MMC電壓平衡策略的算法優(yōu)化與性能評(píng)估目錄 21.1課題研究背景及其意義 2 3 41.4本文主要工作 62.MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和建模 8 82.2子模塊結(jié)構(gòu)與工作原理 9 2.5本章小結(jié) 3.MMC的調(diào)制策略 3.1最近電平逼近調(diào)制 3.1.1最近電平逼近調(diào)制的基本原理 3.1.2基于最近電平逼近調(diào)制的逆變系統(tǒng)仿真及分析 203.5三相交流側(cè)電壓 203.2本章小結(jié) 214.NLM調(diào)制下的均壓策略及仿真分析 4.1雙向冒泡排序算法 214.2子模塊分組均壓排序算法 24 244.3平均值比較法 4.4仿真模型及仿真分析 264.5本章小結(jié) 5.結(jié)論 隨著柔性直流輸電技術(shù)的不斷普及，模塊化多電平換流器(Modularmultilevelconverter,MMC)也逐漸流行起來(lái)，而最近電平逼近調(diào)制(NearestLevelModulation,2NLM)是模塊化多電平換流器中最常用的調(diào)制方式。在NLM調(diào)制中，電壓平衡策其次本文對(duì)MMC的調(diào)制中，選取了最常見(jiàn)的NLM調(diào)制方式。講述了NLM法以及平均值比較法三種均壓策略在降低調(diào)制中的算法復(fù)雜度以及開(kāi)關(guān)頻率的效關(guān)鍵詞模塊化多電平變換器，最近電平逼近，電壓平衡策略1.1課題研究背景及其意義的電力需求加劇了能源問(wèn)題的惡化，對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔能源發(fā)電技術(shù)的不斷廣泛且分散，遠(yuǎn)離電力用戶的特征。基于電壓源轉(zhuǎn)換器的高壓直流輸電系統(tǒng) 器的電壓水平和功率容量的要求也增加了。在這些應(yīng)用高壓和大功率轉(zhuǎn)換器的場(chǎng)合，功率器件需要在改進(jìn)系統(tǒng)的同時(shí)滿足電壓水平和功率容量(趙云龍，陳文滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展要求。在1980年代初期，日本學(xué)者提出了多電平轉(zhuǎn)換器的概法以及混合排序法等。電容電壓排序的優(yōu)化控制是為了減少電容電壓排序?qū)刂茢?shù)和時(shí)間復(fù)雜度增加了一倍，增加了MMC控制器的負(fù)擔(dān)。所以，研究關(guān)于MMC的電壓平衡策略可以有效降低排序算法中切換次數(shù)和時(shí)間復(fù)雜度(付佳茜，黃澤和，2021)。在MMC控制系統(tǒng)中，子模塊電容電壓均衡控制策略是關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)之一，目前有關(guān)的研究也較為廣泛。現(xiàn)有文獻(xiàn)中采取的方法可分為實(shí)時(shí)采集子模塊電容電壓排序與應(yīng)用載波移相調(diào)制技術(shù)兩大類傳統(tǒng)均壓算法，但載波移相調(diào)制技術(shù)不4器件的數(shù)量比較少，所以MMC中的子模塊一般選用半橋子模塊(周嘉欣，黃成，2021)。(1)制作難度相對(duì)較低，所以行業(yè)門檻也變低，可以讓更多的廠家制造；(2)損耗明顯減少。在理想的工作條件下，開(kāi)關(guān)器件只需要在一個(gè)工頻周期依向，2020)。(3)階躍電壓降低。在這等環(huán)境下由于單相MMC是由數(shù)以百計(jì)子模塊組成(4)輸出波形質(zhì)量好。由于MMC應(yīng)用在至少幾千伏的高壓場(chǎng)合，并且單個(gè)實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的輸出諧波量可以滿足設(shè)計(jì)要求，因此通常不需要附加交直能正常的子模塊出現(xiàn)故障而替代。即使沒(méi)有冗余子模塊也可以繞過(guò)故障子模塊以1.3模塊化多電平變換器電壓平衡研究現(xiàn)狀此，電壓平衡控制是MMC的主要研究方向之代學(xué)者的主要的研究方向與話題。在這等場(chǎng)景中對(duì)變流器輸出電能質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素有很多，變流器的調(diào)制策略就很大程度影響著電能輸出質(zhì)量。