适用于现场可编程门阵列的MMC电容电压平衡控制方法_常非
MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略研究
MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略研究近年来，随着电力系统的发展，MMC型柔性直流输电换流器逐渐得到广泛应用。
然而，在实际运行中，由于电容电压的不平衡，可能会导致换流器的性能下降和系统的不稳定。
因此，研究MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略具有重要意义。
首先，需要了解MMC型柔性直流输电换流器的结构和工作原理。
MMC型换流器由多个子模块组成，每个子模块包含一个电容和一个可控开关。
这些子模块通过串联或并联连接在一起，形成整个换流器。
在工作时，通过调整开关的状态，可以控制电流流向，实现直流和交流之间的转换。
然而，由于电容的存在，换流器中的电容电压往往会发生不平衡。
这可能是由于电容参数的不一致，或者是由于负载的不平衡引起的。
电容电压的不平衡会导致电流的不均匀分布，从而影响换流器的性能和系统的稳定性。
为了解决这个问题，研究人员提出了一种基于电容电压平衡控制策略的方法。
具体而言，该方法分为两个步骤：首先，通过测量电容电压的大小和方向，确定电容电压的不平衡程度；然后，根据不平衡程度，通过调整开关状态来平衡电容电压。
在实际应用中，可以使用PID控制器来实现电容电压的平衡控制。
PID控制器根据电容电压的误差信号，调整开关状态，使电容电压趋于平衡。
此外，还可以结合模糊控制、神经网络等方法，提高电容电压平衡控制的精度和鲁棒性。
通过以上的研究，可以发现MMC型柔性直流输电换流器电容电压平衡控制策略对于提高换流器性能和系统稳定性具有重要意义。
进一步的研究可以探索更加精确和鲁棒的控制方法，以应对电容电压不平衡带来的挑战。
希望这项研究能为MMC型柔性直流输电换流器的应用和发展提供参考。
MMC子模块电容电压平衡控制及环流抑制策略
2018年8月MMC 子模块电容电压平衡控制及环流抑制策略张瀚超1，王敬2，夏杨3，黄嘉凯4（1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007；2.华能新能源股份有限公司上海分公司，上海200123；3.国网南通供电公司，江苏南通226001；4.江苏华江建设集团有限公司，江苏扬州225200）【摘要】模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converters ，MMC ）的环流是指在公共直流母线正负极之间或者不同相桥臂之间循环流动的电流，会造成MMC 整相桥臂输出电压之和不等于直流侧电压，从而在环流中引起大量谐波。
为了消除谐波且实现无误差控制，选取PIR 控制器对环流交流量进行控制，将三相环流变换至dq 坐标系下，再与该坐标系下各轴环流分量参考值进行比较，经过PIR 调解器进行控制，再进行反变换，回到三相静止坐标系，输出MMC 阀侧k 相电压参考值，从而抑制环流。
【中图分类号】TM761.12【文献标识码】A 【文章编号】1006-4222（2018）08-0154-02引言模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converters ,MMC )的环流是指在公共直流母线正负极之间或者不同相桥臂之间循环流动的电流,当桥臂电流流经子模块时,子模块电容电压会出现脉动。
该脉动现象,会造成MMC 整相桥臂输出电压之和不等于直流侧电压,从而在环流中引起大量谐波,这些谐波会带来电流容量增加、开关损耗增加等问题,严重影响MMC 的使用寿命,所以必须对其进行抑制。
1MMC 拓扑结构三相MMC 系统典型的拓扑结构如图1所示,共有三个桥臂,每个桥臂又可以分为上、下两个半桥,而每个半桥都是由子模块和桥臂电感串联构成。
系统中各桥臂所需的子模块个数,是由系统的额定功率、所需的电压等级,以及开关器件耐压等级、通流能力决定。
2子模块电容电压平衡控制策略2.1电容电压平衡原理电气应力分析如图2所示,按照图中标注的电流和电压方向,以A 相为例进行分析。
MMC电容电压均衡控制策略
MMC电容电压均衡控制策略江浪;宋平岗;李云丰;段程亭【摘要】Capacitor voltage balancing is the premise for modular multi-level converter’s normal operation, which is a fundamental issue for all control algorithms. This paper describes the basic operating principles of modular multilevel converter and researches carrier phase shift in the modular multi-level application. To suppress the ca-pacitor voltage imbalance, the paper designs the capacitor voltage balancing controller, building a simulation mod-el in the MATLAB/Simulink. The results indicate that the designed controller can stabilize the capacitor voltage well.%电容电压的平衡是模块化多电平换流器正常运行的前提，是所有控制算法必须考虑的基本问题。
介绍模块化多电平换流器的基本运行原理，研究了载波移相在模块化多电平中的应用。
