基于拆分冒泡排序法的模块化多电平换流器电容电压均衡策略

犆犪狆犪犮犻狋狅狉犞狅犾狋犪犵犲犅犪犾犪狀犮犻狀犵犛狋狉犪狋犲犵狔狅犳犕狅犱狌犾犪狉犕狌犾狋犻犾犲狏犲犾犆狅狀狏犲狉狋犲狉犅犪狊犲犱狅狀 犛狆犾犻狋犅狌犫犫犾犲犛狅狉狋犻狀犵犕犲狋犺狅犱
ＰＡＮ Ｗｅｉ，ＺＯＵ Ｈａｉｒｏｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＤｉａｎｊｉＵｎｉｖｅｒｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）
ｎ上
狀下
∑ ∑ 犝ｄｃ ＝
犝ｃ，犻 ＋
犝ｃ，犾
犻＝１
犾＝１
（３）
因为三相单元具有对称性，所以在三个相位单元之间
等分总电流犐ｄｃ， 并 且 每 个 相 位 单 元 中 的 直 流 电 流 是犐ｄｃ／ ３。取ａ相为例，上下桥臂电抗器犔 相等，上下桥臂均分
交流电流，所以ａ相上下桥臂电流为：
犻ｐａ ＝犐３ｄｃ ＋犻ａ／２
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式（２）中，任意时刻每个相单元都要有狀 个子模块投
入，直流侧电压由狀 个子模块的电容电压来平衡，即：
电工技术 理论研究
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０ 引言
模块 化 多 电 平 变 换 器 （ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ， ＭＭＣ）由德国学者 Ｌｅｓｎｉｃａｒ和 Ｍａｒｑｕａｒｄｔ提出。该变换器 拓扑结构简单、可扩展性强，非常适用于高压直流输电系 统 （ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ＨＶＤＣ），近年来成为柔性直流输电领域研究的热点［１２］。 ＭＭＣ在运行时，子模块电容器在不断切除和投入中充放 电，电容电压在这个过程中偏离额定值，使得桥臂电压不 平衡，影响换流器正常的工作［３］，所以需要对电容电压进 行均衡控制。
１ 犕犕犆的拓扑及工作原理
图１ａ）为 ＭＭＣ拓扑结构，ＭＭＣ每相的上臂和下臂组
成一个相单元，上臂和下臂都有狀 个子模块。犝ｐａ、犝ｐｂ和 犝ｐｃ为上桥臂电压，犝狀ａ、犝狀ｂ和犝狀ｃ为下桥臂电压，犝ｄｃ为直 流电压。图１ｂ）为子模块拓扑结构。Ｔ１和 Ｔ２为ＩＧＢＴ，
Ｄ１和 Ｄ２为反并联二极管，Ｃ为直流侧电容器，犝Ｃ为电容 器的电压。
ＭＭＣ的直流侧电压由三相相互并联的相单元来维持
平衡，即：
犝ｐａ＋犝狀ａ ＝犝ｐｂ ＋犝狀ｂ ＝犝ｐｃ＋犝狀ｃ ＝犝ｄｃ
（１）
式（１）中，任意一时刻（ａ相）上桥臂投入的子模块个数
为狀上 ，下桥臂子模块个数为狀下 ，上下桥臂投入的子模块 需要互补，所以上下桥臂子模块数应满足：
狀上 ＋狀下 ＝狀
（２）
７
大量学者对 ＭＭＣ的子模块电容电压均衡问题进行了 研究。文献［４］引 入 了 子 模 块 电 压 偏 差 值， 可 使 得 子 模 块 保持当前工作状态，降低开关次数，但是偏差值的引入会 引起电容器的 电 压 较 大 波 动。 文 献 ［５］提 出 了 保 持 因 子 的 电容器均压方法，对超过电压限定的电容器利用保持因子 进行处理，然后对 子 模 块 重 新 排 序。 文 献 ［６］提 出 了 分 组 的思想，用质因子分解法进行优化分组，提高了系统的运 行效率。文献［７］在文献［６］的基础上进行改进，将希尔排
收稿日期：２０１９０５２１ 作者简介：潘伟（１９９０－），硕士，研究方向为柔性直流输电。
序和质因子分解两种算法相结合，使得系统效率得到有效 提高，但算法相对复杂。
本文研究了一种子模块电容器电压均衡方法，该方法 可降低开关频率，减少计算量。首先设置上限和下限，并 引入保持因子以降低子模块的电容器切换频率，再利用拆 分冒泡法减少排序的计算量。
理论研究 电工技术
基于拆分冒泡排序法的模块化多电平换流器 电容电压均衡策略
潘 伟，邹海荣
（上海电机学院电气学院，上海 ２０１３０６）
摘 要：针对模块化多电平换流器（ＭＭＣ）传统电容电压排序效率低的问题，提出了一种基于冒泡原理的拆分冒泡电 压均衡控制策略，并为降低子模块的开关频率，采用了保持因子的电容电压均衡方法。在 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台搭 建模型进行仿真，结果表明该方法在提高电容均压效率的同时有效地降低了开关频率。 关键词：模块化多电平换流器；冒泡排序；电压均衡；开关频率 中图分类号：ＴＭ４６
（４）
犻狀ａ ＝犐３ｄｃ －犻ａ／２
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅｓｏｒｔｉｎｇｉｎｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＭＭＣ），ａ ｓｐｌｉｔｂｕｂｂｌｅｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｂａｓｅｄｏｎｂｕｂｂｌｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｓｕｂｍｏｄｕｌｅｓ，ｔｈｅｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅｂａｌａｎｃｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｆａｃｔｏｒｉｓａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｂｕｉｌｔｏｎ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗｈｉｌｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：Ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＢｕｂｂｌｅＳｏｒｔ；ｖｏｌｔａｇｅｂａｌａｎｃｉｎｇ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