【《基于NLM调制的MMC电压平衡优化控制策略》14000字】

基于NLM调制的MMC电压平衡优化控制目录 2 3 41.4本文主要工作 62.MMC拓扑结构、工作原理和建模 7 2.2子模块结构与工作原理 2.5本章小结 3.MMC的调制策略 3.1最近电平逼近调制 3.1.1最近电平逼近调制的基本原理 3.1.2基于最近电平逼近调制的逆变系统仿真及分析 3.3上下桥臂电压 3.5三相交流侧电压 3.2本章小结 204.NLM调制下的均压策略及仿真分析 4.1双向冒泡排序算法 204.2子模块分组均压排序算法 22 234.3平均值比较法 234.4仿真模型及仿真分析 244.5本章小结 275.结论 28 292NLM)是模块化多电平换流器中最常用的调制方式。在NLM调制中，电压平衡策之后简单介绍了MMC的工作原理：通过投入和切除子模块来保持直流侧电压稳其次本文对MMC的调制中，选取了最常见的NLM调制方式。讲述了NLM法以及平均值比较法三种均压策略在降低调制中的算法复杂度以及开关频率的效关键词模块化多电平变换器，最近电平逼近，电压平衡策略1.1课题研究背景及其意义的电力需求加剧了能源问题的恶化，对风能和太阳能等清洁能源发电技术的不断广泛且分散，远离电力用户的特征。基于电压源转换器的高压直流输电系统 器的电压水平和功率容量的要求也增加了。在这些应用高压和大功率转换器的场不能满足电力系统的发展要求。在1980年代初期，日本学者提出了多电平转换器法以及混合排序法等。电容电压排序的优化控制是为了减少电容电压排序对控制输电工程的单个桥臂子模块数量就更加庞大。尽管本文尚未完全挖掘这一部分的排序算法的切换次数和时间复杂度增加了一倍，增加了MMC控制器的负担。所在MMC控制系统中，子模块电容电压均衡控制策略是关键技术与难点之一，目前有关的研究也较为广泛。现有文献中采取的方法可分为实时采集子模块电容电压排序与应用载波移相调制技术两大类传统均压算法，但载波移相调制技术不模块化多电平变换器是由德国学者R.Marquatr和A.Lesnicar首先提出的。在4以改变各相桥臂中子模块的数量，然后对每个子模块的输出进行叠加，得到期望的波形。在获得期望波形的过程中，MMC与其他两电平或多电平逆变器的不同之处在于，它采用阶梯波的方式代替脉冲宽度调制的方法来逼近正弦波。一般来说MMC的子模块有两种拓扑结构，一种是半桥子模块，还有一种是全桥子模块。实际工程应用中，由于板桥子模块的控制相对方便，并且所需要的开关器件的数量比较少，所以MMC中的子模块一般选用半桥子模块(罗毅和、唐昱泽、现如今MMC受到广泛的应用也因为它还有其他优点。(1)制作难度相对较低，所以行业门槛也变低，可以让更多的厂家制造；(2)损耗明显减少。在理想的工作条件下，开关器件只需要在一个工频周期内工作两次。当采用电压均衡等控制策略后，开关管的开关频率一般情况下不会超过300HZ,而传统的多电平或者两电平拓扑开关频率通常在1kHz以上(张成栋、(3)阶跃电压降低。这明显体现出特征由于单相MMC是由数以百计子模块组成的，所有的子模块通过串联来分担直流母线侧电压，所以单个子模块上的电压(4)输出波形质量好。由于MMC应用在至少几千伏的高压场合，并且单个桥臂使用了大量的子模块，输出的阶梯波非常接近正弦波，波形质量非常高。通过实际仿真实验测量出的输出谐波量可以满足设计要求，因此通常不需要附加交直流滤波器。(5)较强的故障处理能力。MMC设计时可以留下一些冗余的子模块，当功能正常的子模块出现故障而替代。即使没有冗余子模块也可以绕过故障子模块以保持系统运行。MMC系统中，能量分布并存储在每个桥臂子模块的电容中，由于需要输出多个电平，各桥臂各子模块充放电条件不同，从而会造成电容电压不平衡的问题。因此，电压平衡控制是MMC的主要研究方向之一。