为抑制电容电压的不平衡，设计了电容电压均衡控制器，最后在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型，仿真结果表明设计的控制器能较好地稳定电容电压。
【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】6页(P99-104)【关键词】模块化多电平换流器;高压直流输电;载波移相;均衡控制【作者】江浪;宋平岗;李云丰;段程亭【作者单位】华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌，330013;华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌，330013;华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌，330013;华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌，330013【正文语种】中文【中图分类】TM4642002 年，德国慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquart和A.Lesnicar首次提出了模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）[1-2]，模块化多电平换流器是新一代高压直流输电技术中性能最为优越的一种拓扑结构，在学术界和工程界都引起了很大重视，目前已经处于飞速发展时期。
MMC的子模块电容电压平衡控制
ZJU
ZJU
接收来自换流 器控制层的桥 臂子模块投入 数目指令Non
是
iarm>0
否
在所有N个SM中， 投入Non个电压最 低的SM
在所有N个SM中， 投入Non个电压最 高的SM
“完全排序法”的性能展示（1）
ZJU
采用单端400kV、400 MW测试系统和同样的工作点（有 功功率350 MW和无功功率100 Mvar），桥臂子模块数目
ZJU
1
触发脉冲
krank 1.01
fsw,ave 371 Hz
0
1.00
1.01
1.02
1.03
1.04
时间(s)
1
触发脉冲
krank 1.04
0 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04
fsw,ave 125 Hz
时间(s)
“保持因子法”的性能展示（2）
ZJU
22.0 21.5 21.0
ZJU
22.0
=6.8% =0.80%
从图中可以看出，a相上桥臂 20个子模块的电容电压基本上 是一致的，其离散度很小；且 各子模块电容电压出现较大偏 差的时刻都不在电容电压峰值
21.5
21.0
子模块电容电压(kV)
20.5 20.0 19.5 19.0 18.5 18.0 1.00
附近，即电容电压之间的偏差
ZJU
“保持因子法”的具体实现方法
ZJU
接收来自换流 器控制层的桥 臂子模块投入 数目指令 Non
是
ia arrm m>0
否
切除
分组动态自调整的MMC电容电压平衡策略及其在船舶中压直流系统的应用
分组动态自调整的MMC电容电压平衡策略及其在船舶中压直流系统的应用作者：赵燃郭燚赵怡波来源：《上海海事大学学报》2020年第02期摘要：为解决传统基于排序法的模块化多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）电容电压平衡策略计算时间长、子模块分配效率低等问题，研究一种分组动态自调整的MMC电容电压平衡策略。
根据各组子模块电容电压波动范围以及电流方向，该策略能实时向各组分配不同数量的子模块，且能显著地降低由排序带来的计算量。
经仿真验证，对比子模块不分组或平均分组的情形，所研究的策略既能快速运行，又能保持组间和组内子模块电容电压的稳定，能进一步提升船舶中压直流（medium voltage direct current， MVDC）系统的整体效率。
关键词：电容电压平衡策略; 模块化多电平变换器（MMC）; 分组动态自调整; 中压直流（MVDC）中图分类号： U665.12 文献标志码： AGroup dynamic self-tuning MMC capacitor voltage balancingstrategy and its application in ship MVDC systemZHAO Ran， GUO Yi， ZHAO Yibo（Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306，China）Abstract： To overcome long calculation time， low allocation efficiency of sub-modules and other problems for the classical sorting-based MMC （modular multilevel converter） capacitor voltage balancing strategy， a group dynamic self-tuning MMC capacitor voltage balancing strategy is studied. According to the voltage flucturate range and current direction of sub-module capacitors in each group， this strategy can assign different number of sub-modules to each group in real time，and significantly reduces the amount of computation caused