CN103995981A - 柔性直流输电系统中mmc换流器损耗的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，包括以下步骤：1)利用稳态计算程序EXCEL版本搭建真实的MMC换流器模型，在搭建真实的MMC换流器模型过程中调用IGBT厂家提供的真实器件参数；2)采用基于PWM控制的MATLAB计算程序模拟不同控制方式下的器件通/断状态，计算出损耗值；3)通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗。本发明在工程方案论证时，能提供重要的技术经济指标，并且可以对选择不同器件、不同的控制方式下的损耗值给出比较，节省运行费用，对方案优化起到指导作用，因此，对电力行业的节能发展起到了积极的作用。

Description

柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法。属于电力系统输配电技术领域。

背景技术

随着电力系统大容量、远距离传输功率的发展，柔性直流输电技术被广泛应用于输配电领域，它是智能电网领域最具代表性的技术，在国内外的工程应用越来越多。与常规直流输电技术相比，该技术具有良好的控制性能，是最新一代的直流输电技术，但换流器的损耗却比常规直流输电要高得多，该技术在国外发展十多年，换流器技术从两电平、三电平技术发展到MMC换流器技术。目前国内外已经有4个采用MMC换流器的柔性直流输电工程，并且该技术将大量地应用于在建或后续的工程中。

基于MMC的柔性直流输电系统的损耗大小是对输电方案技术经济比较的重要指标，主要包括换流站损耗和直流线路损耗。其中，换流站的损耗又包括MMC换流器、连接变压器、阀电抗器、直流电抗器等设备的损耗。

目前，对基于MMC的柔性直流输电系统的损耗计算，仅有针对连接变压器、阀电抗器、直流电抗器等设备的损耗计算方法，而对MMC换流器的损耗，还没有在柔性直流输电工程前期对其进行过计算，即还没有在柔性直流输电工程的前期对MMC换流器的损耗做过详细的评估，仅在投产后对损耗进行实测，由于是滞后的损耗测试方法，只能算是一种后评价方法，不能对前期工程方案的技术经济比较提供依据，影响柔性直流输电工程的可行性研究。

发明内容

本发明的目的，是为了解决现有技术不能在可行性研究阶段对MMC换流器的功耗进行评估，即不能在前期对工程方案的技术经济进行评估的缺陷，提供一种柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案达到：

柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：首先根据柔性直流输电系统的容量、电压等级以及IGBT器件参数，搭建接近实际工程的MMC换流器模型，然后通过采用不同的控制方式，模拟出每个子模块中开关器件的通/断状态和时间，通过MATLAB计算引擎，计算出整个MMC换流器的损耗。

本发明的目的还可以通过以下技术方案达到：

本发明的一种技术改进方案是：

1)利用稳态计算程序EXCEL版本搭建真实的MMC换流器模型，在搭建真实的MMC换流器模型过程中调用IGBT厂家提供的真实器件参数；

2)采用基于PWM控制的MATLAB计算程序模拟不同控制方式下的器件通/断状态，计算出损耗值；

3)通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗。

本发明的一种技术改进方案是：计算柔性直流输电系统中MMC换流器的开关器件的通态损耗和开关损耗，所述通态损耗主要是IGBT和二极管器件处于导通状态时流过的电流与其导通压降的乘积所产生的损耗；所述开关损耗是IGBT器件的开通和关断在非理想过程，在开关过程中电压上升或下降的同时电流下降或上升，两者的乘积产生损耗的能量，以及二极管在关断时由于反向恢复电流而产生能量的损耗。

本发明的一种技术改进方案是：通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗，是指：

1)首先程序根据系统输入的参数和开关器件的技术参数对MMC换流器的各种变量进行初始化，然后根据设定的运行工况计算出换流器的稳态运行电压电流；

2)在MATLAB程序中真实模拟脉冲调制的过程，将一个工频周期分为2000个点，逐点循环计算。在每个计算点，对每相上桥臂N个变流单元和下桥臂N个变流单元也是逐个循环计算，根据脉冲调制方法在程序中生成各变流单元的触发脉冲，对于变流单元n，当Sn发生变化时，根据说明书所述表2得到所对应的能量损耗，并将此能量损耗进行累加；

3)在每个计算点tm，各开关器件的正向电压和电流依据步骤1)分的方法进行计算，当整个波形的数据都计算结束后，直接将各器件的电压和电流相乘，并得到一个工频周期内的通态损耗能量之和；