新能源发电的效率，发电质量等性能是变流器工作性能的具体体现，这也是当代学者的主要的研究方向与话题。在其中能看出对变流器输出电能质量产生影响的因素有很多，变流器的调制策略就很大程度影响着电能输出质量。调制策略多种多样，现在学术界与工业界常用的是脉冲宽度调制策略，最近电平逼近调制策略(崔子聪、徐佳豪、杨润泽，2023)。电力电载波层叠调制策略，这两种调制策略都是基于载波比较的思想，而最近电平逼近策略则是以阶梯波的形式使输出电平逼近调制波，所以电平数越多，波形质量越好。高压场合下，模块化多电平变换器在控制和容错方面的优点十分突出，所以MMC的调制及控制策略都已称为工业场合的研究热点(谢凌峰、董冠宇、孙睿东，2023)。针对子模块电容电压不平衡的问题，现有的解决方法主要有分布式和统一两大类。分布式是通过桥臂各个子模块都是独立闭环调节以实现能量平衡，文献[1]的方法过于复杂，他是为所有桥臂和子模块的电容电压建立多个PI控制器和电容电压做PI控制模块，根据各个子模块的实际情况判断是吸收有功功率还是负的，有功功率的电流方向是判断的重要依据(王子豪、宋晨昊、林俊浩程度上彰显了尽管该方法的控制精度非常高，当水平的数量非常大，闭环控制器的数目和调制模块的数量也将相应增加，这对硬件的需求将变有大量的计算，而且对控制器的负担也非常严重。此项发现与葛飞合教授的研究成果相吻合，在设计和最终分析中均表现出一致性。研究初期采用了结构化的方法论，保证了从构思到执行的每个阶段都有理有据。本研究也注重理论体系的建立，这不仅为具体的设计决策提供了坚实的学术基础，还加深了对变量间复杂关联的理解。此外，项目强调多学科协作的重要性，通过融合不同领域的知识提升了方案的全面性和创新性，使团队能够迅速应对新挑战并适时调整研究方向。第二种方法是统一电容电压控制方法，即对单个桥臂的所有子模块进行统一控制。文献[2]是一种基于单桥臂子模块电容电压瞬时值排序均压的思想，将电压排序后，根据当前时刻的桥臂电流方向有选择地投入和切除，如果在实际运作时电容电压存在波动或传感器误差，会使实验结果不再十分理想，此外这种电压均衡方法文献[3]采用了冒泡法，利用冒泡原理简化了电容电压排序过程，但该方法在电平数较多时排序计算量大，功率开关管的开关频率较高。文献[4]提出了一种改进快速排序的电容电压均衡方法，能够以更少的计算量达到和传统排序算法相同的电压均衡效果，但该算法在1/n!概率下的计算量和传统方法相同。文献[5]提出了一种新的快速电容电压均衡控制策略，这在一定意义上揭示了该策略基于电容电压平均值比较原理，无需对电容电压进行排序，减少了开关器件的开关频率以及文献[6]采用的是改进快速排序，能够以更少的计算量达到和传统方法相同的平衡6在高压大功率电能转换的应用领域中，这在某种程度上反映出开关损耗和输程中缺乏可靠的反馈调节和控制，或系统受到外部干扰(王柏林、刘凯文、郑智明，2023)。另外，如何平衡电容电压控制效果与变频器开关频率之间的矛盾也是亟待解1.4本文主要工作本文将最近电平逼近调制(NearestLevelModulation,NLM)下的多电平第二章主要分析了MMC的拓扑结构和工作原理以及MMC的仿真模型。具体第三章主要介绍了MMC的以最近电平逼近为主的调制策略。通过最近电平调制原理图具体介绍了最近电平逼近调制的基本原理，并且如何通过最近电平逼近法实现对MMC的调制。最后具体分析了2.MMC拓扑结构、工作原理和建模2.1模块化多电平变换器拓扑结构MMC的基本拓扑结构如下图2.1所示，它由三个相单元组成，每个相单元由两个桥臂组成。桥臂结构相同，由N个子模块和一个桥臂电抗器串联而成。各子0图2.1MMC的拓扑结构电感等电器元件。每相都存在上下桥臂，具体结构如图2.2所示8由图可知，上桥臂为正电压，下桥臂为负电压，二者共同输出交流侧电压。