by sorting. It is proved by simulations that： compared with non-grouping or average grouping situations for sub-modules， the studied strategy is of not only rapid operation but also the stability of the capacitor voltage of sub-modules among groups and in a group， which can further improve the overall efficiency of the ship medium voltage direct current （MVDC） system.Key words： capacitor voltage balancing strategy; modular multilevel converter （MMC）; group dynamic self-tuning; medium voltage direct current （MVDC）0 引言船舶中壓直流（medium voltage direct current，MVDC）系统具有功率密度高、占用空间小等优点，解决了中压交流系统无功功率损耗、电网谐波干扰、影响船舶电网稳定性运行等问题。
采用基数排序算法的MMC优化均压策略
采用基数排序算法的MMC优化均压策略荣飞;徐业事;黄守道;李幸【摘要】为了减少模块化多电平变流器MMC在子模块过多时均压控制的排序运算量,同时降低子模块的开关频率,提出了一种采用基数排序算法的MMC优化均压策略.首先分析基数排序算法的原理,指出了在桥臂子模块很多时,将基数排序运用于MMC的均压控制,可以减少排序运算量;其次,根据子模块电容电压的波动允许空间和基数排序算法原理提出了一种优化均压策略,该策略通过减少基数排序中"收集"和"分配"的次数,能进一步减少排序运算量,同时也有效避免了因子模块电容电压发生微小的变化而引起的不必要的开关动作,减少开关频率.仿真分析和实验结果验证了所提出优化均压策略的可行性和高效性.%To reduce the sorting computation load of voltage balancing control for modular multilevel converters (MMCs)with excessive number of sub-modules and the switching frequency of the sub-modules,an optimized voltage balancing strategy is proposed for MMC based on radix sort algorithm.Firstly,the principle of radix sort algorithm is an-alyzed,and it is pointed out that when there are excessive sub-modules,using radix sort for the voltage balancing con-trol of MMC can reduce the sorting computation load.Secondly,according to the allowable fluctuation range of sub-mod-ules'capacitor voltage and the principle of radix sort algorithm,an optimized voltage balancing strategy is proposed, which can not only reduce the sorting computation by reducing the numbers of"collection"and"distribution"in the sort-ing process,but also can avoid the unnecessary switching operations resulting from the small changes in sub-modules' capacitor voltage and thus reduce the switchingfrequency.Simulation and experimental results verified the feasibility and higher efficiency of the proposed optimized voltage balancing strategy.【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》【年(卷),期】2018(030)003【总页数】8页(P42-49)【关键词】模块化多电平换流器;均压控制;基数排序算法;开关频率【作者】荣飞;徐业事;黄守道;李幸【作者单位】湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心,长沙410082;湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心,长沙410082;湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心,长沙410082;湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TM721模块化多电平变流器MMC（modular multilevel converter）已经成为柔性直流输电领域最为主流的电压源换流器VSC（voltage source converter）拓扑[1-2]。