4)最后将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为1秒时间的损耗能量，就可以得到换流器的总体损耗，以及换流器效率等参数。

本发明的一种技术改进方案是：计算MMC换流器的通态损耗包括如下步骤：

1)计算子模块上IGBT管T1的导通电流i_T1，根据电流i_T1计算导通压降v_T1；

2)计算子模块下IGBT管T2的导通电流i_T2，根据电流i_T2计算导通压降v_T2；

3)计算子模块上反向二极管D1的导通电流i_D1，根据电流i_D1计算导通压降v_D1；

4)计算子模块下反向二极管D2的导通电流i_D2，根据电流i_D2计算导通压降v_D2；

5)计算子模块的通态损耗P_cond，其计算公式为：

$P_{\mathrm{cond}}=\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{T_1}(v_{T1}{i}_{T1}+v_{T2}{i}_{T2}+v_{D1}{i}_{D1}+v_{D2}{i}_{D2})\mathrm{dt}$

其中，T₁为工频周期；

6)将所有子模块的通态损耗相加，即计算得到整个MMC换流器的通态损耗。

本发明的一种技术改进方案是：计算MMC换流器的开关损耗包括如下步骤：

1)当子模块上反向二极管D1开通时，同时下IGBT管T2关断，计算下IGBT管T2的关断损耗E_{T2_off}；

2)当子模块上IGBT管T1开通时，同时下反向二极管D2关断，计算下反向二极管D2的关断损耗E_{D2_rec}和IGBT管T1的开通损耗E_{T1_on}；

3)当子模块上反向二极管D1关断时，同时下IGBT管T2开通，计算上反向二极管D1的关断损耗E_{D1_rec}和IGBT管T2的开通损耗E_{T2_on}；

4)当子模块上IGBT管T1关断时，同时下反向二极管D2开通，计算上IGBT管T1的关断损耗E_{T1_off}；

5)每当发生一次开关动作，将其对应的能量进行叠加，得到子模块的开关损耗，将所有子模块的开关损耗相加，即计算得到整个MMC换流器的开关损耗。

本发明的一种技术改进方案是：计算MMC换流器的总损耗以及效率参数，将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为1秒时间的损耗能量，即计算得到MMC换流器的总体损耗以及效率参数。

本发明的一种技术改进方案是：所述子模块上IGBT管T1的导通电流i_T1、下IGBT管T2的导通电流i_T2、上反向二极管D1的导通电流i_D1以及下反向二极管D2的导通电流i_D2的计算公式分别为：

i_T1＝ABS(SGN(-i_s1)×i_s1)

i_T2＝ABS(SGN(i_s2)×i_s2)

i_D1＝ABS(SGN(i_s1)×i_s1)

i_D2＝ABS(SGN(-i_s2)×i_s2)

其中，i_s1为流过上管的电流，i_s2为流过下管的电流，而i_s1＝S₁×i_brg，i_s2＝(1-S₁)×i_brg，S₁为上管开关状态，S₂为下管开关状态，i_brg为桥臂电流，SGN(x)为符号函数，当x>0时为1，否则为0。ABS(x)为绝对值函数。

本发明的一种技术改进方案是：所述子模块上IGBT管T1的导通压降v_T1、下IGBT管T2的导通压降v_T2、上反向二极管D1的导通压降v_D1以及下反向二极管D2的导通压降v_D2的计算公式分别为：

v_T1＝V_T0+R_CE×i_T1

v_T2＝V_T0+R_CE×i_T2

v_D1＝V_F0+R_D×i_D1

v_D2＝V_F0+R_D×i_D2

其中，V_T0为IGBT管的阀值电压，R_CE为IGBT管的斜率电阻，V_F0为反向二极管的阀值电压，R_D为反向二极管的斜率电阻。

本发明的一种技术改进方案是：所述上IGBT管T1的开通损耗E_{T1_on}和关闭损耗E_{T1_off}、下IGBT管T2开通损耗E_{T2_on}和关闭损耗E_{T2_off}、上反向二极管D1的关断损耗E_{D1_rec}以及下反向二极管D2的关断损耗E_{D2_rec}的计算公式分别为：