調(diào)制策略多種多樣，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界常用的是脈沖寬度調(diào)制策略，最近電平逼近調(diào)制策略影響。在PWM調(diào)制策略中，有分為多種調(diào)制策略，如載波移相調(diào)制策略，載波層疊調(diào)制策略，這兩種調(diào)制策略都是基于載波比較的思想，而最近電平逼近策略則是以階梯波的形式使輸出電平逼近調(diào)制波，所以電平數(shù)越多，波形質(zhì)量越好。高壓場(chǎng)合下，模塊化多電平變換器在控制和容錯(cuò)方面的優(yōu)點(diǎn)十分突出，所以MMC的調(diào)制針對(duì)子模塊電容電壓不平衡的問(wèn)題，現(xiàn)有的解決方法主要有分布式和統(tǒng)一兩大類。分布式是通過(guò)橋臂各個(gè)子模塊都是獨(dú)立閉環(huán)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)能量平衡，文獻(xiàn)[1]的方法過(guò)于復(fù)雜，他是為所有橋臂和子模塊的電容電壓建立多個(gè)PI控制器和電容電壓做PI控制模塊，根據(jù)各個(gè)子模塊的實(shí)際情況判斷是吸收有功功率還是負(fù)的，有功功率的電流方向是判斷的重要依據(jù)(成珊珊，吳凱茜，201盡管該方法的控制精度非常高，當(dāng)水平的數(shù)量非常大，閉環(huán)控制器的數(shù)目和調(diào)制模而且對(duì)控制器的負(fù)擔(dān)也非常嚴(yán)重。以上部分的創(chuàng)新之處主要在于視角的創(chuàng)新。首先體現(xiàn)在對(duì)研究對(duì)象的全新審視。以往研究大多關(guān)注對(duì)象的常見(jiàn)特征與普遍聯(lián)系，本文則另辟蹊徑，深入挖掘研究對(duì)象那些被冷落的邊緣屬性和潛在聯(lián)系。在研究方法的選用上呈現(xiàn)出獨(dú)特視角。打破單一研究方法的桎梏，創(chuàng)新性地融合多學(xué)科研究方法。此外，在理論運(yùn)用方面，嘗試從不同理論體系中獲取養(yǎng)分，搭建綜合性的理論分析框架。通過(guò)這種方式，既能發(fā)現(xiàn)以往研究未曾觸及的理論空白區(qū)域，又能為相關(guān)領(lǐng)域的理論發(fā)展注入新的活力，拓展理論研究的邊界，為后續(xù)研究提供更廣闊的第二種方法是統(tǒng)一電容電壓控制方法，即對(duì)單個(gè)橋臂的所有子模塊進(jìn)行統(tǒng)一控制。文獻(xiàn)[2]是一種基于單橋臂子模塊電容電壓瞬時(shí)值排序均壓的思想，將電壓排序后，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的橋臂電流方向有選擇地投入和切除，如果在實(shí)際運(yùn)作時(shí)電容電壓存在波動(dòng)或傳感器誤差，會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不再十分理想，此外這種電壓均衡方法文獻(xiàn)[3]采用了冒泡法，利用冒泡原理簡(jiǎn)化了電容電壓排序過(guò)程，但該方法在電平數(shù)較多時(shí)排序計(jì)算量大，功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率較高。文獻(xiàn)[4]提出了一種改進(jìn)快速排序的電容電壓均衡方法，能夠以更少的計(jì)算量達(dá)到和傳統(tǒng)排序算法相同的電壓均衡效果，但該算法在1/n!概率下的計(jì)算量和傳統(tǒng)方法相同。文獻(xiàn)[5]提出了一種新的快速電容電壓均衡控制策略，在這樣的情境之下該策略基于電容電壓6平均值比較原理，無(wú)需對(duì)電容電壓進(jìn)行排序，減少了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率以及換流用的是改進(jìn)快速排序，能夠以更少的計(jì)算量達(dá)到和傳統(tǒng)方法相同的平衡效果，該方法雖然減少了計(jì)算量但開(kāi)關(guān)頻率較高，MMC子模塊故障率較高。