CN103715935B - 一种基于模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输电（VSC‑HVDC）领域，特别涉及一种基于模块化多电平技术的柔性直流换流器的损耗确定方法。该方法包括下述步骤：步骤1：确定单相电压源型换流器的电流；步骤2：确定电压源型换流器的导通损耗；步骤3：确定电压源型换流器的开关损耗；步骤4：确定电压源型换流器三相总损耗。本发明提供的方法有效求解出换流器子模块上半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT/下半桥臂续流二极管FWD或上半桥臂续流二极管FWD/下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的平均电流和有效电流，能反映出子模块中绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD的损耗与柔性直流输电系统的调制因数、功率因素、有功传输功率等关系，将复杂问题直观化。

Description

一种基于模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电（VSC-HVDC）领域的确定方法，具体涉及一种基于模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法。

背景技术

柔性直流输电技术因其功率传输控制的灵活性而在各种领域中得到了广泛的应用。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术是一种新型的柔性直流输电技术，不存在换相失败，具有可向无源网络供电、无需无功补偿、能够灵活控制输出的有功无功功率，柔性直流输电技术特别适合偏远地区、岛屿等小容量负荷供电、新能源集电并网以及城市供电等应用场合。因此，柔性直流输电技术有着广阔的应用前景。

在开关型柔性直流输电系统中，由于换流器输出电平数低，换流器输出电压谐波成分高。为了改善柔性直流换流器输出波形质量，通常使用脉宽调制技术PWM(Pulse WidthModulation)，且开关频率较高，一般都在20倍～40倍基频，过高的开关频率带来开关损耗的增加，降低了柔性直流输电系统能量的传输效率。在可控电压源型柔性直流输电系统中，由于采用了模块化多电平技术，换流器输出电压谐波成分低，且谐波成分量随换流器输出电平数的增加而降低。与开关型柔性直流输电技术相比，由于换流阀每相上桥臂和下桥臂每次投入或切出1个子模块，所以可控电压源型换流器可以采用较低的开关频率，一般不超过3倍基频，从而降低了损耗，提高了柔性直流输电系统的能量传输效率。

柔性直流输电技术采用的开关器件主要是全控型器件——绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)，在高压大容量柔性直流输电系统中，一个柔性直流换流器中采用的绝缘栅双极型晶体管IGBT超过两千只，所以绝缘栅双极型晶体管IGBT的稳定运行能力是影响柔性直流换流阀稳定运行的关键因数之一。而过载或能耗过大等原因引起绝缘栅双极型晶体管IGBT结温过高是导致其失效的最主要原因。因此，绝缘栅双极型晶体管IGBT和续流二极管FWD(free-wheeling diode)结温计算的准确度严重影响柔性直流换流器的可靠性。柔性直流换流器绝缘栅双极型晶体管IGBT和续流二极管FWD在各类运行状态下的损耗计算是解决对应结温计算的唯一有效手段。柔性直流换流阀的损耗示意图如图1所示，主要包括：

（1）绝缘栅双极型晶体管IGBT的损耗，其主要包括导通损耗、开通损耗、关断损耗和驱动电路损耗。其中开通损耗和关断损耗之和称之为开关损耗。

（2）续流二极管FWD的损耗，其主要包括导通损耗、反向恢复损耗、开通损耗和截止损耗。其中，因开通时间很短，开通损耗可以忽略；二极管反向截止电流很小，截止损耗也可忽略。

绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗和续流二极管FWD的反向恢复损耗可参照厂家提供的对应参数，但这些器件的工况与厂家参数相关损耗对应的工况不同，仍需进一步折算。绝缘栅双极型晶体管IGBT和续流二极管FWD的导通损耗也可采用对应的导通阈值电压、导通电阻、导通电流等参数表示。但是桥臂电流在子模块中存在两条通路，即可能流经子模块上半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT/下半桥臂续流二极管FWD或上半桥臂续流二极管FWD/下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT。因此，计算导通损耗还存在确定绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD电流表达式的难题。

目前，有关电压源换流器的损耗计算主要还是针对开关型电压源换流器，但开关型电压源换流器的绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD中的电流与可控电压源型电压源换流器的绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD中的电流有着本质的区别，因此，现有的有关开关型电压源换流器的损耗计算方法不能适用于可控电压源型电压源换流器的损耗计算；针对可控电压源型换流器的损耗计算已有一些研究成果，但几乎都只采用了换流器的绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD中的平均电流，而未涉及到换流器的绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD中的有效电流。随着柔性直流输电工程快速推广应用，对柔性直流换流器损耗的计算程序的研究有着重要的理论与工程意义。