$E_{T1\_\mathrm{on}}=E_{\mathrm{on}}\×\frac{i_{T1}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T1}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T1\_\mathrm{off}}=E_{\mathrm{off}}\×\frac{i_{T1}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T1}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T2\_\mathrm{on}}=E_{\mathrm{on}}\×\frac{i_{T2}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T2}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T2\_\mathrm{off}}=E_{\mathrm{off}}\×\frac{i_{T2}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T2}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{D1\_\mathrm{rec}}=E_{\mathrm{rec}}\×\frac{i_{D1}}{I_{F,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{D1}}{V_{F,\mathrm{nom}}}$

$E_{D2\_\mathrm{rec}}=E_{\mathrm{rec}}\×\frac{i_{D2}}{I_{F,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{D2}}{V_{F,\mathrm{nom}}}$

其中，E_on为开通过程能量，E_off为关断过程能量，E_rec为反向恢复能量，I_C,nom为E_off和E_on对应的电流条件，V_CE,nom为E_off和E_on对应的电压条件，I_F,nom为E_rec对应的电流条件，I_F,nom为E_rec对应的电压条件。

本发明具有如下突出的有益效果：

1、本发明根据系统容量、电压等级以及IGBT器件参数，搭建接近实际工程的MMC换流器模型，然后通过改变控制方式，模拟出每个子模块中开关器件的开断状态和时间，通过MATLAB计算引擎，模拟不同控制方式下的器件通断状态，从而计算出整个MMC换流器的损耗。因此本发明在设计阶段就对MMC换流器的功耗进行评估，为前期工程设计提供了技术经济依据，有利于确定柔性直流输电工程的整体设计方案，解决了现有技术不能对前期工程方案的技术经济进行评估的问题，同时具有方法简单易实现，评估结果较准确的有益效果。

2、本发明所述的MMC换流器损耗计算方法，能计算MMC换流器的通态损耗和开关损耗，能给出实际柔性直流输电工程运行时较为准确的损耗值大小，在工程方案论证时，能提供重要的技术经济指标，并且可以对选择不同器件、不同的控制方式下的损耗值给出比较，节省运行费用，对方案优化起到指导作用，因此，对电力行业的节能发展起到了积极的作用。

附图说明

图1为本发明MMC换流器IGBT管导通压降计算示意图。

图2为本发明MMC换流器IGBT管开关损耗示意图。

图3为本发明MMC换流器反向二极管导通压降示意图。

图4为本发明MMC换流器反向二极管反向恢复示意图。

图5a、图5b、图5c和图5d为本发明MMC换流器子模块开关状态示意图。

图6本发明损耗计算程序流程图。

具体实施方式

具体实施例1：

图1-图4、图5a-图5d和图6构成本发明的具体实施例1。

柔性直流输电MMC换流器的损耗主要来自于开关器件的通态损耗和开关损耗。通态损耗是IGBT管和反向二极管处于导通状态时流过的电流与其导通压降的乘积所产生的损耗。开关损耗是由于IGBT管和反向二极管器件的开通和关断是非理想过程，在开关过程中电压上升(或下降)的同时电流下降(或上升)，两者的乘积产生损耗的能量，反向二极管在关断时也会由于反向恢复电流而产生能量的损耗。

一、IGBT管的损耗计算

1)IGBT的导通损耗

参照图1，在IGBT处于导通状态时，流过IGBT的电流会在IGBT上产生导通压降。所示曲线描述了IGBT导通压降V_CE和导通电流I_C的关系。通过V_CE和I_C的乘积就可以得到IGBT的通态功率损耗。为了方便计算，通常将IGBT的导通特性曲线进行两段线性化，如表达式(1)所示：

V_CE＝V_T0+R_CE×I_C            (1)

其中，V_T0为阈值电压，R_CE为斜率电阻，这两个参数可以根据器件制造商所提供的数据表数据得到，或者通过数据表所提供的器件导通特性曲线推算得到。

导通损耗如表达式(2)所示：

P_T＝V_CE×I_C           (2)

装置运行时流过开关器件的电流通常并不是直流电流，因此还需要考虑到电流波形等因素计算一个工频周期内的导通损耗。或者在开关波形和各电压电流波形已经确定的情况下，通过逐点累加能量损耗的方式计算导通损耗。

