李云豐 宋平崗 王 楚 葉滿園

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，南昌 330013）

模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是一種新型的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)的 R. Marquart和A.Lesnicar在2002年首次提出了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且最近幾年成為了高壓直流輸電（High Voltage Direct Current, HVDC）方面研究的熱點(diǎn)之一[1-6]。模塊化多電平換流器是一種新型的高度模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它有著許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，多個(gè)模塊串聯(lián)在一起，很好的解決了兩電平高壓直流輸電系統(tǒng)器件存在的均壓?jiǎn)栴}，模塊與模塊之間具有很好的冗余性，通過(guò)模塊內(nèi)電容電壓的疊加從而得到較好的正弦波形，當(dāng)模塊數(shù)一定高時(shí)，輸出的低次諧波含量很少，而高次諧波僅僅只需要很小的濾波裝置，甚至不用濾波裝置，大大地節(jié)省了場(chǎng)地建設(shè)面積[7-14]。

新型模塊化多電平高壓直流輸電系統(tǒng)中電容的平衡是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件[15]，在平衡電容電壓的同時(shí)降低器件的開關(guān)頻率是各種優(yōu)化方法追求的重要目標(biāo)。本文在致力于平衡模塊電容電壓以及減少器件開關(guān)頻率的基礎(chǔ)上，深入研究了MMC傳統(tǒng)電容電壓排序算法，并在此算法上進(jìn)行了很大的優(yōu)化改進(jìn)，從而提出了最佳電壓選擇法。在電容大小不變的情況下，器件開關(guān)頻率降低將導(dǎo)致電容電壓之間的最大差值大于傳統(tǒng)排序算法下電容電壓的最大差值，而相間環(huán)流幅值的增加程度正比于電容電壓的波動(dòng)的程度，因此降低開關(guān)頻率的同時(shí)相間環(huán)流幅值也隨著增加，最佳電壓選擇法是在上下兩個(gè)橋臂中各自選擇一個(gè)模塊，使其電容電壓的總和以最大的程度接近直流側(cè)電壓。仿真搭建了每相40個(gè)子模塊數(shù)的MMC換流器，結(jié)果表明，本文提出的優(yōu)化算法在電容電壓允許的范圍內(nèi)，器件的平均開關(guān)頻率得到了很大的改善，而環(huán)流的幅值也比只采用開關(guān)頻率優(yōu)化算法有所降低。

1 MMC運(yùn)行原理和控制方法

1.1 MMC運(yùn)行原理

模塊化多電平換流器逆變端的基本結(jié)構(gòu)如圖 1（a）所示[16]，它由三相橋臂構(gòu)成，每相橋臂有兩個(gè)單橋臂以及兩個(gè)電感Ls， 每個(gè)上橋臂和下橋臂都由N個(gè)子模塊（Sub Module, SM）組成。圖1（b）是子模塊的結(jié)構(gòu)圖，它由兩個(gè)開關(guān)功率管各自反向并聯(lián)一個(gè)二極管和儲(chǔ)能電容組成。分析子模塊運(yùn)行特性可知，當(dāng)上開關(guān)管導(dǎo)通下開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，即子模塊投入，模塊輸出電壓為 uC；當(dāng)上開關(guān)管關(guān)斷下開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，即子模塊被切除，子模塊輸出電壓為零[14]。

圖1 MMC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 MMC的控制方法

目前為止，新型模塊化多電平換流器常用的控制方法有載波移相法和電容電壓排序法，基于篇幅，本文重點(diǎn)研究排序算法。以A相為例，MMC傳統(tǒng)電容電壓排序的原理是：實(shí)時(shí)檢測(cè)上下橋臂各個(gè)模塊電容電壓的大小和上下橋臂的電流方向；根據(jù)上下橋臂的電流方向?qū)﹄妷捍笮∵M(jìn)行排序，選擇合適的模塊投入。電流的方向如圖1（a）所示，橋臂電流大于或者等于零時(shí)，電容電壓升序排列，處理器通過(guò)接收來(lái)自調(diào)制器輸出投入子模塊的個(gè)數(shù) Non選擇前面 Non個(gè)電壓低的子模塊投入，其余的模塊則切除；反之橋臂電流小于零時(shí)，電容電壓降序排列，處理器通過(guò)接收來(lái)自調(diào)制器輸出投入子模塊的個(gè)數(shù)Non選擇前面Non個(gè)電壓高的子模塊投入其余的模塊同樣需要被切除。由以上分析可以知道，在很短的時(shí)間內(nèi)，投入的模塊會(huì)隨著橋臂電流的方向進(jìn)行充電或者放電，沒(méi)有投入的模塊電容電壓保持不變，等到下次動(dòng)作時(shí)，沒(méi)有投入的模塊投入的概率比已投入模塊再次投入的概率要大很多，由于電容電壓的微小變化都將會(huì)給排序帶來(lái)很大的變化，導(dǎo)致器件頻繁的開通和關(guān)斷，增加了器件的開關(guān)頻率也就增加了換流器的損耗，降低了MMC運(yùn)行效率[15]。

