CN104217130A - 一种计算mmc的损耗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算MMC的损耗方法，所述方法包括(1)提取参数；(2)对所述参数插值，生成通态损耗和开关损耗的图和表；(3)用仿真得到电流和输入环境温度，查表得到当前时刻的损耗；(4)计算结温，计算下一个节点；(5)收敛得到损耗。本发明可以大幅缩短计算及仿真时间，与单纯的曲线拟合相比较，具有更加真实和可靠的数据来源。本发明的提出，使得实时计算IGBT模块内部结温成为可能，对于IGBT模块状态监测、寿命评估及提高基于IGBT模块装置的寿命和可靠性等都具有较高的实用价值。

Description

一种计算MMC的损耗方法

技术领域

本发明涉及一种损耗计算方法，具体讲涉及一种计算MMC的损耗方法。

背景技术

柔性直流输电除了在远距离大功率输电，非同步交流系统联络以及海底电缆输电等方面有着出色表现外，在无源供电、孤岛系统、新能源电力系统并网和小容量海底电缆输电等方面也有着自身的特点。基于MMC的柔性直流输电技术可以使开关器件开关频率大幅下降，从千Hz级别降到百Hz级别，这样使得单个开关器件开关损耗大为下降。但是当MMC子模块数量很多时，MMC损耗总和依然很大。MMC损耗特性极大程度上决定了冷却装置选型、系统可靠性设计和降低损耗措施的选择。

如图3所示，MMC换流阀模块主要由IGBT模块、支撑电容C和其附件组成。运行中MMC阀的损耗主要来源于IGBT，IGBT内部分别由IGBT芯片和二极管芯片并联组成，因此IGBT模块损耗计算分别需要针对IGBT芯片和续流二极管芯片分别计算后求和。

现有MMC损耗计算方法多是基于厂家提供的Datasheet，以Datasheet为基础，在Datasheet提供的图表基础上进行曲线拟合后，利用公式计算损耗。计算方法如下：

1)用二次函数对器件V-I曲线进行拟合：

V＝a₁+a₂i_C(t)+a₃i_C ²(t)   (1)

2)用二次多项式对器件开关损耗进行拟合：

E_SW＝β₁+β₂i_C(t)+β₃i_C ²(t)   (2)

3)任意开关器件损耗可以表示为：

$P=\frac{1}{T_0}\underset{t\∈\mathrm{\Θ}}{\∫}v\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{\δ}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

式中：δ(t)导通函数，其依赖于控制方式；T₀为工频周期；v(t)表示工作电流为i(t)时器件集射极压降。其中系数又受温度影响，需要对其进行插值计算。

上面仅仅是完成了对一个IGBT模块进行损耗计算需要完成的步骤，在MMC换流阀中，这种阀模块在柔性直流输电中，通常会有成百上千个，完成如此复杂的计算，需要的计算量很大，且如果控制方式不确定，公式(3)中的导通函数无法明确表达，甚至会导致无法完成计算。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明一种计算MMC的损耗方法，具体涉及一种用于MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平换流器)换流阀损耗计算方法，用于替代常用的损耗计算方法，解决现有计算方法中计算量大、损耗计算精度低，控制方法与损耗计算耦合等问题。该方法一方面可以实现控制方式与损耗计算的解耦，另一方面因其可以实现快速计算，使其在实时仿真，甚至运行过程中实时评估IGBT模块内部结温成为可能。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种计算MMC的损耗方法，其改进之处在于，所述方法包括

(1)提取参数；

(2)对所述参数插值，生成通态损耗和开关损耗的图和表；

(3)用仿真得到电流和输入环境温度，查表得到当前时刻的损耗；

(4)计算结温，计算下一个节点；

(5)收敛得到损耗。

优选的，所述步骤(1)包括通过datasheet数据表提取参数。

优选的，所述步骤(4)包括

(4.1)设定初始结温T_j0和限值e；

(4.2)在结温T_j条件下计算开关损耗P_SW和通态损耗P_CON；

(4.3)计算新的结温T_j*；

(4.4)将T_j*与上一结温T_j的差与e比较。

进一步地，所述步骤(4.4)中|T_j ^*-T_j|＞e时，返回步骤(4.2)。

进一步地，所述步骤(4.2)包括在结温T_j条件下，根据公式P_SW＝E_SW*f和P_CON＝V*I计算开关损耗P_SW和通态损耗P_CON。

进一步地，所述步骤(4.3)包括根据T_{j_T}＝P_T(R_thJC，T+R_thCH，T)+T_H和T_{j_D}＝P_D(R_thJC，D+R_thCH，D)+T_H，计算结温T_j*。

优选的，所述步骤(5)包括|T_j ^*-T_j|＜e，将结温及损耗结果输出。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明在需要计算的IGBT模块数量众多时，优势非常明显，可以大幅缩短计算及仿真时间，且由于计算结果基于查表方式，查表过程中的数据，一方面可以通过Datasheet提取，另一方面也可以通过试验或其他工程积累而形成，兼具有理论基础和试验数据库的性质，通过长时间积累，可以形成一套专用的数据库来实现IGBT损耗的快速计算，与单纯的曲线拟合相比较，具有更加真实和可靠的数据来源。

此外，本发明的提出，使得实时计算IGBT模块内部结温成为可能，对于IGBT模块状态监测、寿命评估及提高基于IGBT模块装置的寿命和可靠性等都具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种计算MMC的损耗方法流程图。

