0 引 言

随着我国电网电压等级升高和传输功率大幅提升，两电平和三电平拓扑逐渐暴露出电平数量少、均压性能差以及高投切频率下的开关损耗大等缺陷[1-5]。模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC) 因其优越的整体性能很好地解决了以上问题。MMC的模块化结构具有易拓展性，各桥臂通过大量子模块(sub-module, SM) 级联，不但可避免大量开关器件直接串联，还能增加换流器的输出电平数，改善输出电压谐波问题。此外，模块化多电平高压直流输电系统(high voltage direct current transmission based on modular multilevel converter,MMC-HVDC)具备公共直流端，且能够实现有功及无功功率的解耦控制， 因此十分适用于高压直流输电、大功率输电及新能源并网等场景。2014年，世界首个“五端柔性直流示范工程”——浙江舟山多端柔直正式投运，实现了舟山各岛屿之间的电网互联[6]。

目前，我国电网正处于“强直弱交”过渡期[7-8]，存在直流系统电压与交流电网不匹配的情况，如上述舟山多端柔直工程，其已逐渐发展为弱交直流混联电网。为解决交直流电网不匹配问题，常见的措施是接入变压器，以此升高弱交流侧电压，但与此同时会增加工程成本。另一方面，如果交直流系统直接相连(若变压器只起到匹配电压的作用)，则系统调制比变小，此时子模块不能充分利用，该问题在电平数较大的场合尤为突出，而冗余子模块的设置则更加降低了子模块利用率。文献[9]提出的桥臂子模块级联数量优化方法很好地解决了资源浪费的问题。文献[10]只给出冗余配置范围，具体数量须视实际工程而定。文献[11]建立了多目标函数，就系统可靠性、冗余子模块利用率及其数量问题作了定性分析，并给出具体的实现步骤，为文中的桥臂子模块级联数量优化方案提供理论依据。

最近电平逼近调制(nearest level modulation, NLM)比较适合多电平场合，在N+1电平的系统中通常会使N+M个子模块参与排序及投切(M为冗余子模块数)，并不严格区分出冗余子模块，这将缩短冗余子模块的正常使用周期[12]。对此，文献[12]采用载波移相调制策略，正常运行时旁路冗余子模块，并针对其内部电容放电问题作出改进。文献[13]的电容均压控制方法在电平数较多的场合会占据大量计算资源，且开关器件损耗严重；文献[14]在此基础上引入保持因子，重点控制越限的子模块，有效降低了开关损耗，但未关注子模块排序数量。文献[15]提出一种无需排序的快速均压策略，既能尽量保持子模块原有状态，又可减小损耗，但各子模块之间电压一致性较弱。

本文通过分析MMC-HVDC系统的运行原理，对桥臂子模块总级联数量进行最优配置。为尽量维持冗余子模块电压，基于NLM提出了一种冗余子模块优先充电的电容电压均衡控制策略。该策略不仅可以减少排序数量，尽量避免频繁投切，还能在发生故障时实现子模块快速、平稳替换。

目前，应用型本科旅游类专业在教学过程中存在的弊病有：教师整体技术水平有待提升，教师实际操作能力较低，教师缺乏实际操作的经验，在教学环节偏重理论知识，忽视实际操作等。其中，教师整体技术水平较低是我国教育环节中最为首要的问题。部分专业教师在教学过程中过于偏重理论知识的传授而忽视了实际操作的重要性。对提高学生的实际操作能力而言，这不仅是专业教师个人能力的问题，还需要学校强有力的设备支持。

1 MMC-HVDC系统的基本介绍

1.1 MMC的工作原理

MMC及子模块的拓扑如图1所示，O点为直流侧的零电位参考点[16]；Uac为交流母线电压；Udc为MMC直流侧电压。MMC共有3个由上、下2个桥臂组成的相单元，各桥臂由N个子模块及1个桥臂电抗器L0串联而成。其中，ism为桥臂电流，设图中ism旁箭头方向为电流的正方向；Uc为电容电压；B为旁路开关；T0为旁路晶闸管，用于限制故障电流[17]。

正常运行时，根据上、下2个IGBT的开关触发情况可将子模块分为2种工作状态，即投入与切除状态。结合电流ism流向，每种状态又包含2种工作模式，见表1。其中“1”对应“导通”，“0”对应“关断”。