半桥结构的子模块的拓扑如图2.3所示，主要元件包括两个二极管VD1和VD2,两个开关器件VT1和VT2,这在某种程度上凸显了以及一个支撑电容，电流电压的参考方向符号与图中一致，由图可知，MMC桥臂的各个子模块是通过A和B两个端口接入至桥臂中，支撑电容是否接入到桥臂单元中支撑母线电压由IGBT的不同开关状态决定。而VD1和VD2可以在相应IGBT关断时保障模块的续流，从而结论的稳健性和公信力，本文首先广泛收集并仔细审查了国内外相关领域的经典及最新文献，以此搭建了一个坚实的研究基础。这不仅帮助本文确定了研究问题的独特价值，也保证了本文的研究是在充分掌握现有知识的前提下进行的。本文选用了多种来源的第一手和第二手资料，如相关文献、官方统计等，这些资料因其权威性、时效性和代表性而被选用，以确保能从不同视角全面反映研究主题的真实面貌。根据图2.3的分析，子模块可以通过VT1和VT2分为几种不同的开关状态。根据子模块中电流方向的不同，从中不难发现可将三种工作状态划分为6中不同的工作模式，具体如图2.3所示。当VT1和VT2都关闭时，我们称之为“闭锁状态”,当两个开关都关断且电流方向为正时，电流经过VD1给电容充电，VD2不动作，同理，当电流方向为负时，打开VD2,电流通过VD2。此时电容处于旁路状态，分别对应模式1以及模式4,一般情况下，闭锁状态时不允许存在的，这时开关管VT1打开、VT2关断时的状态我们称之为“投入状态”。在这个状态个角度上证明了同理，当电流反向时，因为VT1是导通的容的构思受到了章和宁教授相关主题研究的启发，主要体现在理念导向和方法论研究对象内部结构与操作机制的深入剖析，本文不仅采纳了章教授提出的多维当开关管VT1关闭，VT2处于打开状态时，这种状态的时候，续流二极管VD2将会变成导通状态，电流也会通过二极管，此时子模块中的电容将进入旁路状态。因此，当子模块处于切除状态时，端口电压会变成0。模式1模式2对以上分析进行总结，结果如表2.1所示。“1”表示开关器件或二极管的导通状态，“0”表示开关器件或二极管的关断状态。通过对表2.1具体分析可以得出，对于模块的任何工作状态，整个子模块中只有一个器件是处于导通状态的，所以当MMC系统稳定运行时，从这些数据中显现最多只有一个器件是导通的，其余器件都会关断。由此可以看出，MMC的控制实际上是子模块工作状态选择的结果，不同的选择会产生不同的输出(谭天琪、黄博文、王沛诚，2023)。电流方向说明闭锁10010U电容充电20010U电容充电301000旁路闭锁40001U旁路51000U电容放电600010旁路综上所述，MMC通过子模块的投入和切除实现对系统的控制，而MMC的投入和切除状态与电流方向和电容充放电状态密切相关。与其他的多电平逆变器控对于图2.1所示的MMC电路拓扑，下面将详细说明多电平生成的原理。分析时忽略了桥臂电抗器的作用，这明显体现出特征所以桥臂中的电抗器会出现短接upa+Una=upb+Uab=Upc+Unc=Uac当任意一相中上桥臂的子模块都处于切除状态点移至直流电压的正极。由于需要保持投入数量不变，因此该相位下桥臂的N个子模块均应处于投入状态，以保证该相位能够保持直流侧电压的稳定。因此，当输出投入0到N个模块。投入状态下模块个数的不同可以看作是交流输出点在串种程度上彰显了一般情况下，单个桥臂的中子模块数N为偶数，因此系统的输出以检验其合理性和逻辑严谨性。这一过程不仅验证了研究结论得到现有理论的支(4)电流分布。如图2.1所示，由于MMC的各相单元是完全等效的，因此直流电流Iac将均匀分配在各相单元中，即各相单元中划分的电流来自直流侧，大小为Iac/3。每个相单元中的电抗器是完全相等的。以MMC中的A相为例，交流侧电流iva均匀分配给A相的上桥臂和下桥臂之间，因此流经该相单元上桥臂和下桥臂的下面以一个包含四个子模块的单桥臂的拓扑结构来说明MMC的工作原理多电平生成原理。