送入相控级控制电路。

相控级控制电路结合系统级送入的子模块直流侧电容电压信息、充放电状态和模型预测控制器输出的控制信息生成，通过子模块电压控制器对子模块电容电压进行分级和脉冲分配，最终生成的触发脉冲信号通过驱动电路后接入MMC中各子模块单元中对应全控电力电子器件IGBT的受控端。

系统级控制电路包括电压控制器、模型预测控制器；

相控级CPU包括子模块电压控制器；

AD采样调理电路由比例电路、反相电路和抗混叠滤波电路、偏置电路、限幅保护电路组成，具体参见《测量电子电路设计：滤波器篇(从滤波器设计到锁相放大器的应用)》(远坂俊昭著，彭军译，科学出版社，2006)，用AD采样调理电路将经电压互感器、电流互感器和直流电压霍尔传感器传送过来的信号调理成系统级主控CPU可以接受的信号；

系统级主控CPU，采用芯片TMS320F28335，根据AD采样电路送过来的电压电流信息和获得相控级所需的基本控制信息；

相控级CPU采用芯片TMS320F28335，根据从系统级主控CPU中所获得的基本控制信息、子模块直流侧电容电压和充放电状态，利用子模块电压控制器生成PWM脉冲，该脉冲经驱动电路具体见《电力电子技术》(王兆安，刘进军，机械工业出版社，2009.5)，驱动之后转变为可以直接触发电力电子全控器件IGBT的PWM信号。

本发明一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1：系统级主控CPU根据AD采样调理电路送来的实时数据信号，结合电压控制器的输出和模型预测控制器，求得MMC主电路中各相的控制信号，具体为：

步骤1.1：系统级主控CPU根据电压霍尔传感器实时采集的直流电压信息U_dc和直流侧给定电压，利用电压控制器计算MMC主电路中系统侧的有功电流分量，以该有功电流分量作为MMC主电路中系统侧的有功电流给定值，即MMC主电路需要输送的有功部分；无功电流给定根据MMC系统需要传送的无功部分来确定；

步骤1.2：将有功电流给定和无功电流给定送入坐标变换环节dq/abc，即将电流分量从两相同步旋转坐标系变换到三相静止坐标系下，从而得到系统A、B、C三相电流给定；之后，分别将三相电流给定与三相电流的测量值送入模型预测控制器；

步骤1.3：模型预测控制器以系统交流侧电流跟踪为控制目标，为了最大限度减小处理器负担，采用无差别对待各子模块电容电压的方法，通过判断所投入的n个子模块在上下桥臂n+1种不同投入组合模式下所获得的电流偏差信息，获得下一时刻能够保证电流偏差最小的上下桥臂子模块投入数量的组合模式n_pa、n_na。

步骤2：相控电路利用从系统级主控CPU获得的实时控制信息，结合所采集的各相子模块电容电压，利用子模块电压电压控制器，将子模块按电压分级为放电组、充电组以及无差别对待组，具体为：

步骤2.1：根据子模块电压期望值U_dcN，结合从系统级获得的子模块直流侧电压的实时信息，可以获得在时间T内，k相第i个子模块实测电压的平均值为U_dckvi，其中，k＝A，B，C；

步骤2.2：分以下三种情况对T时间内的子模块电压平均值U_dckvi进行分组：

1)若U_dckvi>m₁U_dcN，其中，m₁>1，说明子模块电压平均值已经较高，因此，在下一个开关动作周期需要对该子模块进行放电，因此将其归为放电组N₁；

2)若U_dckvi<m₂U_dcN，其中，m₂<1，说明子模块电压平均值偏低，在下一个开关动作周期需要对该子模块进行充电，因此将其归为充电组N₂；

3)若m₁U_dcN≥U_dckvi≥m₂U_dcN，说明子模块电压平均值接近期望值，可以进行无差别对待，即该子模块无需进行充放电过程，因此将其列为N₃组。

其中m₁和m₂可首先结合PSCAD软件选择最优参数，之后在实际系统中进行小幅调整，以确定其最终值。

步骤3：脉冲分配环节结合系统主控电路输出的控制信号和子模块电压分组情况，确定最终投入的子模块，并生成相应的触发脉冲，通过驱动电路之后生成PWM信号，用以控制相应开关器件IGBT的通断，从而完成MMC装置的子模块电容电压分组式模型预测控制，具体为：

①若k相上桥臂处于放电状态且下桥臂处于充电状态则将优先级设置为上桥臂N₁组子模块>N₃组子模块>N₂组子模块，下桥臂N₂组子模块>N₃组子模块>N₁组子模块，其中，k＝A，B，C，具体工作过程为：

步骤一：优先投入N₁组内的上桥臂子模块；若N₁组内上桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_pa，则对N₁组内上桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较高的n_pa个子模块；若N₁组上桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_pa，则N₁组内上桥臂子模块电容电压无需排序全部投入；优先投入N₂组内的下桥臂子模块，若N₂组内下桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_na，则对N₂组内下桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较低的n_na个子模块；若N₂组下桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_na，则N₂组内下桥臂子模块电容电压无需排序全部投入，并进入步骤二；