扯得有點(diǎn)遠(yuǎn)，想說(shuō)的是，學(xué)生像老師乃常規(guī)教育的目的，不管信奉什么理論，即使那些革命口號(hào)喊得最響的，結(jié)果還是得回來(lái)。

調(diào)制器輸出改變投入模塊數(shù)的頻率越大，器件的開關(guān)頻率也就越大，為了降低器件的開關(guān)頻率，選擇合適的調(diào)制算法也非常重要，因此，在本文后面提出的最佳電壓選擇法，調(diào)制器輸出采用最近電平逼近調(diào)制法[19]。傳統(tǒng)的電容電壓排序算法雖然電容電壓平衡性好并且平衡速度快、相間環(huán)流小，但是它的這些優(yōu)點(diǎn)都是以犧牲器件開關(guān)頻率為基礎(chǔ)，因此需要從各個(gè)方面以最大的實(shí)用價(jià)值來(lái)衡量?jī)?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，從而需要尋求一種優(yōu)化方法同時(shí)兼顧這些優(yōu)點(diǎn)和器件的開關(guān)頻率。

2 MMC電容電壓平衡算法

最佳電壓選擇法需要處理器最后在上下橋臂中各自選擇一個(gè)模塊作為最佳組合，當(dāng)上橋臂投入的模塊數(shù)為零和N時(shí)，最佳電壓選擇法將失去意義。圖3為傳統(tǒng)電容電壓排序算法流程圖，處理器通過(guò)接收來(lái)自調(diào)制器輸出的上下橋臂需要投入模塊的數(shù)量以及橋臂電流的方向選擇排序在前面的子模塊投入工作，其余的則被切除，等待下一次調(diào)制器輸出新的命令投入工作。

圖2 MMC控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.1 MMC傳統(tǒng)排序算法

圖2是MMC系統(tǒng)控制的基本結(jié)構(gòu)。MMC每相上下橋臂理論上對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的貢獻(xiàn)率一樣，并且每相在任何時(shí)刻投入的模塊數(shù)維持不變，因此，可以采用最大值為投入模塊數(shù)最小值為零的工頻正弦波作為最近電平逼近的調(diào)制波，調(diào)制器的輸出作為上橋臂投入的模塊數(shù)。電容電壓的平衡控制并不是使電壓的變化追求一致[15]，而是在開關(guān)器件和電容能夠承受的電壓范圍內(nèi)盡可能的減少器件開關(guān)頻率。

圖3 傳統(tǒng)電容電壓排序算法流程圖

2.2 MMC電容電壓優(yōu)化排序算法

器件開關(guān)頻率優(yōu)化算法（為區(qū)分方便，稱之為保持算法）的基本思想是：給定一個(gè)電容電壓的波動(dòng)系數(shù)ε，當(dāng)橋臂電流大于零時(shí)，投入模塊的電容將充電，如果電容電壓偏離平均值的正向波動(dòng)大小是小于給定波動(dòng)系數(shù)ε時(shí)，模塊繼續(xù)保持投入狀態(tài)，否則將被切除；當(dāng)橋臂電流小于零時(shí)，投入模塊的電容將放電，如果電容電壓偏離平均值的負(fù)向波動(dòng)大小是小于ε時(shí)，模塊就繼續(xù)保持投入狀態(tài)，否則就被切除，圖4為此算法的流程圖。保持算法在選擇模塊投入時(shí)模塊并不是頻繁的投入與切除，使得兩個(gè)限流電感兩端電壓除了含有二次諧波電壓之外也含有基波電壓，從而相間環(huán)流除了二倍頻電流之外也含有基波電流。最佳電壓選擇法的提出正是考慮在保持開關(guān)頻率基本不變的情況下，選擇合適的模塊適當(dāng)減少因開關(guān)頻率大大降低引起的環(huán)流增量。

