基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法
【专利摘要】本发明提供一种基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，利用模块化多电平换流器调制技术，通过分析理想情况下最近电平调制的电容电压规律，优化归并排序算法，优化后的归并排序时间复杂度进一步降低，实际排序的执行时间减至最小，排序效率非常高，且不会受子模块数目限制。此外，结合直接插入排序方法，提供了非理想情况的修正优化归并算法，修正优化算法能够保证排序的正确性，均压效果好，且额外时间开销较小。
【专利说明】
基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法。
【背景技术】
[0002]基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)能独立控制有功和无功功率，可以工作在无源逆变状态，发展前景广阔。然而，在高压大功率应用中，传统两电平和三电平VSC带来的开关器件耐压问题难以解决。如图1所示的新型模块化多电平变换器拓扑(modular multilevel converter，MMC)能够有效提高电平数，减小谐波含量，降低开关频率，而且具有方便模块化设计和级联较高电压等级等优点，具有广泛用途。MMC常用的调制方式可以分为阶梯波调制技术和脉冲宽度调制技术，其中最近电平调制(nearest levelmodulat1n，NLM)作为阶梯波调制的一种，具有谐波含量少、开关频率低和输出特性好等优点，适用于高电平数换流器。
[0003]文献《新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略》(中国电机工程学报，丁冠军，丁明，汤广福等，2009)采用NLM技术，先对电容电压排序，再根据桥臂电流方向选择投入电压最高或者最低的若干模块，使总体电压平衡。该方法容易实现，被广泛采用，称为传统方法。然而，当子模块数目成百上千时，传统方法的排序计算量呈指数倍增加，给控制技术和硬件设计带来困难，增加了实际工程的实施难度，提高了工程成本。除此之外，现有的排序算法没有结合MMC的控制特点，只是将数学上不同的排序算法应用在均压控制中。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，利用MMC调制技术优化归并排序算法，使运算量大大减少，且不会受子模块数目限制，并提出了非理想情况的修正优化归并算法。
[0005]为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
[0006]基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组;再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态;最后根据充电或放电状态对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。
[0007]进一步，在理想情况下，即所有子模块的电容参数相同的情况下，应用优化归并排序方法对电容电压进行排序，即:首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组;再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态;最后根据充电或放电状态对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。(如图2所示)
[0008]进一步，在非理想情况下，即假设所有子模块的电容参数不相同的情况下，应用修正优化归并排序方法对电容电压进行排序，即:首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组;再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态；再根据充电或放电状态对投入组和切除组分别采用指针升序或指针降序的直接插入排序；最后对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。
[0009]总结本发明基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法的优势如下:
[0010]I)与传统冒泡排序相比，归并排序明显地减小了实际执行时间，提高了排序效率，时间复杂度降低了一个数量级。
[0011]2)在理想情况下，根据最近电平调制中子模块电容电压规律，优化后的归并排序时间复杂度进一步降低，实际排序的执行时间减至最小，排序效率非常高。
[0012]3)非理想情况下，优化归并排序能起到均衡直流电压的效果，但一致性不够理想；修正优化算法能够保证排序的正确性，均压效果好，且额外时间开销较小，速度仍远高于归并排序。
[0013]利用MMC调制技术，通过分析理想情况下最近电平调制的电容电压规律，优化归并排序算法，使运算量大大减少，且不会受子模块数目限制，并提出了非理想情况的修正优化归并算法。
【附图说明】
[0014]图1为模块化多电平换流器拓扑
[0015]图2为采用优化归并排序的均压方法
[0016]图3为采用修正优化归并排序的均压方法
[0017]图4为指针升序的2路归并流程图
[0018]图5为指针降序的2路归并流程图
[0019]图6为限制步数的直接插入排序(指针升序)流程
[0020]图7为限制步数的直接插入排序(指针降序)流程
[0021]图8为归并排序、优化归并及修正算法的执行时间
[0022]图9为7个子模块电容电压在At内的变化
[0023]图1O为非理想参数的7个子模块电容电压在Δt内的变化
【具体实施方式】
[0024]下面将对本公开参照附图进行进一步说明。特别声明，以下的描述本质上只是起到了宏观解释和实例说明的作用，绝不对本公开及其应用或使用进行任何限制。除非另外特别说明，否则，在实施例中阐述的部件和步骤的相对布置以及数字表达式和数值并不限制本公开的范围。另外，本领域技术人员已知的技术、方法和装置可能不被详细讨论，但在适当的情况下意在成为说明书的一部分。
[0025]基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，包括以下步骤:
[0026]首先将η个元素分成各含n/2个元素的子序列，再对两个子序列递归排序，最后合并两个已排序的子序列得到最终排序结果;而子序列的长度为I时递归结束，即单个元素视为已有序。