步骤二：若此时上桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的上桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内上桥臂子模块；若N₃组内上桥臂子模块全部投入后，所投入的上桥臂子模块数仍小于n_pa，则N₃组内的上桥臂子模块全部投入；若此时下桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的下桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内下桥臂子模块；若N₃组内下桥臂子模块全部投入后，所投入的下桥臂子模块数仍小于n_na，则N₃组内的下桥臂子模块全部投入，并进入下一步；

步骤三：对N₂组内上桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较高的子模块，直至上桥臂投入的子模块数量等于n_pa，对N₁组内下桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较低的子模块，直至下桥臂投入的子模块数量等于n_na；

②若k相上桥臂处于充电状态且下桥臂处于放电状态则将优先级设置为上桥臂N₂组子模块>N₃组子模块>N₁组子模块，下桥臂N₁组子模块>N₃组子模块>N₂组子模块，具体工作过程为：

步骤一：优先投入N₂组内的上桥臂子模块；若N₂组内上桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_pa，则对N₂组内上桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较低的n_pa个子模块；若N₂组上桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_pa，则N₂组内上桥臂子模块电容电压无需排序全部投入；优先投入N₁组内的下桥臂子模块，若N₁组内下桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_na，则对N₁组内下桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较高的n_na个子模块；若N₁组下桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_na，则N₁组内下桥臂子模块电容电压无需排序全部投入，并进入步骤二；

步骤二：若此时上桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的上桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内上桥臂子模块；若N₃组内上桥臂子模块全部投入后，所投入的上桥臂子模块数仍小于n_pa，则N₃组内的上桥臂子模块全部投入；若此时下桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的下桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内下桥臂子模块；若N₃组内下桥臂子模块全部投入后，所投入的下桥臂子模块数仍小于n_na，则N₃组内的下桥臂子模块全部投入，并进入下一步；

步骤三：对N₁组内上桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较低的子模块，直至上桥臂投入的子模块数量等于n_pa，对N₂组内下桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较高的子模块，直至下桥臂投入的子模块数量等于n_na；

③根据以上步骤确定需投入和切除的具体子模块后，通过相控电路产生所对应的脉冲信息，经驱动电路之后生成PWM信号，用以控制相应开关器件IGBT的通断。

其中，上桥臂或下桥臂处于充电状态还是放电状态，根据电压电流方向判断：当系统侧相电压和相电流方向一致时，整个相单元处于充电状态，否则该相单元处于放电状态；对于各相上桥臂、下桥臂来说又可以进行如下划分：

①当系统侧相电流为正时，该相上桥臂处于放电状态，下桥臂子模块处于充电状态；

②当系统侧相电流为负时，该相上桥臂处于充电状态，下桥臂子模块处于放电状态。

本发明将模型预测方法、子模块电容电压平衡控制方法以及脉冲分配环节引入到MMC系统控制中，在保留MMC系统非线性特性的同时，也有效保证了MMC系统的子模块电容电压控制，显著提高了系统的控制精度，减轻了处理器负担。

Claims (5)

1.一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：系统级主控CPU根据AD采样调理电路送来的实时数据信号，结合电压控制器的输出和模型预测控制器，求得MMC主电路中各相的控制信号；

步骤2：相控电路利用从系统级主控CPU获得的实时控制信息，结合所采集的各相子模块电容电压，利用子模块电压电压控制器，将子模块按电压分级为放电组、充电组以及无差别对待组；

步骤3：脉冲分配环节结合系统主控电路输出的控制信号和子模块电压分组情况，确定最终投入的子模块，并生成相应的触发脉冲，通过驱动电路之后生成PWM信号，用以控制相应开关器件IGBT的通断，从而完成MMC装置的子模块电容电压分组式模型预测控制。

2.根据权利要求1所述的一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

步骤1.1：系统级主控CPU根据电压霍尔传感器实时采集的直流电压信息U_dc和直流侧给定电压，利用电压控制器计算MMC主电路中系统侧的有功电流分量，以该有功电流分量作为MMC主电路中系统侧的有功电流给定值，即MMC主电路需要输送的有功部分；无功电流给定根据MMC系统需要传送的无功部分来确定；

步骤1.2：将有功电流给定和无功电流给定送入坐标变换环节dq/abc，即将电流分量从两相同步旋转坐标系变换到三相静止坐标系下，从而得到系统A、B、C三相电流给定；之后，分别将三相电流给定与三相电流的测量值送入模型预测控制器；

步骤1.3：模型预测控制器以系统交流侧电流跟踪为控制目标，为了最大限度减小处理器负担，采用无差别对待各子模块电容电压的方法，通过判断所投入的n个子模块在上下桥臂n+1种不同投入组合模式下所获得的电流偏差信息，获得下一时刻能够保证电流偏差最小的上下桥臂子模块投入数量的组合模式n_pa、n_na。

