CN104049146A - 一种确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种较准确的确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法，通过试验的方法测量链式多电平变流器功率模块在预充电完成后的损耗P，近似认为是开关电源等恒功率负载产生的近似静态恒功率负载，并得到最大近似静态恒功率负载P_M。然后计算链式多电平变流器功率模块预充电完成后的平均直流电压Udc。根据功率模块的平均直流电压Udc和测量的最大静态恒功率负载P_M计算得到静态均压电阻的最大值Z_M。本发明准确、实用，不但可以保证所有的功率模块在串联后能够安全稳定运行，而且降低了链式多电平变流器的功耗，提高了效率。

Description

一种确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法，应用于需要链式多电平变流器等较高耐压水平的电力电子设备。 

背景技术

由晶闸管、IGBT、IEGT等电力电子器件串联组成的链式多电平换流器是静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)等灵活交流输电系统(FACTS)和高压直流输电系统(HVDC)的核心部件。随着电力电子技术领域的快速发展和器件制造水平的提高以及电力电子设备应用领域的不断发展，链式多电平换流器功率模块所采用的电力电子器件的电压电流等级大大提高，运行工况也越来越复杂，这就对链式多电平换流器功率模块的制造技术提出了更高的要求。同时，要保证电力电子装置在电力系统的广泛应用，必须保证其装置的可靠性，而可靠性的评估必须以对设计的精确认识为基础。 

链式多电平变流器预充电过程中，功率模块内的损耗大概可以分为两种类型：一种是恒功率负载，另一种是恒阻性负载。当功率模块内直流电容的预充电电压达到一定阈值后，开关电源启动，负责给功率模块内部的就地控制板和门极驱动板供电。就地控制板的功耗可以近似认为是恒定的，而在功率器件处于闭锁期间，门极驱动的损耗也是恒定的。因此，在功率模块预充电过程中，当达到开关电源启动的阈值之后，开关电源的功耗基本不随功率模块直流母线电压的变化而变化，也就是说，开关电源是恒功率负载。而功率模块内的采样测量电路、直流电容的漏电流等引起的损耗均可以等效为恒阻性负载产生的功耗。 

链式多电平变流器在预充电过程中流过串联功率模块的电流是相同的，如果功率模块的元器件参数完全一致，理论上所有功率模块的电压在预充电过程中是同步上升并保持一致的，充电结束后也会达到相同的直流电压。但实际上，元器件不可避免的存在各种差异，从而造成功率模块内的损耗并不完全一致。 

仿真和实验结果均表明，链式多电平变流器功率模块之间小幅的损耗差异就 会导致功率模块的直流电压之间出现显著的不平衡。在预充电启动后一定时间内，功率模块的直流电压会逐渐发散，一部分功率模块的直流电压持续下降，而另一部分功率模块的直流电压则会继续上升，从而导致功率模块直流电压失稳。功率模块的直流电压低于开关电源的启动电压时，会影响功率模块甚至链式多电平变流器的正常运行，而功率模块直流电压的持续上升很容易造成直流电容和电力电子器件因过压损坏，这对于高压大容量的链式多电平变流器设备是非常危险的。 

为了研究链式多电平变流器功率模块的静态均压设计与功率模块内部损耗之间的关系，有必要对两种类型的负载进行详细研究：恒功率负载和恒阻性负载都是功率模块内部直流电容的并联负载：其中开关电源等恒功率负载所消耗的功率几乎不随直流母线电压的变化而变化，而由功率模块内的采样测量电路、直流电容漏电流等恒阻性负载引起的损耗与直流母线电压的平方成正比。 

这两种负载的平衡状态稳定性有着显著差别：对于恒阻性负载，当直流母线发生某种扰动导致直流电压增加时，电阻上的损耗成平方关系增大，损耗增大使得直流母线电压降低，扰动被抑制，系统会自动回到平衡点；而对于恒功率负载，当直流母线发生类似的扰动造成直流电压增加时，直流电容获得的充电功率随之线性增大，但是模块消耗的功率却几乎不发生变化，因此充电功率大于损耗，造成直流母线电压进一步增大。 

实际测量结果表明，在预充电过程中，由开关电源等恒功率负载产生的功耗占据了功率模块总损耗中的主要部分，也就是说，功率模块在预充电过程中的损耗可近似认为是开关电源等恒功率负载产生的。只有当恒功率负载的功耗小于等于恒阻性负载的功耗时，该功率模块的直流电压才是稳定的。因此，对于链式多电平变流器功率模块，其直流电容两端必须并联相应功耗的恒电阻负载，才能保证链式多电平变流器预充电完成后，功率模块的直流电压长时间保持稳定。 

发明内容

过去针对链式多电平变流器功率模块的静态均压设计一直停留在一些简单的经验公式和盲目的放大裕度上。这不仅造成了元器件的浪费，而且增加了损耗。本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种较准确的确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法，在满足功率模块静态均压效果的前提下，该方法能够使选择的静态均压电阻的阻值更大，功耗更小。 