文獻(xiàn)[7]提出的一種基于最近電平逼近調(diào)制的MMC分組控制策略，對(duì)各個(gè)橋臂子模塊進(jìn)行平均分組，在一定程度上減少了控制器的運(yùn)算量，但增加了控制部分的復(fù)雜程度(趙羽航，在高壓大功率電能轉(zhuǎn)換的應(yīng)用領(lǐng)域中，根據(jù)這些表現(xiàn)可以估測(cè)出開(kāi)關(guān)損耗和輸出波形質(zhì)量是研究變換器性能的重要指標(biāo)。因此，以階梯波調(diào)制為代表的基頻調(diào)制策略不斷被提出，開(kāi)關(guān)序列輪換法[20]和開(kāi)關(guān)冗余選擇法是H橋級(jí)聯(lián)變換器中被廣泛接受的電容電壓平衡控制方法在[14]中得出以下結(jié)論：該開(kāi)關(guān)順序旋轉(zhuǎn)方法的開(kāi)關(guān)頻率固定，在這樣的情境里算法簡(jiǎn)單，并且硬件實(shí)現(xiàn)也可以節(jié)省電壓和電流傳感器以及相應(yīng)的檢測(cè)和調(diào)理電路，但它是一種開(kāi)環(huán)控制方法，在暫態(tài)過(guò)程中缺乏可另外，如何平衡電容電壓控制效果與變頻器開(kāi)關(guān)頻率之間的矛盾也是亟待解1.4本文主要工作本文將最近電平逼近調(diào)制(NearestLevelModulation,NLM)下的多電平變換器作為研究的重點(diǎn)，主要研究分析了MMC的電壓平衡策略的多種方案。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第二章主要分析了MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理以及MMC的仿真模型。具體內(nèi)容包括子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理以及三相MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理。然后介紹了Matlab/Simulink中MMC的仿真模型。第三章主要介紹了MMC的以最近電平逼近為主的調(diào)制策略。通過(guò)最近電平調(diào)制原理圖具體介紹了最近電平逼近調(diào)制的基本原理，并且如何通過(guò)最近電平逼近法實(shí)現(xiàn)對(duì)MMC的調(diào)制。最后具體分析了Maltab/Simulink中的NLM的逆變系統(tǒng)第四章主要是對(duì)NLM調(diào)制下的多種均壓策略的對(duì)比分析。分別采取了雙向冒泡排序算法、子模塊分組均壓排序算法、電容電壓設(shè)限均壓排序算法等多種均壓策略在Maltab/Simulink中進(jìn)行仿真并對(duì)比分析其對(duì)電壓平衡的效果以及降低排序時(shí)間復(fù)雜度效果的比較。第五章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)并且給出了后續(xù)研究工作的一些意見(jiàn)和建議。82.1模塊化多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模塊采用半橋式結(jié)構(gòu)，控制簡(jiǎn)單(楊澤萱，余君昊，2023)。圖中的點(diǎn)0表示一個(gè)相元0圖2.1MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)狀態(tài)決定。而VD1和VD2可以在相應(yīng)IGBT關(guān)斷時(shí)保障模塊的續(xù)流，從而達(dá)到保根據(jù)圖2.3的分析，子模塊可以通過(guò)VT1和VT2分為幾種不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。根據(jù)子模塊中電流方向的不同，從這些經(jīng)歷中看出可將三種工作狀態(tài)劃分為6中不同的工作模式，具體如圖2.3所示。當(dāng)VT1和VT2都關(guān)閉時(shí)，我們稱之為“閉不動(dòng)作，同理，當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，打開(kāi)VD2,電流通過(guò)VD2。此時(shí)電容處于旁路狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)模式1以及模式4,一般情況下，閉鎖狀態(tài)時(shí)不允許存在的，這開(kāi)關(guān)管VT1打開(kāi)、VT2關(guān)斷時(shí)的狀態(tài)我們稱之為“投入狀態(tài)”。