图1 三相MMC及其子模块的基本拓扑 Fig.1 Basic topology of three phases MMC and its sub-module

表1 子模块的工作模式 Table 1 Working condition of sub-module

在此，定义Sp,i、Sn,i分别为上、下桥臂第i个子模块的开关函数[18]。当子模块处于投入状态时，Sw,i(w=p,n)=1，输出电压为Uc；当子模块处于旁路状态时，Sw,i(w=p,n)=0，输出电压为0。忽略电抗器L0的电压降，各相单元直流电压Udc由上、下桥臂所有处于投入状态的子模块承担，即：

(1)

式中N为各桥臂串联的子模块数量。

1.2 MMC-HVDC系统运行原理分析

在确定电容电压额定值为Uc的前提下，为保持Udc恒定不变，通常将上、下桥臂开关状态之和控制为固定常数K，其与直流侧电压的关系表达式为

(2)

各相上、下桥臂电压可分别等效成一个受控电压源up,j或un,j(j=a,b,c)，则交流侧的输出电压Uv,j(j=a,b,c)可表示为

(3)

目前，大多数MMC系统的桥臂子模块数量都直接根据K值设计，即N=K(不考虑冗余)。但当受端交流电网弱于直流系统时，则子模块不能全部导通。现以两端交流电压等级不同的MMC系统为例进行分析，如图2所示，取a相来说明。

图2 两端交流电压等级不同的MMC-HVDC系统 Fig.2 MMC-HVDC system with different AC voltage level on two sides

假设MMC1侧交流电压Uac1大于MMC2侧交流电压Uac2，且直流电压Udc是根据MMC1侧的交流电压选择的，则MMC1侧电压调制比M1为

(4)

当MMC1侧运行在电压调制比M1=1时，通过式(4)可得Udc的最小值(忽略其他因素的影响)：

(5)

当M1=1时，桥臂的子模块都可参与投切。因交流电压Uac2<Uac1，则由式(4)知MMC2侧调制比始终小于1，所以MMC2桥臂子模块不会全部导通。

2 桥臂子模块级联数量优化方案

结合文献[9，11]对MMC2侧桥臂子模块总级联数量进行优化配置。在应用桥臂子模块最少级联数量优化方法的同时，以减少冗余数量、提高系统可靠性为目标，设置Nm个冗余子模块，其中Nm为优化后的最优冗余子模块数。

相关认知负荷(Germane cognitive load)指：如果认知任务要求较低(带来的内在认知负荷较低)，使得学习者还有充分的认知资源可用，这时他就可以投入额外一些认知资源来促进图式的建构.这种在建构图式时不是必须但投入后又有利于图式建构的认知负荷.教学设计的本质就是把外在认知负荷向相关认知负荷转变.

已知MMC2桥臂子模块最少级联数量为[9]

(6)

传统方法通过排序使子模块间的电压差值减至最小，基本原理为：将N+M个子模块排序，根据ism流向判断充放电情况。当子模块充电时，按照子模块电压由小到大顺序依次导通；当子模块放电时，按照子模块电压有大到小的顺序依次导通[19]。但是，这种模式存在占用大量计算资源及产生较大开关损耗的问题。此外，将M个子模块置于与N个子模块同一投切等级会增加损耗，影响正常使用周期。

第1步，判断冗余子模块是否越限。若UM,i<UM,min(i=0,1,......,m，表示第i个冗余子模块电压)，则将越限子模块排序，从电压小者依次投入。

M=0.1N+(K-N2,min)

(7)

N取值为该系统初始设计数量，即N=K。如果子模块冗余度过高，会造成资源严重浪费。对此，文献[11]建立了多目标优化函数CM。

“你去呀!”苏菲号起来。此刻找个出气简不易，绝望垂死的恶气都能通过它撒出去，“日本人有好吃的，好喝的，还有好睡的!”

(8)

(9)

式中：RMMC为MMC系统可靠性；PM为冗余子模块利用率；TM为子模块数量转换函数；i为某桥臂故障子模块数量；Rbranch代表各桥臂可靠性；Rmin为MMC系统可靠性最低标准；λ为权系数。

为最大限度减少排序数量，并尽量避免其频繁投切，本文在触发方法上也作了简单改进。若在第1次触发控制中，某子模块参与运行，且在第n次触发控制中，该子模块依然处于同一分组内，则保持其触发脉冲不变[14]，具体实例如图4所示。