发明内容

针对上述现有技术中提到的换流器的损耗计算中没有采用子模块上半桥臂、下半桥臂的绝缘栅双极型晶体管IGBT、续流二极管FWD中的有效电流的不足，本发明的目的是提供一种基于模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法，本发明能反映出子模块中绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD的损耗与柔性直流输电系统的调制因数、功率因素、有功传输功率等关系，将复杂问题直观化。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法，所述模块化多电平电压源型换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成模块化多电平电压源型换流器直流端的正负极母线；

其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：确定单相电压源型换流器的电流；

步骤2：确定电压源型换流器的导通损耗；

步骤3：确定电压源型换流器的开关损耗；

步骤4：确定电压源型换流器三相总损耗。

进一步地，所述步骤1包括下述子步骤：

步骤1.1：确定电压源型换流器的桥臂电流，表达式如下：

其中：I_dc为直流线路电流；I_m为i相电流峰值；ω为基波角频率；为i相电流滞后i电压的角度；i为A相、B相或C相；

步骤1.2：确定子模块中上半桥臂和下半桥臂的电流；流经子模块上半桥臂和下半桥臂的电流分别为：

其中：m为调制因数，即相电压峰值与直流线路对地电压绝对值U_dcN的比值；

步骤1.3：分别确定子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的平均电流I_{T1_avg}、I_{T2_avg}及有效电流I_{T1_rms}、I_{T2_rms}；表达式分别如下：

步骤1.4：分别确定子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的平均电流I_{D1_avg}、I_{D2_avg}及有效电流I_{D1_rms}、I_{D2_rms}；表达式分别如下：

进一步地，所述步骤2中，利用开关器件厂家提供的器件参数与步骤1中绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD的平均电流与有效电流，确定电压源型换流器的导通损耗，包括：

在一个基波周期内，上半桥臂、下半桥臂的绝缘栅双极型晶体管IGBT和续流二极管FWD平均导通损耗分别为：

${\stackrel{\‾}{P}}_{T1\_\mathrm{con}}=I_{T1\_\mathrm{avg}}\·U_{T1\_0}+r_{T1\_0}\·{\left(I_{T1\_\mathrm{rms}}\right)}^2---\left(3\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{T2\_\mathrm{con}}=I_{T2\_\mathrm{avg}}\·U_{T2\_0}+r_{T2\_0}\·{\left(I_{T2\_\mathrm{rms}}\right)}^2---\left(4\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{D1\_\mathrm{con}}=I_{D1\_\mathrm{avg}}\·U_{D1\_0}+r_{D1\_0}\·{\left(I_{D1\_\mathrm{rms}}\right)}^2---\left(5\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{D2\_\mathrm{con}}=I_{D2\_\mathrm{avg}}\·U_{D2\_0}+r_{D2\_0}\·{\left(I_{D2\_\mathrm{rms}}\right)}^2---\left(6\right);$

其中：

分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的平均导通损耗；

U_{T1_0}、U_{T2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通阈值电压；

r_{T1_0}、r_{T2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的正向导通电阻；

分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的平均导通损耗；

U_{D1_0}、U_{D2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的导通阈值电压；

r_{D1_0}、r_{D2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的正向导通电阻。

进一步地，所述步骤3包括下述子步骤：

步骤3.1：分别确定子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗和续流二极管FWD的反向恢复损耗；

$P_{\mathrm{swT}1}=f_p\×\left(\frac{E_{\mathrm{on}\_T1}+E_{\mathrm{off}\_T1}}{u_{\mathrm{ref}\_T1}\×i_{\mathrm{ref}\_T1}}\right)\×U_c{I}_{T1\_\mathrm{avg}}---\left(7\right);$

$P_{\mathrm{swT}2}=f_p\×\left(\frac{E_{\mathrm{on}\_T2}+E_{\mathrm{off}\_T2}}{u_{\mathrm{ref}\_T2}\×i_{\mathrm{ref}\_T2}}\right)\×U_c{I}_{T2\_\mathrm{avg}}---\left(8\right);$