在這個(gè)狀態(tài)時(shí)VT1無(wú)法接通，因此處于關(guān)斷狀態(tài)，而電容處于充電狀態(tài)。從這些背景中看出當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1關(guān)閉，VT2處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，這種狀態(tài)稱為“切除狀態(tài)”。根方向?yàn)檎龝r(shí)，由于開(kāi)關(guān)管VT2處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)子模塊中的支撐電流被旁路，續(xù)流二極管VD2將會(huì)變成導(dǎo)通狀態(tài)，電流也會(huì)通過(guò)二極管，此時(shí)子模塊中的電容將進(jìn)入旁路狀態(tài)。因此，當(dāng)子模塊處于切除狀態(tài)時(shí)，端口電壓會(huì)變成0。閉鎖狀態(tài)投入狀態(tài)切除狀態(tài)模式1模式4模式2模式5模式3模式6對(duì)以上分析進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果如表2.1所示。“1”表示開(kāi)關(guān)器件或二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，“0”表示開(kāi)關(guān)器件或二極管的關(guān)斷狀態(tài)。通過(guò)對(duì)表2.1具體分析可以得出，對(duì)于模塊的任何工作狀態(tài)，整個(gè)子模塊中只有一個(gè)器件是處于導(dǎo)通狀態(tài)的，所以當(dāng)MMC系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，從中可窺一斑最多只有一個(gè)器件是導(dǎo)通的，其余器件都會(huì)關(guān)斷。由此可以看出，MMC的控制實(shí)際上是子模塊工作狀態(tài)選擇的結(jié)果，不同的選擇會(huì)產(chǎn)生不同的輸出(宋時(shí)飛，陳曼莉，2021)。電流方向說(shuō)明閉鎖10010U電容充電20010U電容充電301000旁路閉鎖40001U旁路51000U電容放電600010旁路綜上所述，MMC通過(guò)子模塊的投入和切除實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，而MMC的投入和切除狀態(tài)與電流方向和電容充放電狀態(tài)密切相關(guān)。與其他的多電平逆變器控2.3模塊化多電平變換器工作原理對(duì)于圖2.1所示的MMC電路拓?fù)洌旅鎸⒃敿?xì)說(shuō)明多電平生成的原理。分析upa+Una=upb+Uab=Upc+unc=Uac子模塊均應(yīng)處于投入狀態(tài)，以保證該相位能夠保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。因此，當(dāng)?shù)臄?shù)量是一個(gè)固定值N,所以交流側(cè)輸出的調(diào)輸出投入0到N個(gè)模塊。投入狀態(tài)下模塊個(gè)數(shù)的不同可以看作是交流輸出點(diǎn)在串下一般情況下，單個(gè)橋臂的中子模塊數(shù)N為偶數(shù)，因此系統(tǒng)的輸出可以包含零電iva均勻分配給A相的上橋臂和下橋臂之間，因此流經(jīng)該相單元上橋臂和下橋臂的下面以一個(gè)包含四個(gè)子模塊的單橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明MMC的工作原理多電平生成原理。對(duì)于N=4的橋臂來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生五電平，所以每相中處于投入狀態(tài)的粗部分實(shí)現(xiàn)。要使MMC能夠運(yùn)行，需要滿足兩個(gè)條件：(1)直流源輸出電壓衡定，才能保證直流側(cè)輸出穩(wěn)定。由圖2.4可以看出，(2)交流側(cè)輸出電壓。通過(guò)控制三相上下橋臂的任何一個(gè)單位數(shù)量的子模塊投入與切除來(lái)實(shí)現(xiàn)MMC交流側(cè)系統(tǒng)的輸出調(diào)整，實(shí)際是通過(guò)不同水平的上下橋臂大小，這使得任意一個(gè)相位的輸出電壓都是期望的波形。