本發(fā)明屬于電力電子，具體涉及一種基于k-means算法的mmc電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，模塊化多電平換流器(modular?multilevel?converter,mmc)因其高效、低諧波、靈活可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。隨著中國(guó)在規(guī)劃中加大對(duì)綠色能源轉(zhuǎn)型和智能電網(wǎng)建設(shè)的支持，mmc在我國(guó)的應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展，尤其是在大規(guī)模海上風(fēng)電接入、跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)以及超高壓直流輸電(uhvdc)等工程中，mmc展現(xiàn)了重要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，子模塊電容電壓動(dòng)態(tài)均衡問(wèn)題依然存在，電容電壓不均衡會(huì)導(dǎo)致mmc系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、開關(guān)器件損壞、電能質(zhì)量惡化、模塊過(guò)載失效，甚至引發(fā)嚴(yán)重的設(shè)備損毀和系統(tǒng)癱瘓。

2、mmc子模塊電容電壓均衡控制方法主要有三大類：第一類是通過(guò)增加外部的電壓均衡電路來(lái)實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓的均衡，簡(jiǎn)單但增加了系統(tǒng)的硬件成本和復(fù)雜度；第二類基于電容電壓排序的直接電壓均衡方法，盡管原理簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，但在計(jì)算量較大、開關(guān)頻率較高以及子模塊數(shù)量較多的情況下，會(huì)導(dǎo)致電容電壓波動(dòng)較大；第三類為在mmc子模塊上增加獨(dú)立的均壓控制和穩(wěn)壓控制兩個(gè)附加電壓閉環(huán)控制器，避免了開關(guān)損耗，但整定控制器參數(shù)較為困難，尤其是在子模塊數(shù)量較多時(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種基于k-means算法的mmc電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法，旨在解決背景技術(shù)中第二類基于mmc子模塊電容電壓排序的直接電壓均衡方法在子模塊數(shù)量較多時(shí)導(dǎo)致的電容電壓波動(dòng)較大和開關(guān)損耗問(wèn)題。該方法不僅能夠在一定程度上減少mmc運(yùn)行過(guò)程中子模塊的投切次數(shù)，降低總體開關(guān)頻率，同時(shí)在子模塊數(shù)量較多的情況下降低電容電壓波動(dòng)。

2、一種基于k-means算法的mmc電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法，包括如下步驟：

3、s1：在每個(gè)控制周期開始時(shí)，通過(guò)調(diào)制策略確定當(dāng)前控制周期所需投入的子模塊數(shù)量；

4、s2：采集當(dāng)前時(shí)刻橋臂上每個(gè)子模塊的電容電壓uci；

5、s3：使用k-means算法對(duì)子模塊電容電壓聚類分簇；

6、s4：根據(jù)橋臂電流方向，分別執(zhí)行相應(yīng)的操作；

7、s5：根據(jù)各簇質(zhì)心的大小對(duì)簇進(jìn)行排序；

8、s6：根據(jù)橋臂電流方向，按照簇的排序結(jié)果，依次投入相應(yīng)的子模塊；

9、進(jìn)一步地,s1包括以下步驟：根據(jù)控制系統(tǒng)選擇的調(diào)制策略，計(jì)算出某一時(shí)刻每個(gè)橋臂需要投入的mmc子模塊數(shù)non，每個(gè)橋臂包含n個(gè)子模塊，如果non＝n，則把該橋臂上的所有mmc子模塊都投入使用；如果non＝0，則把該橋臂上的所有mmc子模塊全部切除；若0<non<n，則進(jìn)入步驟s2。

10、進(jìn)一步地，s3包括以下步驟：對(duì)子模塊電容電壓uci這個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行k-means算法聚類分出若干個(gè)簇。

11、進(jìn)一步地，k-means算法包括：首先初始化：選擇k個(gè)初始聚類質(zhì)心，均勻分布在子模塊電容的額定電壓周圍，對(duì)于子模塊電容電壓uci，計(jì)算其與每個(gè)簇質(zhì)心的距離，并將其分配給距離最近的簇，重新計(jì)算每個(gè)簇質(zhì)心，重復(fù)分配和更新步驟，直到達(dá)到規(guī)定的迭代次數(shù)d。

12、進(jìn)一步地，對(duì)于其中的距離使用歐氏距離作為距離度量，計(jì)算公式如下：

13、

14、其中uci是子模塊電容電壓，ci是第i簇的質(zhì)心。

15、進(jìn)一步地，對(duì)于其中重新計(jì)算每個(gè)簇質(zhì)心，新的簇質(zhì)心是該簇內(nèi)所有電容電壓的均值，計(jì)算公式如下：

16、

17、其中si是第i簇中電容電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。

18、進(jìn)一步地，s4包括：令橋臂電流iarm方向與圖1中相同，該橋臂電流iarm正方向?yàn)楦邏憾肆飨虻蛪憾耍?dāng)iarm大于0時(shí),若質(zhì)心最小的一簇s里的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量sa遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需投入的子模塊數(shù)量non，則對(duì)簇s再次執(zhí)行s3；反之，則執(zhí)行s5；當(dāng)iarm小于0時(shí),若質(zhì)心最大的一簇b里的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量ba遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需投入的子模塊數(shù)量non，則對(duì)簇b再次執(zhí)行s3；反之，則執(zhí)行s5。