$P_{\mathrm{recD}1}=f_p\×\frac{E_{\mathrm{rec}\_D1}}{u_{\mathrm{ref}\_D1}\×i_{\mathrm{ref}\_D1}}\×I_{D1\_\mathrm{avg}}---\left(9\right);$

$P_{\mathrm{recD}2}=f_p\×\frac{E_{\mathrm{rec}\_D2}}{u_{\mathrm{ref}\_D2}\×i_{\mathrm{ref}\_D2}}\×I_{D2\_\mathrm{avg}}---\left(10\right);$

P_rec＝P_recD1K_D1+P_recD2K_D2 （11）；

其中：

P_swT1、P_swT2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗；

P_recD1、P_recD2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的反向恢复损耗；

f_p为载波频率；

E_{on_T1}（E_{on_T2}）、E_{off_T1}（E_{off_T2}）分别为子模块上半桥臂或下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT在参考电压u_{ref_T1}（u_{ref_T2}）、参考电流i_{ref_T1}（i_{ref_T2}）且最大工作结温的开通与关断损耗；

E_{rec_D1}（E_{rec_D2}）分别为子模块上半桥臂或下半桥臂中续流二极管FWD在参考电压u_{ref_D1}（u_{ref_D2}）、参考电流i_{ref_D1}（i_{ref_D2}）且最大工作结温的反向恢复损耗；所述最大工作结温取125℃；

U_c为子模块电容器电压；

步骤3.2：分别确定子模块上半桥臂或下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗、续流二极管FWD的反向恢复损耗；

P_sw＝P_swT1K_T1+P_swT2K_T2 （12）；

P_rec＝P_recD1K_D1+P_recD2K_D2 （13）；

其中：K_T1、K_T2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的结温系数；

K_D1、K_D2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的结温系数；

步骤3.3：通过迭代法分别确定绝缘栅双极型晶体管IGBT的结温系数和续流二极管FWD的结温系数，表达式分别如下：

$K_{T1}=\frac{1}{E_{1\mathrm{swT}1}}\[\frac{E_{1\mathrm{swT}1}-E_{2\mathrm{swT}1}}{100}(t-25)+E_{2\mathrm{swT}1}\]---\left(14\right);$

$K_{T2}=\frac{1}{E_{1\mathrm{swT}2}}\[\frac{E_{1\mathrm{swT}2}-E_{2\mathrm{swT}2}}{100}(t-25)+E_{2\mathrm{swT}2}\]---\left(15\right);$

$K_{D1}=\frac{1}{E_{1\mathrm{recD}1}}\[\frac{E_{1\mathrm{recD}1}-E_{2\mathrm{recD}1}}{100}(t-25)+E_{2\mathrm{recD}1}\]---\left(16\right);$

$K_{D2}=\frac{1}{E_{1\mathrm{recD}2}}\[\frac{E_{1\mathrm{recD}2}-E_{2\mathrm{recD}2}}{100}(t-25)+E_{2\mathrm{recD}2}\]---\left(17\right);$

其中：

t为工作结温；

E_1swT1、E_2swT1分别为子模块上半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT在125℃和25℃时的开关损耗；

E_1swT2、E_2swT2分别为子模块下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT在125℃和25℃时的开关损耗；

E_1recD1、E_2recD1分别为子模块上半桥臂续流二极管FWD在125℃和25℃时的反向恢复损耗；

E_1recD2、E_2recD2分别为子模块下半桥臂续流二极管FWD在125℃和25℃时的反向恢复损耗。

进一步地，所述步骤4中电压源型换流器三相总损耗用下述表达式表示：

$P_{\mathrm{total}}=6N({\stackrel{\‾}{P}}_{T1\_\mathrm{con}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{T2\_\mathrm{con}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{D1\_\mathrm{con}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{D2\_\mathrm{con}}+P_{\mathrm{sw}}+P_{\mathrm{rec}}+P_{T1\mathrm{drive}}+P_{T2\mathrm{drive}})---\left(18\right);$

其中：N为换流器每个桥臂的子模块个数；

P_T1drive、P_T2drive分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动电路的损耗。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明系统地分析了子模块上半桥臂、下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD中的有效电流，为可控电压源型换流器的损耗提供了计算方法。该计算结果与实际柔性直流输电工程基本吻合。因此，该损耗计算方法对柔性直流换流器的损耗评估与换流器冷却系统的配置具有较好的指导意义；