本发明公开了一种确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法，其特征在于：根据链式多电平变流器功率模块中开关电源最大近似静态恒功率负载P_M和链式多电平变流器功率模块预充电完成后的平均直流电压Udc，确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值。 

一种确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

(1)通过试验的方法测量链式多电平变流器功率模块在预充电完成后的损耗，近似认为该损耗是开关电源等恒功率负载产生的静态恒功率负载P，从而得到功率模块的近似最大静态恒功率负载P_M； 

(2)计算链式多电平变流器功率模块预充电完成后的平均直流电压Udc； 

(3)根据下式确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻最大值Z_M： 

$Z_M\≤\frac{{\mathrm{Udc}}^2}{P_M}$

其中，Udc为充电完成后功率模块的平均直流电压，P_M为功率模块的最大近似静态恒功率负载。 

本发明方法针对链式多电平变流器功率模块静态均压电阻的物理本质，并依据链式多电平变流器功率模块最大近似静态恒功率负载P_M和预充电完成后功率模块的平均直流电压Udc进行最大静态均压电阻Z_M的计算，更准确、实用，不但可以保证所有的功率模块在串联后能够安全稳定运行，而且降低了链式多电平变流器的功耗，提高了效率。 

附图说明

图1为链式多电平变流器预充电过程示意图； 

图2为链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值计算方法的步骤。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方案对本发明作进一步详细说明。 

静态均压电阻的作用机理可以利用链式多电平变流器的等效充电电路来分析，所述链式多电平变流器由三路分别接入三相电网侧的链式功率模块组成。如图1所示，每相链式功率模块均包括n(n≥2)个相互串联的功率模块，n个功率模块首尾串联。其中： 

所述n个功率模块的充电电流为I； 

所述功率模块m(1≤m≤n)等效充电电路包含：逆变桥、母线电容C_m、等效恒功率负载P_m和等效恒阻性负载R_m。其中： 

所述功率模块m中的逆变桥交流侧为本功率模块的输入端，所述功率模块m中的逆变桥直流侧为本功率模块的母线电容C_m； 

所述功率模块m中的等效恒功率负载P_m和等效恒阻性负载R_m与本功率模块的母线电容C_m并联； 

假如功率模块m内的母线电容C_m发生某种扰动导致直流电压增加，由于功率模块m内的恒功率负载P_m消耗的功率几乎不发生变化，因此功率模块m的充电功率大于损耗，造成功率模块m的直流电压进一步增大；在功率模块m的母线电容两端并联恒阻性负载R_m后，当功率模块m内的母线电容C_m发生类似的扰动造成直流电压增加时，功率模块m内的恒阻性负载R_m的损耗会成平方关系增大，损耗增大使得功率模块m内的直流电压降低，扰动被抑制，功率模块m的直流电压会自动回到平衡点。只有当功率模块m内的恒功率负载P_m的功耗小于等于恒阻性负载R_m的功耗时，功率模块m的直流电压才是稳定的。 

也就是说，对于链式多电平变流器功率模块，其直流电容两端必须并联相应功耗的恒电阻负载，才能保证链式多电平变流器预充电完成后，功率模块的直流电压长时间保持稳定。 

如图2所示，本发明链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值计算方法的步骤为： 

首先，通过试验的方法测量功率模块在预充电完成后的损耗P，近似认为是开关电源等恒功率负载产生的近似静态恒功率负载，将所述损耗的最大值作为最大近似静态恒功率负载P_M。 

然后计算链式多电平变流器功率模块预充电完成后的平均直流电压Udc。 

将功率模块的平均直流电压Udc和测量的最大静态恒功率负载P_M代入公式(1)中，计算得到静态均压电阻的最大值Z_M。 

$Z_M\≤\frac{{\mathrm{Udc}}^2}{P_M}---\left(1\right)$ 。

Claims (2)

1.一种确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法，其特征在于：根据链式多电平变流器功率模块中开关电源最大近似静态恒功率负载P_M，和链式多电平变流器功率模块预充电完成后的平均直流电压Udc，确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值。

2.一种确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻阻值的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)通过试验的方法测量链式多电平变流器功率模块在预充电完成后的损耗，近似认为该损耗是开关电源等恒功率负载产生的静态恒功率负载P，将所述损耗的最大值作为功率模块的最大近似静态恒功率负载P_M；

(2)计算链式多电平变流器功率模块预充电完成后的平均直流电压Udc；

(3)根据下式确定链式多电平变流器功率模块静态均压电阻最大值Z_M：

$Z_M\≤\frac{{\mathrm{Udc}}^2}{P_M}$

其中，Udc为充电完成后功率模块的平均直流电压，P_M为功率模块的最大近似静态恒功率负载。