采用相同方法控制MMC上述兩個(gè)條件是MMC正常運(yùn)行所必需的，所以對(duì)于如圖所示的一個(gè)單相5電平MMC拓?fù)洌鶕?jù)這些表現(xiàn)可以估測(cè)出在每個(gè)調(diào)制波周期中通過(guò)A-G的不同狀態(tài)共有8種。直流側(cè)的零點(diǎn)選擇在0點(diǎn)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，橋臂輸出的波形對(duì)應(yīng)8個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的8個(gè)不同工作狀態(tài)。上下橋臂在每個(gè)時(shí)間段所需投入的子模塊數(shù)和交流側(cè)輸出電壓值如下表所示。時(shí)間段ABCDEFGH0021012343下橋臂投入的SM數(shù)2343210144444444直流側(cè)電壓大小UUUUUUUUUdc/2。一般情況下，當(dāng)MMC系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各相單元在任何時(shí)候所需要的子穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，每一個(gè)相單元中的任意子模塊應(yīng)當(dāng)處于平衡狀態(tài)，電壓平均值穩(wěn)定在Uc上下，因此直流電壓和橋臂投入的子模塊之間應(yīng)該滿足以下關(guān)系式：在MMC系統(tǒng)中，生成的N+1個(gè)電平分別為：(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，當(dāng)單橋臂子模塊的數(shù)量逐漸增加時(shí)，在這樣的情境里系統(tǒng)交流側(cè)輸出電平的數(shù)量也會(huì)隨之增加。當(dāng)電平數(shù)增加時(shí)，交流側(cè)的波形將更接近調(diào)制波(朱星辰，成進(jìn)一步明確了關(guān)鍵概念在理論體系中的具體地位、發(fā)揮的作用以及相互之間的關(guān)一個(gè)瞬時(shí)時(shí)刻A相上橋臂需要投入子模塊的個(gè)數(shù)為npa,下橋臂需要投入子模塊的本章首先分析了MMC的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體包括了模塊數(shù)量使得波形接近調(diào)制波。然后研究分析了MMC的仿真模型。3.1最近電平逼近調(diào)制多電平階梯波調(diào)制主要有兩種類型：多電平諧波消除調(diào)制(MultilevelSelectiveHarmonicElimination,MSHE)和電壓逼近調(diào)制。其中，多電平諧波消除調(diào)制適用于電平不太多的場(chǎng)合。從這些經(jīng)歷中看出電壓接近調(diào)制包括空間矢量控制(SpaceVectorControl,SVC)和最近電平調(diào)制(NearestLevelModulation,NLM)。其原理是利用最接近電壓矢量或電平瞬時(shí)逼近調(diào)制波，適用于電平較多的場(chǎng)合。當(dāng)電平數(shù)過(guò)大時(shí)，空間矢量控制中的電壓矢量數(shù)過(guò)大，實(shí)現(xiàn)變得復(fù)雜。在這種情況下，最近電3.1.1最近電平逼近調(diào)制的基本原理為了更好地解釋MMC中最近電平逼近法的原理，暫時(shí)不考慮橋臂中電抗器的影響，即電抗器短路。參見(jiàn)圖2.1,我們使用u*xj(t)表示任意時(shí)間在任意點(diǎn)vj (j=a,b,c)處調(diào)制波的瞬時(shí)值。單個(gè)橋臂子模塊的數(shù)量為N,并且使用最近電平逼近調(diào)制策略的時(shí)，N通常為偶數(shù)，因此將出現(xiàn)0電平。Uc代表任何橋臂子模塊的電壓平衡的理論值(徐奇遠(yuǎn)，成雅倩，2023)。調(diào)制算法的原理如圖3.1所示。從圖中可以看出，當(dāng)添加調(diào)制時(shí)，從這些背景中看出當(dāng)信號(hào)的值從0開(kāi)始向正半周期增加時(shí)，該相單元下橋臂中輸入子模塊的數(shù)量應(yīng)增加，而該相單元上橋臂中的輸入子模塊數(shù)量很少。