对于N=4的桥臂来说会产生五电平，所以每相中处于投入状态的子模块数为4。具体生成流程如图2.3所示(徐泽宇、贾宏伟、赵云龙，2023)。图中，实线表示上桥臂电压，虚线表示下桥臂电压，直流侧电压由中间黑色加粗部分实现。要使MMC能够运行，需要满足两个条件：(1)直流源输出电压衡定，才能保证直流侧输出稳定。由图2.4可以看出，直流侧电压稳定的条件是在MMC系统的每个相单元中放入相等数量的子模块，且输入值保持不变。因此，这在一定意义上揭示了需要满足图中粗实线的条件，即(2)交流侧输出电压。通过控制三相上下桥臂的任何一个单位数量的子模块投入与切除来实现MMC交流侧系统的输出调整，实际是通过不同水平的上下桥臂大小，这使得任意一个相位的输出电压都是期望的波形。采用相同方法控制MMC上述两个条件是MMC正常运行所必需的，所以对于如图所示的一个单相5电平MMC拓扑，这在某种程度上反映出在每个调制波周期中通过A-G的不同状态共有8种。直流侧的零点选择在0点。系统正常运行时，桥臂输出的波形对应8个不同时间点的8个不同工作状态。上下桥臂在每个时间段所需投入的子模块数和交流侧输出电压值如下表所示。时间段ABCDEFGH0021012343下桥臂投入的SM数2343210144444444直流侧电压大小UUUUUUUUUdc/2。一般情况下，当MMC系统正常运行时，各相单元在任何时候所需要的子模块数量应满足以下条件(王振宇、刘子睿、张雨泽，2023):稳定运行时，每一个相单元中的任意子模块应当处于平衡状态，电压平均值稳定在Uc上下，因此直流电压和桥臂投入的子模块之间应该满足以下关系式：在MMC系统中，生成的N+1个电平分别为：(N/2)Ue、(N/2-1)Ue、(N/2-2)Ue、…、0、…、-(N/2-2)Ue、-(N/2-1)Ue、-(N/2)Uc。因此，当单桥臂子模块的数量逐渐增加时，这在某种程度上标明系统交流侧输出电平的数量也会随之增加。当电平数增加时，交流侧的波形将更接近调制波(高永涛、李俊琦、刘瑾这种双重角度不仅增强了对研究对象内部机制的理解，也为解决实际问题提出了一个瞬时时刻A相上桥臂需要投入子模块的个数为npa,下桥臂需要投入子模块的由上式可知，MMC稳定运行时总投入N个子模块，其余的子模块是出状态。直流侧电压靠投入的各个子模块电压维持，关系为本章首先分析了MMC的的拓扑结构，具体包括了子模块数量使得波形接近调制波。然后研究分析了MMC的仿真模型。3.1最近电平逼近调制HarmonicElimination,MSHE)和电压逼近调制。其中，多电平谐波消除调制适用为了更好地解释MMC中最近电平逼近法的原理，暂时不考虑桥臂中电抗器的影响，即电抗器短路。参见图2.1,我们使用u*xj(t)表示任意时间在任意点vj (j=a,b,c)处调制波的瞬时值。单个桥臂子模块的数量为N,并且使用最近策略将使MMC的单相输出电压与调制信0u由此可以得知在任意时刻下桥臂应该处于投入状态的子模块数量为上桥臂投入的子模块数量为式中，round(x)表示去与x最接近的整数。受子模块数量的限制，存在0,nnj≤npj≤N。当最近电平逼近调制策略在正常工作区域中工作时，从这些互动中理解计算得出的上下桥臂所需的子模块数量应满足约束条件。当实际计算的数量超过边界值时，只能使用可以投资的最大数量。因此，当调制信号持续增加时，由于单相输出电平数最大值为固定值，因此该策略不能满足实际输出和调制信号之间的差满足±Uc/2条件不能满足，从这些数据中显现最近电平逼近策略在过调制间隔中起作用(李思颖，王心怡，2023)。这一发现与本文最初的预期相吻合，表明了研究方向的准确性。首先，这种一致性证明了本文在研究规划阶段设定的目标和假设是基于坚实的基础。