[0027]归并排序的核心思想在于归并已经排好序的子序列，而常用且最简单的归并方式是2路归并，即将两个有序的子序列合并为一个有序的序列，其指针升序的合并算法流程如图4所示，图5所示为指针降序的合并算法流程图。其中，设子数组A[p...q]和A[q+1...r]都已分别排好序(递增)，将其合并为一组有序数列z[P]?P+l]彡…《r]。指针升序即按照序列的索引值由小到大2路归并，指针降序则是索引值由大到小，理想情况下这两种方法的排序结果相同，但非理想情况会导致不同的结果，并影响均压的效果。
[0028]在理想情况下，即假设所有子模块的电容参数相同。设时间Δt内，A相上桥臂有nl个子模块处于投入状态，n2个子模块处于切除状态，且在At内没有改变，此时桥臂电流对已投入的nl个子模块电容同时充电。由于其串联且电容值相同，所以电压变化量相同，因此这nl个电容电压的大小顺序在At内并没有相对改变，而处于切除状态的n2个子模块电容电压保持不变，其相对顺序自然也不变。由此可以看出，将单个桥臂的子模块分为投入和切除两组，这两组组内的电容电压相对顺序在At内是不变的。因此，将依据投入/切除状态和电流方向划分的两组序列进行2路归并，即得到经过At时间后的排序结果。同时，为了得到非理想情况下的最好的均压效果，当桥臂电流给电容充电时，采用指针升序的2路归并算法;而桥臂电流给电容放电时，采用指针降序的2路归并算法。图2所示为采用优化归并排序的均压方法框图。
[0029]在非理想情况下，即实际工程中很难保证所有电容值相同，因此当投入电容的电压接近时，电容值的偏差会导致电压变化量的不同，大小顺序可能会改变。同理，模块损耗及电容放电电阻的不同也可能导致类似情况发生。因此，结合错误是少量并相邻的特点。
[0030]本发明提出以下修正优化归并方法:在2路归并之前，结合上次排序的结果，对投入组和切除组分别采用直接插入排序。该排序的思想是每次将一个数据插入到已有序的序列中并保持新的序列仍然有序，“直接”是指依据序号大小顺序逐一比较，同时，为防止修正算法的时间过长，限制直接插入排序的排序步数，只做部分修正即可。设一组待排序列A[1...Ν]，图6所示为限制步数的直接插入排序(指针升序)流程，图7所示为限制步数的直接插入排序(指针降序)流程。其中，Set为限制步数，能够人为限制排序的次数。类似地，为了在有限的步数中获得最好的修正效果，当桥臂电流给电容充电时，采用指针升序的直接插入排序;而桥臂电流给电容放电时，采用指针降序的直接插入排序。算法图3所示为采用修正优化归并排序的均压方法框图。
[0031]如图8中所示为归并排序、优化归并排序及修正优化归并排序算法的拟合与实测执行时间。
[0032]以下结合具体实施列对本发明进行说明。
[0033]在理想情况下，即假设所有子模块的电容参数相同。图9所示为7个子模块电容电压在At内的变化情况，假设有4个子模块投入，电容电压由小到大的顺序是3—5—4—6，有3个子模块切除，电压的大小顺序是2—1—7。由于△ t内这7个子模块的状态没有变化，所以将其分为投入和切除两组。因为电容参数相同，这两组组内的电容电压分别平行，虽然经过At的时间，整体电压值的排序已经完全改变，但这两组组内的相对顺序没有变化，利用这一特点，结合归并排序能够优化排序算法并进一步减小运算量。
[0034]根据以上分析，如果记录了上一次排序时电容电压的大小顺序，例如图3中tl时刻的排序结果，并记录了投入和切除的子模块数目和电流方向，据此分为两组，则这两组序列在At内都是分别有序的，因此只需要2路归并即可得到t2时刻的排序结果，归并排序中的分解以及多层递归树归并的步骤都可以省去。指针升序和指针降序的2路归并的时间复杂度都只需0(n)，与0(n2)相比降低了两个数量级。在必须遍历整个序列的情况下，理论上已是最快的排序速度。
[0035]在非理想情况下，即假设所有子模块的电容参数不相同。图10所示为电容参数不同时模块电压变化示意图。模块4和5电压十分接近，经过At大小顺序互换，而优化后的2路归并是根据tl时刻的排序结果(5—4)预测t2时刻的相对关系(5—4)，但互换之后预测出现错误(4—5)。其他电压相差较大，因此顺序不变。在此使用修正优化归并排序的均压方法，即在2路归并之前，结合上次排序的结果和电流方向，对投入组和切除组分别采用指针升序或指针降序的直接插入排序。
[0036]其中，优化归并排序时间复杂度是线性0(n)，直接插入近似线性0(n)，所以总的修正优化也近似线性0(n)。相比于传统冒泡排序和未优化归并，运算量仍然显著减小，利用限制步数还能控制修正的时间。
[0037]虽然已示例实施例描述了本公开，但应理解，本公开不限于上述的示例性实施例。对于本领域技术人员显然的是，可以在不背离本公开的范围和精神的条件下修改上述的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
【主权项】
1.基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，其特征在于: 首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组； 再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态； 最后根据充电或放电状态对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。2.根据权利要求1所述的基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，其特征在于:在理想情况下，即所有子模块的电容参数相同的情况下，应用优化归并排序方法对电容电压进行排序，即: 首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组； 再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态； 最后根据充电或放电状态对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。3.根据权利要求1所述的一种基于优化归并排序的模块化多电平换流器电容均压方法，其特征在于:在非理想情况下，即假设所有子模块的电容参数不相同的情况下，应用修正优化归并排序方法对电容电压进行排序，即: 首先根据模块化多电平换流器子模块的投入和切除状态，将子模块电容电压分为投入组和切除组； 再根据子模块前一时刻排序的电容电压大小顺序，以及投入和切除的子模块数目与电流方向，确定电容的充电或放电状态； 再根据充电或放电状态对投入组和切除组分别采用指针升序或指针降序的直接插入排序； 最后对有序的两组进行指针升序或指针降序的2路归并，得到后一时刻的排序结果。
【文档编号】H02M7/219GK105958850SQ201610311275
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】苟锐锋, 涂小刚, 田鸿昌, 赵方舟, 肖国春
【申请人】中国西电电气股份有限公司, 西安交通大学