不同電容大小下傳統(tǒng)排序算法器件的平均開關(guān)頻率在 432.0Hz左右，但是采用優(yōu)化排序算法時(shí)不同電容將會(huì)有不同的平均開關(guān)頻率，這說(shuō)明了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳統(tǒng)排序算法器件的開關(guān)頻率與電容的大小無(wú)關(guān)，而優(yōu)化算法因電容的波動(dòng)與電容的大小有關(guān)，因此開關(guān)頻率也就有所不同。MMC實(shí)際運(yùn)行中設(shè)定的給定參考波動(dòng)系數(shù)ε大于電容電壓的最大波動(dòng)對(duì)開關(guān)頻率的降低沒(méi)有多大意義。

圖4 優(yōu)化排序算法選擇流程圖

表1是給定系數(shù)ε與橋臂器件平均開關(guān)頻率的關(guān)系。由于器件的平均開關(guān)頻率較低以及 MMC電容電壓波動(dòng)、排序、選擇的復(fù)雜性，難以推導(dǎo)出器件平均開關(guān)頻率的精確數(shù)學(xué)公式，但可以計(jì)算出采用最近電平逼近方式的排序算法，其器件的極限開關(guān)頻率為25N。

圖5 最佳電壓選擇法控制流程圖

圖6為采用傳統(tǒng)排序算法和優(yōu)化算法時(shí)的電容電壓。圖6（a）中由于器件頻繁開通，子模塊頻繁投入和切除，電容電壓的變化基本上保持一致，電壓差值比較?。唬╞）和（c）中電容C=5mF，給定系數(shù)ε =0和ε =0.05，選擇的最佳模塊電壓在圖中可以明顯的體現(xiàn)出來(lái)，由于給定系數(shù)不同，電容電壓之間的最大差值也逐漸增大，所以器件開關(guān)頻率逐漸降低。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化算法開關(guān)頻率仿真

就有關(guān)研究教師專業(yè)發(fā)展評(píng)價(jià)因素的文獻(xiàn)資料來(lái)看，研究思路和策略大致可歸結(jié)為四種：（1）借鑒國(guó)外已有的成果進(jìn)行詮釋并加以應(yīng)用；（2）基于對(duì)所有層次教師的抽樣調(diào)查；（3）基于對(duì)某個(gè)優(yōu)秀教師群體的抽樣調(diào)查；（4）教師發(fā)展成功案例的個(gè)案分析。鮮有研究者基于大數(shù)據(jù)理念開展相關(guān)研究。

在現(xiàn)代高校教育中，注重大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為教育界的共識(shí)。高校在轉(zhuǎn)變教學(xué)理念的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)踐在教學(xué)中的比重，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，對(duì)于提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，具有重要意義[1-3]。廣東技術(shù)師范學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院根據(jù)制定的人才培養(yǎng)方案，按照復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，為培養(yǎng)電類創(chuàng)新型人才實(shí)施高素質(zhì)教育，在教育的同時(shí)更加專注培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維，不斷研究與探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建設(shè)新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力及綜合素質(zhì)。

圖5為最佳電壓選擇法的流程圖，其原理是：MMC正常運(yùn)行情況下，假設(shè)橋臂電流大于零，投入模塊的電容將充電，電容電壓按升序的方式排列，檢測(cè)上次已經(jīng)投入的模塊的個(gè)數(shù) Non_old，并同時(shí)檢測(cè)這些已投入的模塊電容電壓偏差是否超過(guò)了給定偏差，如果超過(guò)了則切除，不超過(guò)則繼續(xù)保持投入狀態(tài)，檢測(cè)最終保持模塊的個(gè)數(shù)Non_hold。處理器通過(guò)調(diào)制器得到本次動(dòng)作需要投入的個(gè)數(shù)Non_new與上一次投入的個(gè)數(shù) Non_old相比得到兩種情況：①當(dāng)Non_new大于 Non_old，即橋臂需要增加一個(gè)投入的模塊；②當(dāng) Non_new小于 Non_old，即橋臂需要減少一個(gè)投入的模塊。第一種情況下，選擇Non_new-Non_hold-1個(gè)沒(méi)有投入的且排列在前面的子模塊投入工作，至于剩下的一個(gè)需要投入的子模塊則根據(jù)最佳電壓選擇法進(jìn)行選擇之后投入。第二種情況下由于橋臂需要減少一個(gè)投入的模塊，因此還需判斷Non_new是否大于 Non_hold，如果大于則選擇 Non-new-Non_hold-1個(gè)沒(méi)有投入的且排列在前面的子模塊投入工作，如果小于等于則選擇|Non_new-Non_hold-1|個(gè)已經(jīng)投入的且排列在最后面的子模塊進(jìn)行切除，剩下的一個(gè)模塊將在最后進(jìn)行有選擇性的投入。

