模块化多电平变流器子模块投切向量分组轮换方法和系统

本发明涉及模块化多电平变流器，尤其涉及一种模块化多电平变流器子模块投切向量分组轮换方法和系统。

背景技术：

1、模块化多电平变流器(modular multilevel converter，mmc)是海上发电、分布式能源系统、电机驱动等多种工程领域中最广泛使用的拓扑结构。针对大规模、多电平mmc系统中电容充放电不均、排序均压算法复杂、子模块开关损耗高等问题，现有研究主要从电路拓扑和控制算法两方面对子模块电容电压平衡策略展开研究。

2、新型电路拓扑结构重点简化电压反馈控制回路，避免实时采样和排序计算，包括钳位二极管、混合型子模块、飞跨连接电容等在内的辅助硬件电路，均可用于子模块电容电压自平衡控制，同时抑制故障直流电流。但钳位元件或能量传递路径等将导致电路成本增加，引起拓扑结构复杂及其他稳定性问题；同时当子模块数量多、开关频率高时，还是可能存在电容充放电不均、系统开关损耗大等问题。

3、改进控制算法主要从排序算法、调制策略、能量分布三个方面进行探究。优化排序算法可以在一定程度上降低计算复杂度，减少子模块控制信号的交互，但仍依赖于子模块电容电压的闭环反馈控制及其实时采样、排序，这在大规模mmc中非常耗时。各类调制策略具有较好的开环稳定性和子模块控制对称性，采用混合调制可充分利用各策略的调制优点，在较大的功率范围内有效实现电容电压自平衡，节省计算时间和传感器成本，但不同的调制策略可能导致子模块能量分布不均，且可能需要额外的控制回路或均压算法。因此，有研究从能量分布角度进行均压研究。该类方法通过设计开关器件的脉冲信号，形成子模块投切控制开关序列，在特定控制周期内均匀触发每个子模块，但其电压自平衡控制缺乏完备的数学理论基础，且当子模块数量较多时，开关状态可能过多，导致系统开关损耗大。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种模块化多电平变流器子模块投切向量分组轮换方法，该方法能够在实现子模块电容电压自平衡的前提下，优化选取子模块投切状态向量，降低子模块投切频率，同时通过加入分组轮换控制，可减少不平衡能量的积累，节省控制回路总成本，并可有效降低子模块电容电压自平衡时间。

2、本发明的第二个目的在于提供一种模块化多电平变流器子模块投切向量分组轮换系统。

3、本发明的第三个目的在于提供一种计算机可读存储介质。

4、本发明的第四个目的在于提供一种电子设备。

5、为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

6、一种模块化多电平变流器子模块投切向量分组轮换方法，包括：

7、确定子模块开关函数，根据所述子模块开关函数建立投切状态矩阵；

8、确定所述投切状态矩阵的满秩约束条件，根据所述满秩约束条件重构所述投切状态矩阵，并从重构的所述投切状态矩阵中优化选取出模块化多电平变流器输出的各电平所对应的投切状态向量；

9、基于优化选取的所述投切状态向量，采用分组轮换策略对所述模块化多电平变流器输出各电平第一次采用的投切状态向量进行分组轮换，以实现子模块电容电压自平衡优化控制。

10、优选的，所述从重构的所述投切状态矩阵中优化选取出模块化多电平变流器输出的各电平所对应的投切状态向量的步骤，包括：

11、对于每一电平对应的原始投切状态子矩阵，从所述原始投切状态子矩阵中选取出若干行投切状态向量，并重复利用若干行所述投切状态向量，构造得到优化选取后的投切状态子矩阵；其中，优化选取后的投切状态子矩阵包括多个优化选取后的投切状态向量，优化选取后的投切状态子矩阵的秩小于原始投切状态子矩阵的秩。

12、优选的，所述投切状态矩阵的满秩约束条件表示如下：

13、

14、的2n-1行投切状态向量互不相同，且

15、其中，表示电平i的原始投切状态子矩阵，rank()表示取秩函数，n表示模块化多电平变流器中单桥臂的子模块个数，i表示模块化多电平变流器输出的第i个电平状态。

16、优选的，优化选取后的投切状态子矩阵的约束条件表示如下：

17、

18、的行数为2n-1，且

19、其中，表示优化选取后的电平i的投切状态子矩阵。

20、优选的，所述基于优化选取的所述投切状态向量，采用分组轮换策略对所述模块化多电平变流器输出各电平第一次采用的投切状态向量进行分组轮换的步骤，包括：

21、将电平i对应优化选取后的投切状态子矩阵中的2n-1个投切状态向量按照前n行和后n-1行划分为两组，分别记为a组和b组；

22、在每个参考电压周期开始时，控制输出电平i第一次采用的投切状态向量在两组间按照a组-b组-a组-b组的顺序进行轮换，实现组间轮换；

23、并在每个参考电压周期开始时，控制输出电平i第一次采用的投切状态向量在本组内进行轮换，实现组内轮换。

24、为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种模块化多电平变流器子模块投切向量分组轮换系统，包括：

25、优化选取模块，用于确定子模块开关函数，根据所述子模块开关函数建立投切状态矩阵，并确定所述投切状态矩阵的满秩约束条件，根据所述满秩约束条件重构所述投切状态矩阵，从重构的所述投切状态矩阵中优化选取出模块化多电平变流器输出的各电平所对应的投切状态向量；

26、分组轮换模块，用于基于优化选取的所述投切状态向量，采用分组轮换策略对所述模块化多电平变流器输出各电平第一次采用的投切状态向量进行分组轮换，以实现子模块电容电压自平衡优化控制。

27、为达到上述目的，本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述所述的模块化多电平变流器子模块投切向量分组轮换方法。

28、为达到上述目的，本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述所述的模块化多电平变流器子模块投切向量分组轮换方法。

29、本发明至少具有以下技术效果：

30、本发明先确定子模块开关函数，根据子模块开关函数建立投切状态矩阵，然后确定投切状态矩阵的满秩约束条件，根据满秩约束条件重构投切状态矩阵，并从重构的投切状态矩阵中优化选取出模块化多电平变流器输出的各电平所对应的投切状态向量，再基于优化选取的投切状态向量，采用分组轮换策略对模块化多电平变流器输出各电平第一次采用的投切状态向量进行分组轮换，从而可实现子模块电容电压自平衡优化控制。本发明子模块电容电压自平衡优化控制不涉及外加辅助电路或新型mmc拓扑结构，且不采用闭环采样的电容电压排序计算，可有效降低计算时间复杂度；并且，本发明在实现子模块电容电压自平衡的前提下，通过优化选取子模块投切状态向量，可降低子模块投切频率，降低系统开关损耗，同时通过加入分组轮换控制，可减少不平衡能量的积累，节省控制回路总成本。

31、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。