3 改进电容电压均衡控制策略

3.1 传统控制策略

通常情况应设置0.1N个冗余子模块，则未经优化时的最优冗余子模块数M为

3.2 改进的电容电压均衡控制策略

首先，通过NLM确定需要投入的子模块数量nx，再根据ism方向判断子模块充放电状态。

为减少子模块排序数量，将所有子模块合理分组，再根据子模块数nx进行分组排序。由于各子模块电压在额定值附近波动，平均值能够代表电压变化的一般规律[15]，因此，以N个子模块电压平均值Uc,avg作为分组条件，尽量保证分组的平均性，使得任意时刻参与排序的子模块数量约为N/2。主要流程如图3所示，详述如下。

和一帮北方的小编吃火锅，点火锅底料的时候，如果尾巴儿不叫嚣点九宫格、点特辣，尾巴儿重庆人的身份一定会被众小编质疑。这不，当尾巴儿涮番茄锅的时候，某编非常看不惯，就问我了：“哎，你不是重庆人吗？怎么不吃辣啊？”我急忙解释：“我不能吃辣！”“你一个重庆人居然不能吃辣？”紧跟而来的是翻上天的白眼。我又急忙解释：“我能吃辣，但是我不能吃辣！”某编：“……”唉，我的意思是给我一盆干辣椒我都能吞了，所以能吃辣，但是最近身体抱恙，喝着汤药，所以又不能吃辣！

针对上述问题，本文基于NLM对N个子模块和M个冗余子模块分别处理，使其处于不同投切等级。冗余子模块预先充电至额定值UM,N，并设下限为UM,min，一旦因内部电容放电导致越限，则优先充电至额定值附近，同时确保在放电过程中不参与运行。N+1电平的系统中，在冗余子模块不越限时，只允许N个子模块进行排序及投切。

情况一：ism方向为正，子模块处于充电状态。

W4#=0.6(0.6415,0.1279,0.7428,0.1056,0.0961)+0.4(0.2509,0.2159,0,0,0)T=(0.4853,0.1631,0.4457,0.0634,0.0577)T

(1)若越限子模块数ny>nx，则对其进行排序，择电容电压低者逐一投入；

(2)若ny≤nx，则全部投入，并确定剩余投入数量nt=nx-ny，再从N个子模块中有选择地投入nt个。

第2步，将N个子模块电压与平均值Uc,avg比较，确定小于Uc,avg的子模块数量为ns，其余为nb。

The values of the absorption coefficient α are calculated in the region of high absorption[4, 20] using the relation:

(1)若nt<ns，则对该ns个子模块进行排序，择电容电压低者逐一投入；

图3 改进的电容电压均衡控制策略主要流程 Fig.3 Main flow of improved control strategy for capacitor voltage balancing

a相上桥臂子模块排序及投切情况见表2，可以看出改进后排序数量减少至8个，开关次数减少约178次/s，其中，排序数量出现0是因为子模块需要投入数量恰好等于某分组数量。某子模块上侧IGBT分别在传统与改进方法下的触发脉冲波形如图8所示，可以看出采用改进的触发方法后IGBT开关次数明显低于传统触发方法的开关次数。

情况二：ism方向为负，子模块处于放电状态。与无越限的情况一类似，此处为择电压高者投入。

求解式(8)、(9)，可求冗余子模块最优数Nm。

以Uc,avg为基准将所有子模块分为2组。在第1次触发控制中，按照排序参与运行的子模块为2、5、7、8。至第n次触发控制时，5和8依然在之前的分组中，则在参考投入数量nx的基础上，保持相应的触发脉冲不变，再对除此之外的子模块进行排序后依次导通。子模块排序数量的关系表达式为

在国际贸易交易中，交易企业和交易单位是国际贸易交易的主体，减少国际贸易风险，要对双方交易国家做好充分调研，减少可预见性的风险损失，提高风险的预见性，完善国际贸易体系。

Nr=(ny-ny,0)+(ns-ns,0)+(nb-nb,0)

(10)

式中：ny,0为第n次触发控制时仍越限的冗余子模块数；ns,0为第n次触发控制时仍小于Uc,avg的子模块数；nb,0为第n次触发控制时仍大于Uc,avg的子模块数。式中3个部分各自独立，具体根据上文所述电压控制策略进行相应的排序及投切。

图4 子模块分组情况 Fig.4 Grouping situation of sub-modules

4 冗余保护方案及其实现方法

在各桥臂配置一定的冗余子模块，能够在子模块故障时进行替换，保证MMC系统不间断运行[12]。本文采用的冗余保护方案具体为：当系统正常运行时，冗余子模块不参与运行 (UM,i>UM,min)；一旦系统发生故障，迅速旁路故障子模块并闭锁其触发脉冲，然后将相同数量的冗余子模块投入。