2、采用绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD厂家惯用的利用器件导通阈值电压、平均电流、正向导通电阻与有效电流等物理量计算子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT、续流二极管FWD的导通损耗，物理意义明确；

3、依据子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT、续流二极管FWD的平均电流与有效电流的解析形式，损耗计算方法简单可靠；

4、子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT、续流二极管FWD的导通损耗与柔性直流输电系统调制因数、功率因数、传输有功功率的关系直观化。

附图说明

图1为子模块损耗的构成示意图；

图2为模块化多电平换流器结构示意图；

图3为本发明采用5SNA1500E330305ABBHiPakTM型绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗与集电极电流的关系；

图4为本发明采用5SNA1500E330305ABBHiPakTM型绝缘栅双极型晶体管IGBT中续流二极管反向恢复损耗、电流、电量与正向电流的关系；

图5为本发明提供的模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为解决绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD损耗计算这一问题，本专利有效求解出换流器子模块上半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT/下半桥臂续流二极管FWD或上半桥臂续流二极管FWD/下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的平均电流和有效电流，提出了一种模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法。

该损耗确定方法的特点是能反映出子模块中绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD的损耗与柔性直流输电系统的调制因数、功率因素、有功传输功率等关系，将复杂问题直观化。

本发明提供的模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法，其中模块化多电平电压源型换流器的结构示意图如图2所示，模块化多电平电压源型换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成模块化多电平电压源型换流器直流端的正负极母线；所述子模块由半桥与其并联的电容器支路构成，所述半桥由上半桥臂和下半桥臂构成，所述上半桥臂和下半桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的续流二极管FWD组成。

模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法的流程图如图5所示，包括下述步骤：

实施例：以逆变状态下的换流器A相上桥臂为例对本发明的方法进行描述。

步骤1：以逆变状态下的换流器A相上桥臂为例，换流器的构成以及各电流的参考方向如图2所示，计算可控电压源型换流器的电流；

步骤1.1：计算可控电压源型换流器桥臂电流；

其中：

I_dc为直流线路电流；

I_m为A相电流峰值；

ω为基波角频率；

为A相电流滞后A电压的角度。

步骤1.2：计算子模块上管、下管的电流；流经子模块上管、下管的电流分别为：

其中

m为调制因数，即相电压峰值与直流线路对地电压绝对值U_dcN的比值。

步骤1.3：分别计算子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的平均电流I_{T1_avg}、I_{T2_avg}及有效电流I_{T1_rms}、I_{T2_rms}表达式分别如下：

步骤1.4：分别确定子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的平均电流I_{D1_avg}、I_{D2_avg}及有效电流I_{D1_rms}、I_{D2_rms}；表达式分别如下：

步骤2：利用开关器件厂家提供的器件参数与步骤1中计算绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD的平均电流与有效电流，计算可控电压源型换流器的导通损耗；

在一个基波周期内，上半桥臂、下半桥臂的绝缘栅双极型晶体管IGBT、续流二极管FWD平均导通损耗分别为：

${\stackrel{\‾}{P}}_{T1\_\mathrm{con}}=I_{T1\_\mathrm{avg}}\·U_{T1\_0}+r_{T1\_0}\·{\left(I_{T1\_\mathrm{rms}}\right)}^2---\left(3\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{T2\_\mathrm{con}}=I_{T2\_\mathrm{avg}}\·U_{T2\_0}+r_{T2\_0}\·{\left(I_{T2\_\mathrm{rms}}\right)}^2---\left(4\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{D1\_\mathrm{con}}=I_{D1\_\mathrm{avg}}\·U_{D1\_0}+r_{D1\_0}\·{\left(I_{D1\_\mathrm{rms}}\right)}^2---\left(5\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{D2\_\mathrm{con}}=I_{D2\_\mathrm{avg}}\·U_{D2\_0}+r_{D2\_0}\·{\left(I_{D2\_\mathrm{rms}}\right)}^2---\left(6\right);$

其中：

为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的平均导通损耗；

U_{T1_0}、U_{T2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通阈值电压

r_{T1_0}、r_{T2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的正向导通电阻；

为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的平均导通损耗；

U_{D1_0}、U_{D2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的导通阈值电压；

r_{D1_0}、r_{D2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的正向导通电阻。

步骤3：计算可控电压源型换流器的开关损耗；

步骤3.1：分别计算上下桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗、续流二极管FWD的反向恢复损耗；