2)IGBT的开关损耗

参照图2,，IGBT导通和关断的过程也都是非理想的，都分别有一个电压下降电流上升和电流上升电压下降的短暂重叠时间，这个时间内电压电流的乘积导致能量的损耗，也就是开关损耗。器件数据表中会提供开通过程能量数据E_on，以及关断过程能量数据E_off。数据表中E_on和E_off的参数通常是对应给定的电流条件I_C,nom和电压条件V_CE,nom的，所以在实际计算开关能量时应根据开关时刻的电压V_CE和电流I_c进行折算后得到损耗能量如表达式(3)、(4)所示：

$E_{T\_\mathrm{on}}=E_{\mathrm{on}}\×\frac{I_C}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{V_{\mathrm{ce}}}{V_{\mathrm{ce},\mathrm{nom}}}---\left(3\right)$

$E_{T\_\mathrm{off}}=E_{\mathrm{off}}\×\frac{I_C}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{V_{\mathrm{ce}}}{V_{\mathrm{ce},\mathrm{nom}}}---\left(4\right)$

通过表达式(3)和(4)计算出每次开通过程和关断过程的能量损耗，对于周期性的运行工况，将1秒内所有的开关过程的能量损耗相加就可以得到开关功率损耗。

二、反向二极管的损耗

1)反向二极管的通态损耗

参照图3，与IGBT管的相类似，流过反向二极管的电流同样会在反向二极管上产生导通压降，所示曲线描述了二极管导通压降V_F和导通电流I_F的关系。通过V_F和I_F的乘积就可以得到二极管的通态功率损耗。反向二极管的导通特性参数或曲线同样可以由器件制造商提供的数据表得到。同样为了方便计算，通常将二极管的导通特性曲线进行两段线性化，根据数据表计算出阈值电压V_F0，斜率电阻R_D，如表达式(5)所示计算V_F：

V_F＝V_F0+R_D×I_F           (5)

计算导通损耗功率如表达式(6)所示：

P_F＝V_F×I_F            (6)

2)反向二极管的开关损耗

参照图4，为二极管的方向恢复过程，在开关损耗方面，二极管通常只考虑关断时反向恢复过程所引起的能量损耗。根据器件数据表，查找得到反向恢复能量数据E_rec，关断损耗能量如表达式(7)所示：

$E_{D\_\mathrm{rec}}=E_{\mathrm{rec}}\×\frac{I_F}{I_{F,\mathrm{nom}}}\×\frac{V_F}{V_{F,\mathrm{nom}}}---\left(7\right)$

三、MMC换流器损耗计算方法

如果确定了一个周期内某只IGBT管的电压和电流波形，根据上面所提供的计算方法，此单只器件的损耗也就可以获得。换流器内所有开关器件的损耗之和就是换流器的总损耗。IGBT管的电压和电流波形通常取决于电压源换流器的拓扑结构、开关频率、工作电压和电流等。

1)MMC换流器通态损耗计算方法

参照图5a、图5b、图5c和图5d及表1，为MMC换流器的一个子模块，若已知桥臂电流i_brg，以及此子模块的开关状态S1(‘1’时上管导通，’0’时下管导通)，可以对流过IGBT的电流波形进行分析。

只要S₁＝1(即上管开通)，桥臂电流都将流过上管(IGBT或者反向二极管)。因此流过上管S₁(包括IGBT管T1和二极管D1)的电流如表达式(8)所示：

i_s1＝S₁×i_brg      (8)

对于S₁内部的T1管和D1管，当桥臂电流方向为负时，电流将流过IGBT管T1，当桥臂电流方向为正时，电流将流过二极管D1。因此T1和D1中的电流可以按表达式(9)和(10)解析计算：

i_T1＝ABS(SGN(-i_s1)×i_s1)     (9)

i_D1＝ABS(SGN(i_s1)×i_s1)       (10)

其中SGN(x)为符号函数，当x>0时为1，否则为0。ABS(x)为绝对值函数，目的是为了得到正向流过器件的电流。

同样，当S₁＝0(即下管开通)时，桥臂电流都将流过下管(IGBT或者反向二极管)。因此流过下管S₂(包括IGBT管T2和二极管D2)的电流如表达式(11)所示：

i_s2＝(1-S₁)×i_brg         (11)

对于S₂内部的T2管和D2管，当桥臂电流方向为正时，电流将流过IGBT管T2，当桥臂电流方向为负时，电流将流过二极管D2。因此T2和D2中的电流可以按表达式(12)和(13)解析计算如下：

i_T2＝ABS(SGN(i_s2)×i_s2)       (12)

i_D2＝ABS(SGN(-i_s2)×i_s2)       (13)