通常，最近電平逼近調(diào)制策略將使MMC的單相輸出電壓與調(diào)制信號(hào)的電壓之間的差保持在±Uc/2的范圍u0由此可以得知在任意時(shí)刻下橋臂應(yīng)該處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)量為上橋臂投入的子模塊數(shù)量為式中，round(x)表示去與x最接近的整數(shù)。受子模塊數(shù)量的限制，存在0,nnj≤npj≤N。當(dāng)最近電平逼近調(diào)制策略在正常工作區(qū)域中工作時(shí)，基于這樣的局面計(jì)算得出的上下橋臂所需的子模塊數(shù)量應(yīng)滿足約束條件。當(dāng)實(shí)際計(jì)算的數(shù)量超過(guò)邊界值時(shí)，只能使用可以投資的最大數(shù)量。因此，當(dāng)調(diào)制信號(hào)持續(xù)增加時(shí)，由于單相輸出電平數(shù)最大值為固定值，因此該策略不能滿足實(shí)際輸出和調(diào)制信號(hào)之間的差滿足±Uc/2條件不能滿足，從中可窺一斑最近電平逼近策略在過(guò)調(diào)制間隔中起作用(郭曉羽，付奇琪，2023)。從研究情況可以看出，本研究極為重視跨學(xué)科的交叉整合，借鑒了多學(xué)科的理論基礎(chǔ)和研究手段，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)研究視角的多元豐富和研究深度的深度提升。這種跨學(xué)科的研究模式，不僅能夠更全面地領(lǐng)會(huì)研究對(duì)象的復(fù)雜特性和多樣面貌，還能夠探尋到單一學(xué)科研究難以揭示的新規(guī)律和新現(xiàn)象。同時(shí)，本研究大力強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，力求將抽象的理論應(yīng)用于具體的實(shí)踐問(wèn)題攻克中，以檢驗(yàn)理論的實(shí)際效能和實(shí)用在實(shí)際工程應(yīng)用的背景下，控制器采用的離散步長(zhǎng)，因此控制器必須根據(jù)每個(gè)控制周期Tctrl更新開(kāi)關(guān)信號(hào)。因此，在下一個(gè)控制周期中，該相的上橋臂和下橋臂應(yīng)處于投入狀態(tài)的模塊數(shù)量應(yīng)為(周澤和，陳夢(mèng)茜，2020):波形。根據(jù)式(3.3)和(3.4),當(dāng)子模塊的數(shù)量N為奇數(shù)時(shí)，需要在上下橋臂中傳統(tǒng)的電容電壓平衡法首先對(duì)各個(gè)子模塊的電容電壓值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后采用所以本文的主要研究就是如何通過(guò)不同的電壓平衡策略使得NLM調(diào)制得到優(yōu)化流側(cè)電源，由6個(gè)子模塊組成的上、下橋臂，實(shí)現(xiàn):即特。:即特。-圖3.2最近電平逼近調(diào)制的逆變系統(tǒng)仿真3.3上下橋臂電壓圖3.4為傳統(tǒng)冒泡排序策略時(shí)，單相交流側(cè)電壓的波形圖。由圖可見(jiàn)通過(guò)NLM調(diào)制，交圖3.4單相交流側(cè)電壓下圖3.5為三相的交流側(cè)電壓波形圖3.5三相交流側(cè)電壓下圖3.6為普通冒泡排序時(shí)的觸發(fā)脈沖圖下圖3.7則是冒泡排序法時(shí)，單相上橋臂的上子模塊電容電壓圖本章主要介紹了以NLM調(diào)制策略為主的MMC調(diào)制策略，通過(guò)NLM調(diào)制原理圖理解NLM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式。然后對(duì)NLM調(diào)制的逆變系統(tǒng)仿真并且作出了相對(duì)的分析(成君煜，陳得怡，2019)。在這一部分的創(chuàng)作中，本文于該主題的研究成果，特別是在思維邏輯和技術(shù)運(yùn)用層面。本文遵循了他對(duì)研究問(wèn)題逐步深入剖析的方法，通過(guò)明確研究目標(biāo)與假設(shè)，構(gòu)建了一個(gè)完善的研究框架。在數(shù)據(jù)收集與分析過(guò)程中，本文結(jié)合了定量與定性的研究方法，力求做到客觀公正，以確保研究結(jié)論的科學(xué)性和可靠性。雖然何其飛教授的研究對(duì)本文有所啟發(fā)，但本文也在研究設(shè)計(jì)中加入了自己的創(chuàng)新，比如采用了多樣化的數(shù)據(jù)收集方法，并在數(shù)據(jù)分析階段深入分析了變量間的復(fù)雜關(guān)系，旨在使研究既有理論價(jià)值，又能指導(dǎo)實(shí)的電壓均衡控制算法確定。