改进的均压策略使得冗余子模块电压值UM,i满足投入的最低允许值，故障后可快速替换故障子模块，具体实现方法如下详述。

(1)系统正常运行时，各桥臂仅N个子模块参与运行。冗余子模块电压不低于UM,min时，该子模块中T2导通、T1关断、旁路开关B闭合，而其他子模块则根据ism流向，有选择地排序及投切，以维持Udc不变。

(2)一旦系统发生故障，迅速旁路故障子模块并闭锁其触发脉冲，同时投入冗余子模块。当桥臂上第i个子模块发生故障后，为防止较大的故障电流损坏开关器件，应立即触发旁路晶闸管T0，同时迅速闭合旁路开关B、导通T2、关断T1，以将其旁路。接着，快速投入冗余子模块，触发T1、关断T2，进行切换。

5 仿真验证

为验证所提改进策略的可行性及有效性，本文在PSCAD/EMTDC环境下搭建了双端交流电压等级不同的MMC-HVDC系统模型，MMC2侧上桥臂拓扑如图5所示。应用文中提到的优化方案，具体参数如下：MMC1桥臂子模块数为18；MMC2桥臂子模块最少级联数为14，其中MMC1、MMC2侧桥臂冗余子模块数量N1,M、N2,M(取近似值)分别为2和1；MMC1、MMC2侧交流电压Uac1、Uac2分别为18 kV和10 kV；直流电压Udc=±16 kV；子模块电压Uc=2 kV，冗余子模块下限值UM,min=1.8 kV。

仿真中采用改进的均压控制策略，且以下分析重点放在弱交流MMC2侧。已知子模块电容放电过程是缓慢且连续的，方便起见，采取快速放电方式，同时假定冗余子模块不投入时电压值恒定，仿真结果如图6所示。

14号冗余子模块充电电压波形如图6(a)所示。t=0.01 s时，对a相上侧14号冗余子模块作放电处理，当子模块电压低于下限值时，优先导通并充电至UM,N附近，可以看出各子模块电压波动情况及其一致性较好，且充电行为对其他子模块基本未造成影响。此外，图中子模块越限时正处于充电阶段，所以几乎在电压越限同时便将其导通。若在放电阶段越限，则等待时间最长为1个放电周期，虽然仍会缓慢放电，但由于时间较短，影响甚微。

1.3.3 确定靶区 GTV为影像学上显示的转移肿瘤大小，临床靶体积(CTV)是GTV左右、前后分别外放0.4～0.7 cm，上下分别外放3～5 cm，在依据解剖屏障来调节；PTV为CTV外放0.6 cm；勾画两侧肾脏、脊髓、肝脏、双肺和心脏等保护脏器。

图5 MMC2侧上桥臂拓扑 Fig.5 Topology of MMC2

14号冗余子模块的上侧IGBT触发信号如图6(b)所示。t=0.01 s时开始充电，充电开始时触发脉冲阶跃至1，充电结束后脉冲信号置0。由图6(b)可知，越限子模块从投入到电压上升至2 kV附近用时约为0.002 5 s。

《厕所》里的哥哥莫里有惊恐障碍患者，之前在钢琴比赛的时候发作过一次，在妈妈去世之后更是严重到闭门不出。他在整理妈妈遗物时发现了缝纫机和布料，布料和小时候妈妈穿的长裙一模一样，于是他爱上了缝纫机和穿长裙，之后他竟然也可以穿着长裙弹琴，惊恐障碍症也没有发作。缝纫机是妈妈的遗物，长裙能让他想起了和妈妈在一起的童年时光。弟弟雷，他偏爱机器人模型到着魔，如果公寓着火，他会本能抢救机器人模型，痴迷的原因是因为雷的亲生妈妈去世之后，他哭得很伤心，莫里的妈妈给他买了机器模型，开心地瞬间忘记了亲生妈妈去世的事。

14号冗余子模块充电时的直流电压波形如图6(c)所示。正常及电压越限时，Udc都能维持在允许范围内，t=0.01 s附近及其他时段波形波动不明显。

MMC2侧输出的交流电压波形如图6(d)所示。越限子模块与应当投入的子模块电压存在差值，差值大小将直接影响波形质量，故从t=0.01 s 起交流电压发生畸变，但因充电时间较短，很快便恢复常态。此外，其余时段的波形质量较好，未因排序数量减少及投切次数降低受到影响。