模块化多电平换流器的电容电压平衡方法
模块化多电平换流器的电容电压平衡方法薛畅;申科;纪延超;江滨浩【摘要】为解决模块化多电平换流器(MMC)在采用载波移相调制时的电容电压平衡问题,提出一种基于载波交换的平衡方法.该方法位于调制层,不改变子模块的调制波,既不影响输出电压波形,也不会产生额外的开关损耗.首先详述了MMC的拓扑结构、工作原理以及调制方式;分析了开关状态交换时可能会出现的4种情况,分别是存在上升沿时桥臂电流大于0或小于0和存在下降沿时桥臂电流大于0或小于0;给出了具体的电容电压平衡方法及流程图.实验结果表明,所提方法可快速有效地将桥臂的电容电压集中在参考值附近,且各路电压之间无大幅波动,具有很好的平衡效果.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2014(034)007【总页数】5页(P27-31)【关键词】模块化多电平换流器;载波移相调制;电容电压平衡;调制层;载波交换;电压控制;换流器【作者】薛畅;申科;纪延超;江滨浩【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言近年来，多电平技术已逐步取代多重化技术和串联开关技术，成为柔性输电工程的首选[1-2]。
由Marquardt R于2001年提出的模块化多电平换流器MMC （Modular Multilevel Converter）是多电平技术的一大飞跃[3-11]，由于其子模块为半桥式斩波电路，故亦被称为半桥式级联换流器。
MMC独特的模块化结构和可扩展性使其可有效实现高电压等级下的电能变换。
与链式逆变器不同，MMC不仅适用于无功补偿领域，由于具有公共直流侧，更加适用于背靠背和轻型直流输电系统[8-11]。
自从MMC被提出后，子模块电容电压的平衡问题一直是研究热点。
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ABSTRACT: The modular multilevel converter (MMC) is widely applied in HVDC power transmission projects. In allusion to the capacitor voltage balance problem in MMC and from the prospective to engineering application, a capacitor voltage balance control algorithm suitable to field programmable gate array (FPGA) is proposed. Adopting dynamic grouping sorting, the proposed algorithm can reduce the calculation burden of sorting effectively and accelerate the sorting; meanwhile, the proposed algorithm follows the principle of avoiding unnecessary switch actions, thus both switching frequency of the valve and the switching loss can be decreased. Finally, utilizing RT-LAB real-time simulation system, an MMC-HVDC transmission system based hardware-in-the-loop simulation platform for the hardware of a two terminal wind farm grid-connection system is constructed, and the feasibility of the proposed algorithm is validated, and under steady-state and transient operating conditions the control effect of MMC-HVDC transmission system based wind farm grid-connection system is verified.
RT-LAB 特别适合含有大量电力电子器件及大 量 I/O 的输电系统控制保护装备验证，在柔性直流 输电领域，RT-LAB OP7000 仿真器基于 V6 FPGA， 仿真步长 250 ns，适于 MMC-HVDC 输电的实时仿 真。本文基于 RT-LAB 实时仿真系统构建了一个基 于 MMC-HVDC 的双端海上风电场并网系统的硬件 在环半实物仿真平台，在该平台下验证了适用于 FPGA 的电容电压均衡算法的可行性和有效性，同 时在稳态和暂态工况下，验证了文中基于 MMCHVDC 的风电场并网系统的控制效果。
正常运行状态下，三相将平均分配此电流。
3）桥臂环流分量。
此电流分量是只在三相桥臂之间流动的环流
分量，既不会流入到交流电网中，也不会流入到直
流线路中。此电流是由呈现正序或负序的三相桥臂
针对 MMC 的电容电压均衡问题，文献[2]通过 引入子模块间最大电压偏差量，有效避免了因排序 算法导致的同一绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)不必要的反复投切现象， 可降低器件开关频率，但该电压偏差值在实际工程 中比较难以选择。文献[3]将平衡控制的重点放在电 容电压越限的子模块上，对电容电压未越限的子模 块，通过引入保持因子使其具有一定的保持原来投 切状态的能力，以降低器件的开关频率。但文献[3] 中引入的保持因子也需要在实际工程中进行反复 测试，由此会带来一定的工作量。