$P_{\mathrm{swT}1}=f_p\×\left(\frac{E_{\mathrm{on}\_T1}+E_{\mathrm{off}\_T1}}{u_{\mathrm{ref}\_T1}\×i_{\mathrm{ref}\_T1}}\right)\×U_c{I}_{T1\_\mathrm{avg}}---\left(7\right);$

$P_{\mathrm{swT}2}=f_p\×\left(\frac{E_{\mathrm{on}\_T2}+E_{\mathrm{off}\_T2}}{u_{\mathrm{ref}\_T2}\×i_{\mathrm{ref}\_T2}}\right)\×U_c{I}_{T2\_\mathrm{avg}}---\left(8\right);$

$P_{\mathrm{recD}1}=f_p\×\frac{E_{\mathrm{rec}\_D1}}{u_{\mathrm{ref}\_D1}\×i_{\mathrm{ref}\_D1}}\×I_{D1\_\mathrm{avg}}---\left(9\right);$

$P_{\mathrm{recD}2}=f_p\×\frac{E_{\mathrm{rec}\_D2}}{u_{\mathrm{ref}\_D2}\×i_{\mathrm{ref}\_D2}}\×I_{D2\_\mathrm{avg}}---\left(10\right);$

P_rec＝P_recD1K_D1+P_recD2K_D2 （11）；

其中：

P_swT1、P_swT2分别为子模块上下桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗；

P_recD1、P_recD2为子模块上下桥臂续流二极管FWD的反向恢复损耗；

f_p为载波频率；

E_{on_T1}（E_{on_T2}）、E_{off_T1}（E_{off_T2}）分别为子模块上（下）桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT在参考电压u_{ref_T1}（u_{ref_T2}）、参考电流i_{ref_T1}（i_{ref_T2}）和最大工作结温（常取125℃）的开通与关断损耗；

E_{rec_D1}（E_{rec_D2}）为子模块上（下）桥臂续流二极管FWD在参考电压u_{ref_D1}（u_{ref_D2}）、参考电流i_{ref_D1}（i_{ref_D2}）和最大工作结温（常取125℃）的反向恢复损耗；

U_c为子模块电容器电压。

步骤3.2：分别计算绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗、续流二极管FWD的反向恢复损耗；

P_sw＝P_swT1K_T1+P_swT2K_T2 （12）；

P_rec＝P_recD1K_D1+P_recD2K_D2 （13）；

K_T1、K_T2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的结温系数；

K_D1、K_D2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的结温系数。

本发明采用5SNA1500E330305ABBHiPak^TM型绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗与集电极电流的关系以及绝缘栅双极型晶体管IGBT中续流二极管反向恢复损耗、电流、电量与正向电流的关系分别如图3和图4所示。

步骤3.2：通过迭代法分别计算绝缘栅双极型晶体管IGBT的结温系数和续流二极管FWD的结温系数；

$K_{T1}=\frac{1}{E_{1\mathrm{swT}1}}\[\frac{E_{1\mathrm{swT}1}-E_{2\mathrm{swT}1}}{100}(t-25)+E_{2\mathrm{swT}1}\]---\left(14\right);$

$K_{T2}=\frac{1}{E_{1\mathrm{swT}2}}\[\frac{E_{1\mathrm{swT}2}-E_{2\mathrm{swT}2}}{100}(t-25)+E_{2\mathrm{swT}2}\]---\left(15\right);$

$K_{D1}=\frac{1}{E_{1\mathrm{recD}1}}\[\frac{E_{1\mathrm{recD}1}-E_{2\mathrm{recD}1}}{100}(t-25)+E_{2\mathrm{recD}1}\]---\left(16\right);$

$K_{D2}=\frac{1}{E_{1\mathrm{recD}2}}\[\frac{E_{1\mathrm{recD}2}-E_{2\mathrm{recD}2}}{100}(t-25)+E_{2\mathrm{recD}2}\]---\left(17\right);$

其中：

t为工作结温；

E_1swT1、E_2swT1分别为子模块上半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT在125℃、25℃时的开关损耗；

E_1swT2、E_2swT2分别为子模块下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT在125℃、25℃时的开关损耗；