表1  开关器件正向导通电流的计算

在得到各开关器件的正向导通电流后，根据表达式(1)和表达式(5)可以分别计算出IGBT管和反向二极管的正向导通压降：

v_T1＝V_T0+R_CE×i_T1

v_T2＝V_T0+R_CE×i_T2

v_D1＝V_F0+R_D×i_D1

v_D2＝V_F0+R_D×i_D2

因此此子模块的通态损耗可以表示为：

$P_{\mathrm{cond}}=\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{T_1}(v_{T1}{i}_{T1}+v_{T2}{i}_{T2}+v_{D1}{i}_{D1}+v_{D2}{i}_{D2})\mathrm{dt}---\left(14\right)$

其中，T1为工频周期。

将所有子模块的通态损耗相加，即可以得到整个MMC换流器的通态损耗。

2)MMC换流器通态损耗计算方法

参照图5a、图5b、图5c和图5d及表2，给出了子模块对应不同开关状态和电流方向时的四种运行状态。当发生开关动作时，会引起运行状态的切换，从而引起相应的开关能量损失。

每当发生一次开关动作，将其对应的能量进行叠加，得到子模块的开关损耗，将所有子模块的开关损耗相加，即计算得到整个MMC换流器的开关损耗，根据表达式(3)、(4)和(7)，计算IGBT管和反向二极管的开关损耗。

$E_{T1\_\mathrm{on}}=E_{\mathrm{on}}\×\frac{i_{T1}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T1}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T1\_\mathrm{off}}{=E}_{\mathrm{off}}\×\frac{i_{T1}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T1}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T2\_\mathrm{on}}=E_{\mathrm{on}}\×\frac{i_{T2}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T2}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T2\_\mathrm{off}}=E_{\mathrm{off}}\×\frac{i_{T2}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T2}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{D1\_\mathrm{rec}}=E_{\mathrm{rec}}\×\frac{i_{D1}}{I_{F,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{D1}}{V_{F,\mathrm{nom}}}$

$E_{D2\_\mathrm{rec}}=E_{\mathrm{rec}}\×\frac{i_{D2}}{I_{F,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{D2}}{V_{F,\mathrm{nom}}}$

表2MMC换流器开关器件正向导通电流的计算

四、换流器损耗计算程序

参照图6，根据MMC换流器的工作原理建立了计算程序，并真实模拟PWM的过程，可以得到各种工况下器件的电压、电流和开关情况，自动计算每一只器件的损耗，并得到换流器的总损耗。同时根据器件的热阻等参数可以估算出器件的温升情况。

首先程序根据系统输入的参数和开关器件的技术参数对MMC换流器的各种变量进行初始化，然后根据设定的运行工况计算出换流器的稳态运行电压电流。

为了能够准确计算出换流器的开关损耗和通态损耗，在常规的MATLAB程序中真实模拟脉冲调制的过程。将一个工频周期分为2000个点，逐点循环计算。在每个计算点，对每相上桥臂N个变流单元和下桥臂N个变流单元也是逐个循环计算。根据脉冲调制方法在程序中生成各变流单元的触发脉冲。对于变流单元n，当S_n发生变化时，根据表2即可以得到所对应的能量损耗，并将此能量损耗进行累加。

在每个计算点tm，各开关器件的正向电压和电流也可以依据第一部分的方法进行计算。当整个波形的数据都计算结束后，直接将各器件的电压和电流相乘，并得到一个工频周期内的通态损耗能量之和。

最后将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为1秒时间的损耗能量，就可以得到换流器的总体损耗，以及换流器效率参数。

本实施例首先根据柔性直流输电系统的容量、电压等级以及IGBT器件参数，搭建接近实际工程的MMC换流器模型，然后通过改变控制方式，模拟出每个子模块中开关器件的通/断状态和时间，通过常规的MATLAB计算引擎，计算出整个MMC换流器的损耗。