通过详尽地审视相关理论文献并综合分析现有研究成果，本文的预设建立在合理且有据可查的基础上，最终结果与预期一致，进一步验证了研究的有效性。该结果的一致性也证实了本文所选用的研究方法和工具是恰当且有效的。在研究过程中，本文严格遵守学术标准，运用多种验证方法确保结论的可靠性。在实际工程应用的背景下，控制器采用的离散步长，因此控制器必须根据每个控制周期Tctrl更新开关信号。因此，在下一个控制周期中，该相的上桥臂和下桥波形。根据式(3.3)和(3.4),当子模块的数量N为奇数时，需要在上下桥臂中传统的电容电压平衡法首先对各个子模块的电容电压值进行监测，然后采用块。采用传统的冒泡排序方法时，一种包含n个子模块的桥臂所需排序时间(蔡亦所以本文的主要研究就是如何通过不同的电压平衡策略使得NLM调制得到优化:即特。:即特。-图3.2最近电平逼近调制的逆变系统仿真3.3上下桥臂电压图3.4为传统冒泡排序策略时，单相交流侧电压的波形图。由图可见通过NLM调制，交图3.4单相交流侧电压下图3.5为三相的交流侧电压波形图3.5三相交流侧电压下图3.6为普通冒泡排序时的触发脉冲图下图3.7则是冒泡排序法时，单相上桥臂的上子模块电容电压图本章主要介绍了以NLM调制策略为主的MMC调制策略，通过NLM调制原理图理解NLM调制的实现方式。然后对NLM调制的逆变系统仿真并且作出了相合了前人关于该主题的研究成果，深化了研究的层次。首先，通过对现有文献中的核心理论和实证数据进行综合分析，构建了一个更加系统和全面的框架，意在为该领域提供新的视角和方法指导。其次，为了保证研究的有效性和可靠性，不仅验证了先前的理论假设，还进一步探讨了较少被关注的研究空白。在采用NLM调制方法之后，这在某种程度上彰显了换流器控制层最终将应放入每个桥臂的子模块数量的指令Non发送到阀基控制层。子模块的投入和切除由子模块的电压均衡控制算法确定。采用NLM调制策略的MMC都需要对电容器电压冒泡排序算法在最佳情况下的比较次数C和移动次数M分别为：因此，冒泡排序算法最佳情况下时间复杂度为0(n)。因此，冒泡排序法在最坏情况下的时间复杂度为0(n²),平均时间复杂度为0 (n²)同理，双向冒泡排序的平均时间复杂度为0(n²)。排序数据较少时，双向并且上桥臂和下桥臂中的每个都有N个子模块，并且电平数为N+1。电容电压进行冒泡排序，则最多需要2N-1次。如果在某个排序过程中没有发生元素交换，则可以尽早终止排序过程，因此气泡排序通常不需要进行2N-1次排序就度是0(n)。用于顺序排序的改进的气泡排序的时间复杂度为0(n);反向排序的时间复杂度为O(n²),因此改进气泡排序的平均时间复杂度为0(n²)。因此，使用改进的起泡方法对电容器电压进行分类，从而大大减少了排序时间和系统运算量。图4.1双向冒泡算法原理图如果Non为0则直接切除所有子模块；这在某种程度上凸显了如果Non不为0,则需要再判断Non是否为n,如果为n,则意味系统需要投入所有子模块，若果不为n,则通过判断经过子模块电容的电流方向，若通过子模块电容电流方向为正，则现电压平衡(李书豪，王子明，2023)。N=mYNN图4.2双向冒泡排序决策流程图在对收集的MMC子模块电容器电压进行分类的过程中，如果将几个子模块子模块进行分组是最好的分组方法。在分组中仍然使用冒泡法排序法，组之间的平衡得到改善。按质因子分组后排序的时间复杂度为(张天宇，陈雅玲，2023):文献[8]中将子模块直接分为用于分组排序的在每个排序过程中最多进行N-1次比较。其应用条件是：MMC模型采用戴因为排序算法需要在排序之前对导通组和关断组中子模块的电容器电压顺序以严电容电压的平均值和各个子模块分组电容电压的平均值，PI环节用于动态分配每策制定及未来的研究方向产生积极影响。文献[10]成功地将桶排序理论应用于MMC排序均压。