表1 給定系數(shù)ε與器件平均開關(guān)頻率的關(guān)系

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，信息的獲得途徑更加多樣化，面對(duì)各種思潮的影響，一些大學(xué)生極易受到各種負(fù)面信息影響，“以文化人”“以文育人”的優(yōu)秀校園文化環(huán)境是高校在當(dāng)前形勢(shì)下抵御風(fēng)險(xiǎn)能力的重要手段，建設(shè)和諧的高校校園文化，必須明確正確的政治方向，積極探索有效的方式和方法。

3.2 不同算法仿真波形對(duì)比

結(jié)合同相另一個(gè)橋臂經(jīng)優(yōu)化算法處理后的觸發(fā)脈沖，這時(shí)上下橋臂共有N-2個(gè)子模塊確定要投入工作。最佳電壓選擇法是在上下橋臂中各自選擇一個(gè)沒(méi)有投入的模塊，這兩個(gè)模塊的電壓與前面已經(jīng)確定的N-2個(gè)模塊電壓的總和以最大的程度向直流側(cè)電壓逼近，這兩個(gè)模塊的電壓就是本次動(dòng)作的最佳模塊。顯然，器件的開關(guān)頻率將與給定波動(dòng)系數(shù)ε的大小有關(guān)，ε越大，開關(guān)頻率越小，ε越小，開關(guān)頻率越大。

仿真搭建了基于每相 40個(gè)子模塊的 MMC系統(tǒng)，直流側(cè)電壓Udc=20kV，限流電感Ls=0.01H，系統(tǒng)輸送有功功率P=7MW，無(wú)功功率2.2MW。

圖6 傳統(tǒng)排序算法和優(yōu)化排序算法電容電壓的對(duì)比

圖7 不同算法時(shí)環(huán)流波形

圖7中給出了在ε =0和ε =0.05時(shí)，傳統(tǒng)排序算法、保持算法和最佳電壓選擇法三者之間環(huán)流的波形，可以看出傳統(tǒng)排序算法的環(huán)流只含有二倍頻的分量，而保持算法和最佳電壓選擇不僅含有二倍頻分量，同時(shí)也含有基波分量，這是因?yàn)殚_關(guān)頻率降低，模塊投入與切除變緩，上橋臂投入模塊電壓之和與下橋臂投入模塊電壓之和，兩者相加后基波分量沒(méi)有相互完全抵消，從而在電感兩端產(chǎn)生基波電壓引起環(huán)流中含有基波電流。為進(jìn)一步減少器件開關(guān)頻率和環(huán)流，可以增加電容的大小，但是增加電容的大小不僅會(huì)增加工程的成本，而且也會(huì)增加換流站的場(chǎng)地面積，因此需要從一個(gè)合理的角度選擇電容大小。

果肥汁甜有“秘方”——農(nóng)場(chǎng)的果樹作業(yè)，必須嚴(yán)格依照農(nóng)場(chǎng)特有小氣候及時(shí)完成，定時(shí)調(diào)整花期、錯(cuò)開授粉，開展病蟲害綜合防治、按時(shí)防寒抗凍、防雨水侵害等。另外，果農(nóng)們相信“好水養(yǎng)好果”，果樹用水必須經(jīng)過(guò)過(guò)濾、殺菌，方能施用于果園。

4 結(jié)論

本文深入研究了傳統(tǒng)電容電壓排序算法，在最近電平逼近調(diào)制的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)電容電壓的排序算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提出了最佳電壓選擇法，統(tǒng)計(jì)了不同模塊電容時(shí)A相上下橋臂器件的平均開關(guān)頻率。結(jié)果表明，該方法與傳統(tǒng)排序算法相比，能明顯減少器件的開關(guān)頻率，降低MMC運(yùn)行的損耗，提高M(jìn)MC運(yùn)行的效率。

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