19、進(jìn)一步地，s6包括：令橋臂電流iarm方向與圖1中相同，當(dāng)iarm大于0時(shí)，從質(zhì)心較小的簇開始依次選擇non個(gè)子模塊投入，逐簇進(jìn)行選擇，如果剩余的可投入數(shù)量不足以滿足下一簇的需求，則從當(dāng)前簇中優(yōu)先選擇距離質(zhì)心較遠(yuǎn)的電容進(jìn)行抽取；當(dāng)iarm小于0時(shí),從質(zhì)心較大的簇開始依次選擇non個(gè)子模塊投入，逐簇進(jìn)行選擇，如果剩余的可投入數(shù)量不足以滿足下一簇的需求，則從當(dāng)前簇中優(yōu)先選擇距離質(zhì)心較遠(yuǎn)的電容進(jìn)行抽取。

20、本發(fā)明的特點(diǎn)在于充分利用k-means算法聚類分簇優(yōu)勢(shì),對(duì)子模塊電容電壓分簇，每個(gè)簇中電壓值集中且無(wú)需排序，只需比較簇質(zhì)心大小，進(jìn)而對(duì)簇進(jìn)行排序，解決了傳統(tǒng)排序精確比較和多次動(dòng)作的缺點(diǎn)，能夠減少子模塊投切次數(shù)，降低開關(guān)頻率并減少損耗；通過(guò)調(diào)整算法中參數(shù)k與d，以及根據(jù)調(diào)制策略計(jì)算得到的子模塊數(shù)non，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整；此外，本發(fā)明還顯著降低了電容電壓波動(dòng)率。

技術(shù)特征：

1.一種基于k-means算法的mmc電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于k-means算法的mmc電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法，其特征在于：所述步驟s3中k-means算法包括：首先初始化：選擇k個(gè)初始聚類質(zhì)心，均勻分布在子模塊電容的額定電壓周圍，對(duì)于子模塊電容電壓uci，計(jì)算其與每個(gè)簇質(zhì)心的距離，并將其分配給距離最近的簇，重新計(jì)算每個(gè)簇質(zhì)心，重復(fù)分配和更新步驟，直到達(dá)到規(guī)定的迭代次數(shù)d。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于k-means算法的mmc電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法，其特征在于：所述對(duì)于其中的距離使用歐氏距離作為距離度量，計(jì)算公式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于k-means算法的mmc電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法，其特征在于：所述步驟s4中令該橋臂電流iarm正方向?yàn)楦邏憾肆飨虻蛪憾耍?dāng)iarm大于0時(shí),若質(zhì)心最小的一簇s里的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量sa遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需投入的子模塊數(shù)量non，則對(duì)簇s再次執(zhí)行s3；反之，則執(zhí)行s5；當(dāng)iarm小于0時(shí),若質(zhì)心最大的一簇b里的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量ba遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需投入的子模塊數(shù)量non，則對(duì)簇b再次執(zhí)行s3；反之，則執(zhí)行s5。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于k-means算法的mmc電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法，其特征在于：所述步驟s6中令該橋臂電流iarm正方向?yàn)楦邏憾肆飨虻蛪憾耍?dāng)iarm大于0時(shí),從質(zhì)心較小的簇開始依次選擇non個(gè)子模塊投入，逐簇進(jìn)行選擇，如果剩余的可投入數(shù)量不足以滿足下一簇的需求，則從當(dāng)前簇中優(yōu)先選擇距離質(zhì)心較遠(yuǎn)的電容進(jìn)行抽取；當(dāng)iarm小于0時(shí),從質(zhì)心較大的簇開始依次選擇non個(gè)子模塊投入，逐簇進(jìn)行選擇，如果剩余的可投入數(shù)量不足以滿足下一簇的需求，則從當(dāng)前簇中優(yōu)先選擇距離質(zhì)心較遠(yuǎn)的電容進(jìn)行抽取。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于K?means算法的MMC電容電壓動(dòng)態(tài)均衡控制方法，步驟包括：S1：在每個(gè)控制周期開始時(shí)，通過(guò)調(diào)制策略確定當(dāng)前控制周期所需投入的子模塊數(shù)量；S2：采集當(dāng)前時(shí)刻橋臂上每個(gè)子模塊的電容電壓；S3：使用K?means算法對(duì)子模塊電容電壓聚類分簇；S4：根據(jù)橋臂電流方向，分別執(zhí)行相應(yīng)的操作；S5：根據(jù)各簇質(zhì)心的大小對(duì)簇進(jìn)行排序；S6：根據(jù)橋臂電流方向，按照簇的排序結(jié)果，依次投入相應(yīng)的子模塊；本發(fā)明較于傳統(tǒng)基于電容電壓排序的直接電壓均衡方法具有降低開關(guān)頻率，顯著降低電容電壓波動(dòng)率的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：趙崇旭,張桂東,陳勁翰,王沄禾
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28