该文根据实际的电压大小(从小到大)将N个子模块分为几组，分组排序算法可以有效地降低排序复杂度，子模块的电容电压具有非常好的一致性，与传统的排序算法有着基本无差别的排序效果，不会影响MMC系统特4.3平均值比较法平均值比较策略是计算初始化完成后已放入的子模块的电容电压的平均值，Nref表示控制器发送的投入子模块的数量；Nold是上一个控制周期中投入子模块的数量；Ue-ave是投入子模块电容器电压的平均值。通过平均值比较的方法，有效地切换了MMC系统初始化后的下一个周期的子模块，以减少子模块的频繁切换，从而降低了MMC的故障率(陈思源，黄文婷，2023)。投入n个子模块的电容器电压的平均值的计算如公式(4.2)所示。已投入的子模块数；Uc-ave为已投入的子模块电容电压平均值。Y图4.3投入子模块电容电压平均值比较均衡控制如上图4.3所示平均值比较法，是通过先由控制器发出需要投入子模块数量N的指令，在其中能看出以及输入上一周期子模块电容电压值Uc和子模块电容电压平均值Ue-ave,在比较本次需要投入的数量与上一次需要投入的数量进行比较，如果本次需要投入的子模块数量更大，则投入电容电压值比Uc-ave高的子模块，数量为两次需投入的子模块数量差，反之，则投入电容电压值比Ue-ave低的子模块，数量也是两次需投入的子模块数量差(何子璇，龚海涛，2023)。这在某种程度上彰显了此方式避免了复杂的排序过程，但是由于判断投入的子模块电容电压值只与平均值相比较，所以会造成电压平衡效果较排序法效果较差，但是优势在于十分简便的计首先是关于双向冒泡排序算法的m文件：functiony=doublebubble_sort(x)fori=1:1:(x_len-1)——i首相为1,公差为1,末相为输入数据数量-1首相为1,公差为1,末相为输入数据量-1if(x(right)<x(right-1))-—从后向前相邻两项比较[x(right),x(right-1)]=swap(x(right),x(right-1));—一换项if(x(left)>x(left+1))——从前向后相邻两项比较function[a,b]=swap(x,y)-—两项交换的实现定义以上m文件是实现双向升序冒泡排序的，如若要实现降序排序，则将文件中的<>调换位置即可实现降序排序。为探究双向冒泡排序与普通冒泡排序在计算时间复杂度上的效果有何不同，这在一定意义上揭示了本文选择50、100、200、300、350、400六种排序元素个数，进行测试。测试结果如下图所示图4.4冒泡法与双向冒泡排序法的比较分析下图4.5为双向冒泡法的触发脉冲图4.5向冒泡法的触发脉冲图4.6向冒泡法的单相子模块电容电压降低其计算复杂度，但是这个降低效果只有在需要排序的数据量较大时才有更好三种方法为平均值比较法，通过平均值比较的方法对MMC系关损耗。本文主要研究了NLM调制下MMC的电压平衡策略的对比，通过在(1)双向冒泡排序算法中，通过编写m文件实现了对数据的双向冒泡排序，双向冒泡排序与传统的冒泡排序法相比在进行的调换次数和排序时间有着愈发明(2)子模块分组排序算法中，通过编写m文件实现将得到的数据进行分组排(3)平均值比较法中，通过编写m文件实现了对子模块电容电压值与子模块电容电压平均值的比较方式。但是由于投入的子模块是通过与平均值比较大小得[1]HagiwaraM.ControlandExperimentofPulsewidth-ModulaElectron.2009,24.[2]RohnerS,BernetS,HillerM,[3]林哲宏、赵文辉、宋承志.基于冒泡原理的模块化多电平换流器快速电压[4]高宇彬、刘子腾、周晓峰，等.一种快速的模块化多电平换流器电压均衡控制策略[J].中国电机工程学报，2023,35(4):929