3.根据权利要求1所述的一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

步骤2.1：根据子模块电压期望值U_dcN，结合从系统级获得的子模块直流侧电压的实时信息，可以获得在时间T内，k相第i个子模块实测电压的平均值为U_dckvi，其中，k＝A，B，C；

步骤2.2：分以下三种情况对T时间内的子模块电压平均值U_dckvi进行分组：

1)若U_dckvi>m₁U_dcN，其中，m₁>1，说明子模块电压平均值已经较高，因此，在下一个开关动作周期需要对该子模块进行放电，因此将其归为放电组N₁；

2)若U_dckvi<m₂U_dcN，其中，m₂<1，说明子模块电压平均值偏低，在下一个开关动作周期需要对该子模块进行充电，因此将其归为充电组N₂；

3)若m₁U_dcN≥U_dckvi≥m₂U_dcN，说明子模块电压平均值接近期望值，可以进行无差别对待，即该子模块无需进行充放电过程，因此将其列为N₃组。

4.根据权利要求3所述的一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

①若k相上桥臂处于放电状态且下桥臂处于充电状态则将优先级设置为上桥臂N₁组子模块>N₃组子模块>N₂组子模块，下桥臂N₂组子模块>N₃组子模块>N₁组子模块，其中，k＝A，B，C，具体工作过程为：

步骤一：优先投入N₁组内的上桥臂子模块；若N₁组内上桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_pa，则对N₁组内上桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较高的n_pa个子模块；若N₁组上桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_pa，则N₁组内上桥臂子模块电容电压无需排序全部投入；优先投入N₂组内的下桥臂子模块，若N₂组内下桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_na，则对N₂组内下桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较低的n_na个子模块；若N₂组下桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_na，则N₂组内下桥臂子模块电容电压无需排序全部投入，并进入步骤二；

步骤二：若此时上桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的上桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内上桥臂子模块；若N₃组内上桥臂子模块全部投入后，所投入的上桥臂子模块数仍小于n_pa，则N₃组内的上桥臂子模块全部投入；若此时下桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的下桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内下桥臂子模块；若N₃组内下桥臂子模块全部投入后，所投入的下桥臂子模块数仍小于n_na，则N₃组内的下桥臂子模块全部投入，并进入下一步；

步骤三：对N₂组内上桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较高的子模块，直至上桥臂投入的子模块数量等于n_pa，对N₁组内下桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较低的子模块，直至下桥臂投入的子模块数量等于n_na；

②若k相上桥臂处于充电状态且下桥臂处于放电状态则将优先级设置为上桥臂N₂组子模块>N₃组子模块>N₁组子模块，下桥臂N₁组子模块>N₃组子模块>N₂组子模块，具体工作过程为：

步骤一：优先投入N₂组内的上桥臂子模块；若N₂组内上桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_pa，则对N₂组内上桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较低的n_pa个子模块；若N₂组上桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_pa，则N₂组内上桥臂子模块电容电压无需排序全部投入；优先投入N₁组内的下桥臂子模块，若N₁组内下桥臂子模块全部投入后子模块数大于n_na，则对N₁组内下桥臂子模块电容电压进行排序，投入电压较高的n_na个子模块；若N₁组下桥臂子模块全部投入后子模块数小于n_na，则N₁组内下桥臂子模块电容电压无需排序全部投入，并进入步骤二；

步骤二：若此时上桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的上桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内上桥臂子模块；若N₃组内上桥臂子模块全部投入后，所投入的上桥臂子模块数仍小于n_pa，则N₃组内的上桥臂子模块全部投入；若此时下桥臂还需投入的子模块数小于N₃组内的下桥臂子模块数量，则直接投入所需数量的N₃组内下桥臂子模块；若N₃组内下桥臂子模块全部投入后，所投入的下桥臂子模块数仍小于n_na，则N₃组内的下桥臂子模块全部投入，并进入下一步；

步骤三：对N₁组内上桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较低的子模块，直至上桥臂投入的子模块数量等于n_pa，对N₂组内下桥臂子模块电容电压进行排序，优先投入电容电压较高的子模块，直至下桥臂投入的子模块数量等于n_na；

③根据以上步骤确定需投入和切除的具体子模块后，通过相控电路产生所对应的脉冲信息，经驱动电路之后生成PWM信号，用以控制相应开关器件IGBT的通断。

5.根据权利要求4所述的一种采用模型预测控制的MMC装置子模块电容电压平衡方法，其特征在于，所述上桥臂或下桥臂处于充电状态还是放电状态，根据电压电流方向判断：当系统侧相电压和相电流方向一致时，整个相单元处于充电状态，否则该相单元处于放电状态；对于各相上桥臂、下桥臂来说又可以进行如下划分：

①当系统侧相电流为正时，该相上桥臂处于放电状态，下桥臂子模块处于充电状态；

②当系统侧相电流为负时，该相上桥臂处于充电状态，下桥臂子模块处于放电状态。