[发明专利]基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法。

背景技术

基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)能独立控制有功和无功功率，可以工作在无源逆变状态，发展前景广阔。然而，在高压大功率应用中，传统两电平和三电平VSC带来的开关器件耐压问题难以解决。如图1所示的新型模块化多电平变换器拓扑(modular multilevel converter，MMC)能够有效提高电平数，减小谐波含量，降低开关频率，而且具有方便模块化设计和级联较高电压等级等优点，具有广泛用途。MMC常用的调制方式可以分为阶梯波调制技术和脉冲宽度调制技术，其中最近电平调制(nearest level modulation，NLM)作为阶梯波调制的一种，具有谐波含量少、开关频率低和输出特性好等优点，适用于高电平数换流器。

文献《新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略》(中国电机工程学报，丁冠军，丁明，汤广福等，2009)采用NLM技术，先对电容电压排序，再根据桥臂电流方向选择投入电压最高或者最低的若干模块，使总体电压平衡。该方法容易实现，被广泛采用，称为传统方法。然而，当子模块数目成百上千时，传统方法的排序计算量呈指数倍增加，给控制技术和硬件设计带来困难，增加了实际工程的实施难度，提高了工程成本。除此之外，现有的排序算法没有结合MMC的控制特点，只是将数学上不同的排序算法应用在均压控制中。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，利用MMC调制技术优化归并排序算法，使运算量大大减少，且不会受子模块数目限制，并提出了非理想情况的修正优化归并算法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组；再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态；最后根据充电或放电状态对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。

进一步，在理想情况下，即所有子模块的电容参数相同的情况下，应用优化归并排序方法对电容电压进行排序，即：首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组；再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态；最后根据充电或放电状态对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。(如图2所示)

进一步，在非理想情况下，即假设所有子模块的电容参数不相同的情况下，应用修正优化归并排序方法对电容电压进行排序，即：首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组；再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态；再根据充电或放电状态对投入组和切除组分别采用指针升序或指针降序的直接插入排序；最后对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。

总结本发明基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法的优势如下：

1)与传统冒泡排序相比，归并排序明显地减小了实际执行时间，提高了排序效率，时间复杂度降低了一个数量级。

2)在理想情况下，根据最近电平调制中子模块电容电压规律，优化后的归并排序时间复杂度进一步降低，实际排序的执行时间减至最小，排序效率非常高。

3)非理想情况下，优化归并排序能起到均衡直流电压的效果，但一致性不够理想；修正优化算法能够保证排序的正确性，均压效果好，且额外时间开销较小，速度仍远高于归并排序。

利用MMC调制技术，通过分析理想情况下最近电平调制的电容电压规律，优化归并排序算法，使运算量大大减少，且不会受子模块数目限制，并提出了非理想情况的修正优化归并算法。

附图说明

图1为模块化多电平换流器拓扑

图2为采用优化归并排序的均压方法

图3为采用修正优化归并排序的均压方法

图4为指针升序的2路归并流程图

图5为指针降序的2路归并流程图

图6为限制步数的直接插入排序(指针升序)流程