采用NLM調(diào)制策略的MMC都需要對(duì)冒泡排序算法在最佳情況下的比較次數(shù)C和移動(dòng)次數(shù)M分別為：因此，冒泡排序算法最佳情況下時(shí)間復(fù)雜度為0(n)。而在最壞情況下C和M分別為因此，冒泡排序法在最壞情況下的時(shí)間復(fù)雜度為0(n2),平均時(shí)間復(fù)雜度為0 (n2)同理，雙向冒泡排序的平均時(shí)間復(fù)雜度為0(n2)。排序數(shù)據(jù)較少時(shí)，雙向單元都有2N個(gè)子模塊，根據(jù)這些表現(xiàn)可以估測(cè)出則需要對(duì)2N個(gè)電容電壓進(jìn)行排序，并且上橋臂和下橋臂中的每個(gè)都有N個(gè)子模塊，并且電平數(shù)為N+1。如果有2N個(gè)電容電壓進(jìn)行冒泡排序，則最多需要2N-1次。如果在某個(gè)排序生元素交換，則可以盡早終止排序過(guò)程，因此氣泡排序通常不需要進(jìn)行2N-1次排境里圖4.1是本文使用的改進(jìn)的冒泡算法的原理圖(殷嘉逸，陸澤妍，2022)。此方法同時(shí)從兩側(cè)對(duì)一組元素進(jìn)行排序，并在每次迭代后更改冒泡的方向。最佳時(shí)間復(fù)雜度是O(n)。用于順序排序的改進(jìn)的氣泡排序的時(shí)間復(fù)雜度為0(n);反向排序的時(shí)間復(fù)雜度為O(n2),因此改進(jìn)氣泡排序的平均時(shí)間復(fù)雜度為0(n2)。因此，使用改進(jìn)的起泡方法對(duì)電容器電壓進(jìn)行分類，從而大大減少了排序時(shí)間和系統(tǒng)運(yùn)其電壓平衡控制過(guò)程如圖4.2所示。首先有控制器發(fā)出需要投入的子模塊個(gè)數(shù)Non,如果Non為0則直接切除所有子模塊；因應(yīng)這局勢(shì)而定如果Non不為0,則需要再判斷Non是否為n,如果為n,則意味系統(tǒng)需要投入所有子模塊，若果不為n,則通過(guò)判斷經(jīng)過(guò)子模塊電容的電流方向，若通過(guò)子模塊電容電流方向?yàn)檎瑒t通過(guò)雙向升序冒泡排序，使子模塊電容電壓較低的優(yōu)先被投入，從這些經(jīng)歷中看出反之，則通過(guò)雙向降序冒泡排序，是子模塊中電容電壓較高的優(yōu)先投入使用。以此方式實(shí)現(xiàn)NmY4.2子模塊分組均壓排序算法在對(duì)收集的MMC子模塊電容器電壓進(jìn)行分類的過(guò)程中，如果將幾個(gè)子模塊子模塊進(jìn)行分組是最好的分組方法。在分組中仍然使用冒泡法排序法，組之間的文獻(xiàn)[8]中將子模塊直接分為用于分組排序的在每個(gè)排序過(guò)程中最多進(jìn)行N-1次比較。其應(yīng)用條件是：MMC模型采用戴為排序算法需要在排序之前對(duì)導(dǎo)通組和關(guān)斷組中子模塊的電容器電壓順序以嚴(yán)格期的結(jié)果一致，這在一定程度上體現(xiàn)了本文研究設(shè)計(jì)的科學(xué)性和理論框架構(gòu)建的獻(xiàn)[10]成功地將桶排序理論應(yīng)用于MMC排序均壓。該文根據(jù)實(shí)際的電壓大小(從小到大)將N個(gè)子模塊分為幾組，并根據(jù)電壓平衡要求設(shè)置每組的上限和下限電子模塊的數(shù)量。最終根據(jù)當(dāng)前控制周期中投入子模塊的數(shù)量確定是否投入了每個(gè)子模塊。該算法僅需2N個(gè)寄存器即可在FPGA中實(shí)現(xiàn)，非常適合硬件實(shí)現(xiàn)，具有分組排序算法可以有效地降低排序復(fù)雜度，子模塊的電容電壓具有非常好的一致性，與傳統(tǒng)的排序算法有著基本無(wú)差別的排序效果，不會(huì)影響MMC系統(tǒng)特4.3平均值比較法平均值比較策略是計(jì)算初始化完成后已放入的子模塊的電容電壓的平均值，然后在下一個(gè)控制周期開(kāi)始時(shí)，接收由控制器發(fā)出的投入子模塊命有較高電容電壓的子模塊將被優(yōu)先切除；當(dāng)Nref-Nold<0時(shí)，優(yōu)先切除電容電壓較低的子模塊。圖4.3是比較本文提出的子模塊的電容器電壓平均值的策略流程圖。投入n個(gè)子模塊的電容器電壓的平均值的計(jì)算如公式(4.2)所示。