本实施例中，

1)利用常规的稳态计算程序EXCEL版本搭建真实的MMC换流器模型，在搭建真实的MMC换流器模型过程中调用IGBT厂家提供的常规的真实器件参数；

2)采用常规的基于PWM控制的MATLAB计算程序模拟不同控制方式下的器件通/断状态，计算出损耗值；

3)通过常规铁MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗。

本实施例中，

计算柔性直流输电系统中MMC换流器的开关器件的通态损耗和开关损耗，所述通态损耗主要是IGBT和二极管器件处于导通状态时流过的电流与其导通压降的乘积所产生的损耗；所述开关损耗是IGBT器件的开通和关断在非理想过程，在开关过程中电压上升或下降的同时电流下降或上升，两者的乘积产生损耗的能量，以及二极管在关断时由于反向恢复电流而产生能量的损耗。

本实施例中，

通过常规的MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗，是指：

1)首先程序根据系统输入的参数和开关器件的技术参数对MMC换流器的各种变量进行初始化，然后根据设定的运行工况计算出换流器的稳态运行电压电流；

2)在MATLAB程序中真实模拟脉冲调制的过程，将一个工频周期分为2000个点，逐点循环计算。在每个计算点，对每相上桥臂N个变流单元和下桥臂N个变流单元也是逐个循环计算，根据脉冲调制方法在程序中生成各变流单元的触发脉冲，对于变流单元n，当Sn发生变化时，根据说明书所述表2得到所对应的能量损耗，并将此能量损耗进行累加；

3)在每个计算点tm，各开关器件的正向电压和电流依据步骤1)分的方法进行计算，当整个波形的数据都计算结束后，直接将各器件的电压和电流相乘，并得到一个工频周期内的通态损耗能量之和；

4)最后将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为1秒时间的损耗能量，就可以得到换流器的总体损耗，以及换流器效率等参数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：首先根据柔性直流输电系统的容量、电压等级以及IGBT器件参数，搭建接近实际工程的MMC换流器模型，然后通过改变控制方式，模拟出每个子模块中开关器件的通/断状态和时间，通过MATLAB计算引擎，计算出整个MMC换流器的损耗。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：

1)利用稳态计算程序EXCEL版本搭建真实的MMC换流器模型，在搭建真实的MMC换流器模型过程中调用IGBT厂家提供的真实器件参数；

2)采用基于PWM控制的MATLAB计算程序模拟不同控制方式下的器件通/断状态，计算出损耗值；

3)通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗。

3.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：计算柔性直流输电系统中MMC换流器的开关器件的通态损耗和开关损耗，所述通态损耗主要是IGBT和二极管器件处于导通状态时流过的电流与其导通压降的乘积所产生的损耗；所述开关损耗是IGBT器件的开通和关断在非理想过程，在开关过程中电压上升或下降的同时电流下降或上升，两者的乘积产生损耗的能量，以及二极管在关断时由于反向恢复电流而产生能量的损耗。

4.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗，是指：

1)首先程序根据系统输入的参数和开关器件的技术参数对MMC换流器的各种变量进行初始化，然后根据设定的运行工况计算出换流器的稳态运行电压电流；

2)在MATLAB程序中真实模拟脉冲调制的过程，将一个工频周期分为2000个点，逐点循环计算，在每个计算点，对每相上桥臂N个变流单元和下桥臂N个变流单元也是逐个循环计算，根据脉冲调制方法在程序中生成各变流单元的触发脉冲，对于变流单元n，当Sn发生变化时，根据说明书所述表2得到所对应的能量损耗，并将此能量损耗进行累加；

3)在每个计算点tm，各开关器件的正向电压和电流依据步骤1)分的方法进行计算，当整个波形的数据都计算结束后，直接将各器件的电压和电流相乘，并得到一个工频周期内的通态损耗能量之和；

4)最后将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为1秒时间的损耗能量，就可以得到换流器的总体损耗，以及换流器效率等参数。

5.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：计算MMC换流器的通态损耗包括如下步骤：

1)计算子模块上IGBT管T1的导通电流i_T1，根据电流i_T1计算导通压降v_T1；

2)计算子模块下IGBT管T2的导通电流i_T2，根据电流i_T2计算导通压降v_T2；

3)计算子模块上反向二极管D1的导通电流i_D1，根据电流i_D1计算导通压降v_D1；

4)计算子模块下反向二极管D2的导通电流i_D2，根据电流i_D2计算导通压降v_D2；

5)计算子模块的通态损耗P_cond，其计算公式为：

$P_{\mathrm{cond}}=\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{T_1}(v_{T1}{i}_{T1}+v_{T2}{i}_{T2}+v_{D1}{i}_{D1}+v_{D2}{i}_{D2})\mathrm{dt}$