图2为本发明提供的一种计算MMC的损耗方法中结温损耗计算流程图。

图3为本发明提供的MMC换流阀基本结构图。

图4为本发明提供的IGBT参数曲线图。

图5为本发明提供的IGBT模块等效热阻模型图。

图6为本发明提供的IGBT通态损耗数值表显示图。

图7为本发明提供的IGBT开通损耗数值表显示图。

图8为本发明提供的IGBT关断损耗数值表显示图。

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。

本发明一种计算MMC的损耗方法，具体方法如下，其中，以3300V、1500A IGBT为例进行说明。

1、利用datasheet进行参数提取，如表-1～表-5所示：

表1 IGBT V_CE-I_C关系

表2 IGBT开关损耗关系(E_SW-I_C)

表3 IGBT开关损耗(E_SW-R_G)

表4 二极管V_F-I_F

表5 二极管反向恢复损耗(Erec-I_F)

2、利用步骤(1)中的数据进行插值，生成通态损耗和开关损耗的图和表。表中的数据仅作为示例，实际运算中，温度递增或电流递增会更小。

表6 IGBT通态损耗数值表

表7 IGBT开通损耗数值表

表8 IGBT关断损耗数值表

3、利用仿真过程中得到的电流和输入环境温度，查步骤(2)中表可得到当前时刻的损耗。

4、计算结温，做为下次查表时的结温，进行下一个节点计算。

(4.1)设定初始结温T_j0和限值e；

其中，结温T_j0为初始温度，限值e为收敛判定，可设为0.1或0.001；

如图4所示，IGBT参数曲线中

(A)IGBT V_CE-I_C曲线；

(B)IGBT开关损耗曲线(E_SW-I)；

(C)IGBT开关损耗曲线(E_SW-R_G)；

(D)二极管VF-IF曲线；

(E)二极管反向恢复损耗曲线(Erec-I_F)；

(F)二极管反向恢复损耗曲线(Erec-R_G)。

(4.2)在结温T_j条件下的计算开关损耗P_SW和通态损耗P_CON；

其中，P_SW＝E_SW*f(开关频率)；

通态损耗P_CON为V-I曲线在时间域内的积分，对于开通状态，其基本为矩形，故近似P_CON＝V*I。

如图4所示，由图4(A)中可以得出，IGBT和二极管通态损耗主要受导通电流和结温影响，可以表述为：

P_con＝f(i_C，T_j)   (4)

如图4所示，由图4(B)、(C)、(D)、(E)、(F)，可以看出IGBT和二极管开关损耗主要由V_c、i_C、R_g和T_j决定，可以表述为：

E_sw＝f(v_C，i_C，T_j，R_g)   (5)

(4.3)计算新的结温T_j*；

由公式(4)(5)可以看出，IGBT模块损耗受多个因素共同影响。如图5所示，为了考虑结温的影响，必须考虑IGBT模块内部的等效热阻模型；IGBT和二极管的结温可以由以下公式得到，相应参数可由Datasheet查到。

T_{j_T}＝P_T(R_thJC，T+R_thCH，T)+T_H   (6)

T_{j_D}＝P_D(R_thJC，D+R_thCH，D)+T_H   (7)

其中，图5为IGBT模块带散热器的热阻分布图，分别由IGBT和二极管芯片(即PN结)、外壳(散热铜底板)和散热器组成。IGBT和二极管分别由自己独立的传热路径，即从环境温度到散热器，二者传热热阻相同，从散热器开始，分别利用各自的热阻及损耗计算温升，从而推导出IGBT和二极管内部结温度。

(4.4)对T_j*与上一结温T_j做差与e比较。

当|T_j ^*-T_j|＞e时，返回步骤(4.2)。

5)收敛后，即完成损耗计算。

|T_j ^*-T_j|＜e，将结温及损耗结果输出。

本发明在充分考虑影响IGBT模块损耗因素的基础上，采用查表法，来快速实现IGBT模块损耗的分析，这在子模块数成百上千的MMC运行中具有很大优势。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种计算MMC的损耗方法，其特征在于，所述方法包括

(1)提取参数；

(2)对所述参数插值，生成通态损耗和开关损耗的图和表；

(3)用仿真得到电流和输入环境温度，查表得到当前时刻的损耗；

(4)计算结温，计算下一个节点；

(5)收敛得到损耗。

2.如权利要求1所述的一种计算MMC的损耗方法，其特征在于，所述步骤(1)包括通过datasheet数据表提取参数。

3.如权利要求1所述的一种计算MMC的损耗方法，其特征在于，所述步骤(4)包括

(4.1)设定初始结温T_j0和限值e；

(4.2)在结温T_j条件下计算开关损耗P_SW和通态损耗P_CON；

(4.3)计算新的结温T_j*；

(4.4)将T_j*与上一结温T_j的差与e比较。

4.如权利要求3所述的一种计算MMC的损耗方法，其特征在于，所述步骤(4.4)中|T_j ^*-T_j|＞e时，返回步骤(4.2)。

5.如权利要求3所述的一种计算MMC的损耗方法，其特征在于，所述步骤(4.2)包括在结温T_j条件下，根据公式P_SW＝E_SW*f和P_CON＝V*I计算开关损耗P_SW和通态损耗P_CON。

6.如权利要求3所述的一种计算MMC的损耗方法，其特征在于，所述步骤(4.3)包括根据T_{j_T}＝P_T(R_thJC，T+R_thCH，T)+T_H和T_{j_D}＝P_D(R_thJC，D+R_thCH，D)+T_H，计算结温T_j*。

7.如权利要求1所述的一种计算MMC的损耗方法，其特征在于，所述步骤(5)包括|T_j ^*-T_j|＜e，将结温及损耗结果输出。