E_1recD1、E_2recD1分别为子模块上半桥臂续流二极管FWD在125℃、25℃时的反向恢复损耗；

E_1recD2、E_2recD2分别为子模块下半桥臂续流二极管FWD在125℃、25℃时的反向恢复损耗。

步骤4：计算可控电压源型换流器三相总损耗。

所述可控电压源型换流器三相总损耗的计算公式为：

$P_{\mathrm{total}}=6N({\stackrel{\‾}{P}}_{T1\_\mathrm{con}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{T2\_\mathrm{con}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{D1\_\mathrm{con}}+{\stackrel{\‾}{P}}_{D2\_\mathrm{con}}+P_{\mathrm{sw}}+P_{\mathrm{rec}}+P_{T1\mathrm{drive}}+P_{T2\mathrm{drive}})---\left(18\right);$

其中：

N为换流器每个桥臂的子模块个数；

P_T1drive、P_T2drive分别为子模块上半桥臂、下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动电路的损耗。

若换流器以整流状态运行时，由于流经桥臂的实际直流电流分量与整流状态下的桥臂直流电流分量方向相反，而交流电流分量相同，则整流器子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的电流可近似（忽略换流站的损耗）等效为逆变器子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的电流；子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的电流可近似等效为逆变器子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的电流。因此，换流器在整流状态下的开关器件损耗的计算可参照其逆变状态下开关器件损耗的计算。

本发明系统地分析了子模块上半桥臂、下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD中的有效电流，为可控电压源型换流器的损耗程序计算提供了计算方法。该程序的计算结果与实际柔性直流输电工程基本吻合。因此，该损耗计算程序对柔性直流换流器的损耗评估与换流器冷却系统的配置具有较好的指导意义。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于模块化多电平电压源型换流器的损耗确定方法，所述模块化多电平电压源型换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成模块化多电平电压源型换流器直流端的正负极母线；

其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：确定单相电压源型换流器的电流；

步骤2：确定电压源型换流器的导通损耗；

步骤3：确定电压源型换流器的开关损耗；

步骤4：确定电压源型换流器三相总损耗；

所述步骤1包括下述子步骤：

步骤1.1：确定电压源型换流器的桥臂电流，表达式如下：

其中：I_dc为直流线路电流；I_m为i相电流峰值；ω为基波角频率；为i相电流滞后i电压的角度；i为A相、B相或C相；

步骤1.2：确定子模块中上半桥臂和下半桥臂的电流；流经子模块上半桥臂和下半桥臂的电流分别为：

其中：m为调制因数，即相电压峰值与直流线路对地电压绝对值U_dcN的比值；

步骤1.3：分别确定子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的平均电流I_{T1_avg}、I_{T2_avg}及有效电流I_{T1_rms}、I_{T2_rms}；表达式分别如下：

步骤1.4：分别确定子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的平均电流I_{D1_avg}、I_{D2_avg}及有效电流I_{D1_rms}、I_{D2_rms}；表达式分别如下：

所述步骤2中，利用开关器件厂家提供的器件参数与步骤1中绝缘栅双极型晶体管IGBT与续流二极管FWD的平均电流与有效电流，确定电压源型换流器的导通损耗，包括：

在一个基波周期内，上半桥臂、下半桥臂的绝缘栅双极型晶体管IGBT和续流二极管FWD平均导通损耗分别为：

${\stackrel{\‾}{P}}_{T1\_con}=I_{T1\_avg}\·U_{T1\_0}+r_{T1\_0}\·{\left(I_{T1\_rms}\right)}^2---\left(3\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{T2\_con}=I_{T2\_avg}\·U_{T2\_0}+r_{T2\_0}\·{\left(I_{T2\_rms}\right)}^2---\left(4\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{D1\_con}=I_{D1\_avg}\·U_{D1\_0}+r_{D1\_0}\·{\left(I_{D1\_rms}\right)}^2---\left(5\right);$

${\stackrel{\‾}{P}}_{D2\_con}=I_{D2\_avg}\·U_{D2\_0}+r_{D2\_0}.{\left(I_{D2\_rms}\right)}^2---\left(6\right);$

其中：

分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的平均导通损耗；

U_{T1_0}、U_{T2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通阈值电压；

r_{T1_0}、r_{T2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的正向导通电阻；

分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的平均导通损耗；

U_{D1_0}、U_{D2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的导通阈值电压；

r_{D1_0}、r_{D2_0}分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的正向导通电阻；

所述步骤3包括下述子步骤：

步骤3.1：分别确定子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗和续流二极管FWD的反向恢复损耗；