其中，T₁为工频周期；

6)将所有子模块的通态损耗相加，即计算得到整个MMC换流器的通态损耗。

6.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：计算MMC换流器的开关损耗包括如下步骤：

1)当子模块上反向二极管D1开通时，同时下IGBT管T2关断，计算下IGBT管T2的关断损耗E_{T2_off}；

2)当子模块上IGBT管T1开通时，同时下反向二极管D2关断，计算下反向二极管D2的关断损耗E_{D2_rec}和IGBT管T1的开通损耗E_{T1_on}；

3)当子模块上反向二极管D1关断时，同时下IGBT管T2开通，计算上反向二极管D1的关断损耗E_{D1_rec}和IGBT管T2的开通损耗E_{T2_on}；

4)当子模块上IGBT管T1关断时，同时下反向二极管D2开通，计算上IGBT管T1的关断损耗E_{T1_off}；

5)每当发生一次开关动作，将其对应的能量进行叠加，得到子模块的开关损耗，将所有子模块的开关损耗相加，即计算得到整个MMC换流器的开关损耗。

7.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：计算MMC换流器的总损耗以及效率参数，将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为1秒时间的损耗能量，即计算得到MMC换流器的总体损耗以及效率参数。

8.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：所述子模块上IGBT管T1的导通电流i_T1、下IGBT管T2的导通电流i_T2、上反向二极管D1的导通电流i_D1以及下反向二极管D2的导通电流i_D2的计算公式分别为：

i_T1＝ABS(SGN(-i_s1)×i_s1)

i_T2＝ABS(SGN(i_s2)×i_s2)

i_D1＝ABS(SGN(i_s1)×i_s1)

i_D2＝ABS(SGN(-i_s2)×i_s2)

其中，i_s1为流过上管的电流，i_s2为流过下管的电流，而i_s1＝S₁×i_brg，i_s2＝(1-S₁)×i_brg，S₁为上管开关状态，S₂为下管开关状态，i_brg为桥臂电流，SGN(x)为符号函数，当x>0时为1，否则为0。ABS(x)为绝对值函数。

9.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：所述子模块上IGBT管T1的导通压降v_T1、下IGBT管T2的导通压降v_T2、上反向二极管D1的导通压降v_D1以及下反向二极管D2的导通压降v_D2的计算公式分别为：

v_T1＝V_T0+R_CE×i_T1

v_T2＝V_T0+R_CE×i_T2

v_D1＝V_F0+R_D×i_D1

v_D2＝V_F0+R_D×i_D2

其中，V_T0为IGBT管的阀值电压，R_CE为IGBT管的斜率电阻，V_F0为反向二极管的阀值电压，R_D为反向二极管的斜率电阻。

10.根据权利要求6所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于：所述上IGBT管T1的开通损耗E_{T1_on}和关闭损耗E_{T1_off}、下IGBT管T2开通损耗E_{T2_on}和关闭损耗E_{T2_off}、上反向二极管D1的关断损耗E_{D1_rec}以及下反向二极管D2的关断损耗E_{D2_rec}的计算公式分别为：

$E_{T1\_\mathrm{on}}=E_{\mathrm{on}}\×\frac{i_{T1}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T1}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T1\_\mathrm{off}}=E_{\mathrm{off}}\×\frac{i_{T1}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T1}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T2\_\mathrm{on}}=E_{\mathrm{on}}\×\frac{i_{T2}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T2}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{T2\_\mathrm{off}}=E_{\mathrm{off}}\×\frac{i_{T2}}{I_{C,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{T2}}{V_{\mathrm{CE},\mathrm{nom}}}$

$E_{D1\_\mathrm{rec}}=E_{\mathrm{rec}}\×\frac{i_{D1}}{I_{F,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{D1}}{V_{F,\mathrm{nom}}}$

$E_{D2\_\mathrm{rec}}=E_{\mathrm{rec}}\×\frac{i_{D2}}{I_{F,\mathrm{nom}}}\×\frac{v_{D2}}{V_{F,\mathrm{nom}}}$

其中，E_on为开通过程能量，E_off为关断过程能量，E_rec为反向恢复能量，I_C,nom为E_off和E_on对应的电流条件，V_CE,nom为E_off和E_on对应的电压条件，I_F,nom为E_rec对应的电流条件，I_F,_nom为E_rec对应的电压条件。