ii(i=a,b,c)为系统交流侧电流；uip(i=a,b,c)为上桥臂电
压；uin(i=a,b,c)为下桥臂电压；iip(i=a,b,c)为上桥臂
电流；iin(i=a,b,c)为下桥臂电流；Idc 为直流电流。
Idc isp
uap
ubp
ucp
usa
ia ia 2
usb ia
ib
usc2icUd源自1 MMC 的工作原理分析
常非 1，杨晓峰 1，贾海林 2，罗雨 3，操丰梅 2，许树楷 3
（1．北京交通大学 电气工程学院，北京市 海淀区 100044； 2．北京四方继保自动化股份有限公司，北京市 海淀区 100085；
3．南方电网科学研究院，广东省 广州市 510080）
A Capacitor Voltage Balance Control Algorithm for Modular Multilevel Converter Suitable to
关键词：高压直流输电；模块化多电平换流器；电容电压； RT-LAB
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.05.012
0 引言
与传统的两电平、三电平电压源型高压直流
(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)输电相比，基于模块化多电平 换流器的高压直流(modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC)输电 采用子模块串联的方式构造换流阀，避免了大量绝 缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor， IGBT)直接串联带来的静、动态均压难题以及电磁干 扰等问题，降低了对器件一致性的要求。同时，特殊 的调制方式决定了其可以在较低的开关频率 (150~300 Hz)下获得很高的等效开关频率，随着电 平数的升高，输出波形接近正弦，可以省去交流滤 波器[1]。因此，MMC-HVDC 输电近几年在国内外 得到了非常广泛的应用和发展。以国内为例，南方 电网于 2013 年 12 月投运的南澳三端 MMC-HVDC 输电工程，直流电压±160 kV，输送额定功率
第 39 卷 第 5 期 2015 年 5 月
文章编号：1000-3673（2015）05-1246-08
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 39 No. 5 May 2015
学科代码：470·4051
适用于现场可编程门阵列的 MMC 电容电压平衡控制方法
文献[4-6]分别提出了分组排序的思想，但均基 于固定分组。本文从实际工程角度出发，提出一种 适用于现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)的电容电压动态分组方法。该算 法采用动态分组排序，可有效降低排序的运算量和 提高排序速度；同时又遵循了避免不必要的开关动作 的原则，可降低器件的开关频率和减小开关损耗。
R. Marquardt 于 2001 年提出[7]。MMC 的模块拓扑 结构，以及由模块构成的三相 MMC 结构如图 1 所 示。如图 1(a)所示，MMC 的基本单元是一个半桥 变流单元。与链式换流器结构类似，多组变流单元 被级联在一起构成一个变流桥臂，6 组级联变流桥 臂组合在一起构成三相换流器，如图 1(b)所示。 图 1 中：uc 为子模块电容电压；usm 和 ism 分别为单 个子模块的输出电压和电流；ui (i=a,b,c)为系统交流 侧电压；Ud 为直流侧电压；L 为桥臂电抗。
KEY WORDS: HVDC transmission; MMC; capacitor voltage; RT-LAB
摘要：模块化多电平换流器(modular multilevel converter， MMC)在 HVDC 输电中得到了广泛的应用，文中针对 MMC 存在的电容电压均衡问题，从工程角度出发，提出了一种适 用于现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array， FPGA)的电容电压均衡控制算法。该算法采用动态分组排
如图 2 所示，流经换流器桥臂的电流主要包括：
1）电网电流分量。
此电流分量是与电网之间交互的交流电流分
量，主要是基波电流分量，也有一定的谐波电流分
量(由脉冲调制环节所产生)。在正常运行状态下，
每相的上下桥臂将平均分配此电流。
2）直流电流分量。
此电流分量是直流线路电流流入三相桥臂产
生的分量。此电流将贯穿流过各相的上下桥臂，在
ism usm
C0 uc
uuubac
Ud
图 1 MMC 结构 Fig. 1 Structure of MMC
1.2 MMC 桥臂电流分量及其通路分析
图 2 为 MMC 桥臂电流各分量及其通路的示意
图。由于换流器每相桥臂可通过子模块的投切控制
桥臂输出电压，故每相桥臂均可等效为一个受控电
压源[7]。图 2 中：usi(i=a,b,c)为系统交流侧电压；
Field Programmable Gate Array
CHANG Fei1, YANG Xiaofeng1, JIA Hailin2, LUO Yu3, CAO Fengmei2, XU Shukai3
(1. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Haidian District, Beijing 100044, China; 2. Beijing Sifang Automation Co. Ltd., Haidian District, Beijing 100085, China;