$P_{swT1}=f_p\×\left(\frac{E_{on\_T1}+E_{off\_T1}}{u_{ref\_T1}\×i_{ref\_T1}}\right)\×U_c{I}_{T1\_avg}---\left(7\right);$

$P_{swT2}=f_p\×\left(\frac{E_{on\_T2}+E_{off\_T2}}{u_{ref\_T2}\×i_{ref\_T2}}\right)\×U_c{I}_{T2\_avg}---\left(8\right);$

$P_{recD1}=f_p\×\frac{E_{rec\_D1}}{u_{ref\_D1}\×i_{ref\_D1}}\×I_{D1\_avg}---\left(9\right);$

$P_{recD2}=f_p\×\frac{E_{rec\_D2}}{u_{ref\_D2}\×i_{ref\_D2}}\×I_{D2\_avg}---\left(10\right);$

其中：

P_swT1、P_swT2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗；

P_recD1、P_recD2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的反向恢复损耗；

f_p为载波频率；

E_{on_T1}、E_{off_T1}分别为子模块上半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT在参考电压u_{ref_T1}、参考电流i_{ref_T1}且最大工作结温的开通与关断损耗；E_{rec_D1}为子模块上半桥臂中续流二极管FWD在参考电压u_{ref_D1}、参考电流i_{ref_D1}且最大工作结温的反向恢复损耗；E_{on_T2}、E_{off_T2}分别为子模块下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT在参考电压u_{ref_T2}、参考电流i_{ref_T2}且最大工作结温的开通与关断损耗；E_{rec_D2}为子模块下半桥臂中续流二极管FWD在参考电压u_{ref_D2}、参考电流i_{ref_D2}且最大工作结温的反向恢复损耗；所述最大工作结温取125℃；

U_c为子模块电容器电压；

步骤3.2：通过迭代法分别确定绝缘栅双极型晶体管IGBT的结温系数和续流二极管FWD的结温系数，表达式分别如下：

$K_{T1}=\frac{1}{E_{1swT1}}\[\frac{E_{1swT1}-E_{2swT1}}{100}(t-25)+E_{2swT1}\]---\left(11\right);$

$K_{T2}=\frac{1}{E_{1swT2}}\[\frac{E_{1swT2}-E_{2swT2}}{100}(t-25)+E_{2swT2}\]---\left(12\right);$

$K_{D1}=\frac{1}{E_{1recD1}}\[\frac{E_{1recD1}-E_{2recD1}}{100}(t-25)+E_{2recD1}\]---\left(13\right);$

$K_{D2}=\frac{1}{E_{1recD2}}\[\frac{E_{1recD2}-E_{2recD2}}{100}(t-25)+E_{2recD2}\]---\left(14\right);$

其中：

t为工作结温；

E_1swT1、E_2swT1分别为子模块上半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT在125℃和25℃时的开关损耗；

E_1swT2、E_2swT2分别为子模块下半桥臂绝缘栅双极型晶体管IGBT在125℃和25℃时的开关损耗；

E_1recD1、E_2recD1分别为子模块上半桥臂续流二极管FWD在125℃和25℃时的反向恢复损耗；

E_1recD2、E_2recD2分别为子模块下半桥臂续流二极管FWD在125℃和25℃时的反向恢复损耗；

步骤3.3：分别确定子模块上半桥臂和下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关损耗、续流二极管FWD的反向恢复损耗；

P_sw＝P_swT1K_T1+P_swT2K_T2 (15)；

P_rec＝P_recD1K_D1+P_recD2K_D2 (16)；

其中：K_T1、K_T2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的结温系数；

K_D1、K_D2分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中续流二极管FWD的结温系数；

所述步骤4中电压源型换流器三相总损耗用下述表达式表示：

$P_{total}=6N({\stackrel{\‾}{P}}_{T1\_con}+{\stackrel{\‾}{P}}_{T2\_con}+{\stackrel{\‾}{P}}_{D1\_con}+{\stackrel{\‾}{P}}_{D2\_con}+P_{sw}+P_{rec}+P_{T1drive}+P_{T2drive})---\left(17\right);$

其中：N为换流器每个桥臂的子模块个数；

P_T1drive、P_T2drive分别为子模块上半桥臂、下半桥臂中绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动电路的损耗。