(2)若nt≥ns，则ns个子模块全部投入，并对nb个子模块进行排序，择电压低者逐一投入。当nt=ns时，则只需将ns个子模块全部投入。

为验证该策略在发生子模块故障时同样适用，在仿真中设置子模块故障，并采用所提的冗余保护方案，传统与改进触发方法的比较如图8所示。

图6 14号冗余子模块内部电容放电 Fig.6 Capacitor discharge in the 14th redundant sub-module

替换6号子模块电压波形如图8(a)所示。t=0.06 s时，系统检测到6号子模块发生故障，快速旁路并封锁其触发脉冲，同时导通14号冗余子模块，可以看出刚投入时电容电压上升幅度较小，但随后即恢复正常。

替换故障子模块时，6号及14号子模块的上侧IGBT触发信号如图8(b)所示。t=0.06 s时，故障子模块脉冲置0，与此同时迅速导通冗余子模块。

入选花期油茶产量模型的气象因子分别为花期关键物候期时段的总降水日数，花期常规物候期时段的最长连续降水日数、平均相对湿度、最长连续有日照天数、总日照天数、日最低气温低于-4 ℃日数和日最低气温低于-7 ℃日数。选取同一类气象指标中，与油茶相关系数最大的为关键气象指标。因此，选取花期关键物候期时段的总降水日数，常规物候期时段的平均相对湿度、最长连续日照天数、日最低气温低于-4 ℃日数为花期关键气象因子。

有一天，老大爷阿扁在厅堂下做车轮，齐桓公正好在厅堂上看书。老大爷阿扁就想找齐桓公聊聊，于是放下干活的工具，走到厅堂上。阿扁说：“冒昧地请教一下，您读的是什么？”齐桓公答：“圣贤说的话啊。怎么了？”阿扁又问：“那圣人还活着吗？”齐桓公答：“已经死了。”阿扁摇摇头，说：“唉，您读的书不过是古人的糟粕而已！”齐桓公差点被这句话给气炸了，心想：“本人堂堂一国之君，亲切地接见一个小小的老工匠，他不但不识抬举，还不给面子。”于是，愤怒地说：“你一个做车轮的工匠，有什么资格评议寡人读什么书，你懂什么？你说不出个所以然来，寡人就判你死刑，把你给砍了！”

替换6号子模块时的直流电压波形如图8(c)所示。在t=0.06 s时故障发生，直到完成替换，直流电压波动较小、波形质量较好。

MMC2侧输出的交流电压波形如图8(d)所示。由于冗余子模块在刚投入时与故障子模块电压存在差值，故交流电压Uac2波形在t=0.06 s以后发生轻微畸变，但经过0.02 s后便恢复平稳，受故障影响不大，说明该策略能够实现子模块快速、平稳替换。

表2 桥臂子模块排序及开关情况 Table 2 Sorting and switching situation of sub-module on arm

图7 传统与改进触发方法的比对 Fig.7 Comparison between traditional and improved methods

6 结 论

本文提出了一种改进的电容电压均衡控制策略，该策略不但减少了子模块排序数量，且随着电平数的增多，优势更加明显，还降低了冗余子模块内部电容放电对冗余保护的影响，大大缩短了系统恢复正常运行的时间，同时尽可能降低了子模块的开关频率，减少了换流器损耗。

工作区地貌以溶蚀丘陵为主，降水充沛，地下水也比较丰富。区内地下水类型主要为岩溶裂隙溶洞水，主要含水岩层为泥盆系棋子桥组(D2q)深灰色厚-巨厚层状灰岩，岩溶发育程度中等，局部地段发育溶洞，成为地下水运移和储存场所，地下水水位及流量随季节变化较明显；上覆地层为第四系橘子洲组(Qj)，岩性以网纹状红土或似网纹状红色亚黏土为主，下部由砾石层，松散的砂砾、黏土组成，砾石层、松散的砂砾层中含有一定量的地下水，水位及水量受季节影响较大。

通过PSCAD/EMTDC平台搭建的MMC仿真模型，对本文所设计的电容电压均衡控制策略进行验证，仿真结果表明：该控制策略不仅能够为低于下限值的冗余子模块迅速充电，而且能够在排序数量小于N/2、开关次数减少的前提下，保证各子模块之间电容电压的相对均衡，而且在系统故障时，依然可以保持良好的稳定性。

图8 6号子模块发生故障 Fig.8 Failure of the 6th sub-module

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