控制器發(fā)出投入的控制器發(fā)出投入的SM個(gè)數(shù)指令Ner上一周期子模塊電容電壓值Ue上一周期子模塊電容電壓值平均值UeaveNNr-NoHd>0?Ner-Nold=0投入電容電壓比Ueave低的INar-Nod個(gè)子模塊投入電容電壓比Ueave高的[Nae-Noul個(gè)子模塊保持不變?nèi)缟蠄D4.3所示平均值比較法，是通過(guò)先由控制器發(fā)出需要投入子模塊數(shù)量N的指令，在這等場(chǎng)景中以及輸入上一周期子模塊電容電壓值Uc和子模塊電容電壓平均值U-ave,在比較本次需要投入的數(shù)量與上一次需要投入的數(shù)量進(jìn)行比較，如果本次需要投入的子模塊數(shù)量更大，則投入電容電壓值比Ue-ave高的子模塊，數(shù)量為兩次需投入的子模塊數(shù)量差，反之，則投入電容電壓值比Ue-ave低的子模塊，數(shù)量也是兩次需投入的子模塊數(shù)量差(韋志光，陶夢(mèng)琪，避免了復(fù)雜的排序過(guò)程，但是由于判斷投入的子模塊電容電壓值只與平均值相比較，所以會(huì)造成電壓平衡效果較排序法效果較差，但是優(yōu)勢(shì)在于十分簡(jiǎn)便的計(jì)算。首先是關(guān)于雙向冒泡排序算法的m文件：functiony=doublebubble_sfori=1:1:(x_len-1)—-i首相為1,公差為1,末相為輸入數(shù)據(jù)數(shù)量-1首相為1,公差為1,末相為輸入數(shù)據(jù)量-1if(x(right)<x(right-1))-—從后向前相鄰兩項(xiàng)比較[x(right),x(right-1)]=swap(x(right),x(right-1));—一換項(xiàng)if(x(left)>x(left+1))—一從前向后相鄰兩項(xiàng)比較[x(left),x(left+1)]=swap(x(left),x(left+1))—一換相function[a,b]=swap(x,y)—一以上m文件是實(shí)現(xiàn)雙向升序冒泡排序的，如若要實(shí)現(xiàn)降序排序，則將文件中的<>調(diào)換位置即可實(shí)現(xiàn)降序排序。為探究雙向冒泡排序與普通冒泡排序在計(jì)算時(shí)400六種排序元素個(gè)數(shù)，進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下圖所示下圖4.5為雙向冒泡法的觸發(fā)脈沖下圖4.6為雙向冒泡法的單相子模塊電容電壓本章的主要內(nèi)容是對(duì)NLM調(diào)制下的三種均壓策略進(jìn)行了分析比較，首先是雙向冒泡排序算法，根據(jù)這些表現(xiàn)可以估測(cè)出利用兩側(cè)冒泡排序的方式在有多電平時(shí)，降低其計(jì)算復(fù)雜度，但是這個(gè)降低效果只有在需要排序的數(shù)據(jù)量較大時(shí)才有更好的體現(xiàn)。然后是子模塊分組排序法，分組排序算法可以有效地降低排序復(fù)雜度，但是沒(méi)有降低器件的開(kāi)關(guān)頻率，無(wú)法避免子模塊的頻繁投切。在這樣的情境里第三種方法為平均值比較法，通過(guò)平均值比較的方法對(duì)MMC系統(tǒng)初始化之后的下一周期子模塊的投切更加直接有效，降低子模塊的頻繁投切，進(jìn)而降低MMC的故障關(guān)損耗。本文主要研究了NLM調(diào)制下MMC的電壓平衡策略的對(duì)比，通過(guò)在(1)雙向冒泡排序算法中，通過(guò)編寫m文件實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的雙向冒泡排序，雙向冒泡排序與傳統(tǒng)的冒泡排序法相比在進(jìn)行的調(diào)換次數(shù)和排序時(shí)間有著愈發(fā)明(2)子模塊分組排序算法中，通過(guò)編寫m文件實(shí)現(xiàn)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組排(3)平均值比較法中，通過(guò)編寫m文件實(shí)現(xiàn)了對(duì)子模塊電容電壓值與子模塊電容電壓平均值的比較方式。但是由于投入的子模塊是通過(guò)與平均值比較大小得[1]HagiwaraM.ControlandExperimentofPulsewidth-ModulatedMoMultilevelConverters[J].I(林昊天，丁依向，2020)Trans.onPowerElectron.2009,24.[2]RohnerS,BernetS,HillerM,etal.M