CN107370412B - 一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法，包括以下步骤：1)根据MMC系统电气参数和运行参数求出桥臂电流；2)根据MMC系统电气参数和运行参数求出桥臂环流的二倍频分量，并对步骤1)中计算得到的桥臂电流进行修正；3)计算桥臂子模块内各器件的等值电流比例系数ρ，结合步骤2)得到的桥臂电流，计算出工频周期内器件的等效电流平均值和均方值；4)提取器件的导通特性参数，结合步骤3)中计算得到的器件等效电流平均值和均方值计算功率模块的通态损耗。相比传统的损耗计算方法，本发明能够实现更精细、精确的通态损耗计算，为MMC子模块器件的结温评估和选型提供合理的依据。

Description

一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)已经被逐渐运用在柔性直流输电系统中，它具有控制灵活、开关频率低、交流侧谐波含量少等特性，目前基于该技术在建的张北柔直工程的最大传送容量已达到±500kV、3000MW。换流器功率模块的损耗计算不仅是换流器散热设计的基础，同时也被用来衡量柔性直流输电系统的性能。
MMC采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)作为核心器件，MMC的损耗主要包括功率半导体器件的损耗，即IGBT和续流二极管(free-wheeling diode，FWD)的损耗。在计算MMC功率模块的损耗时，要考虑IGBT特性、MMC拓扑结构、柔直系统主参数以及调制方式等多个因素。
目前，计算MMC功率模块损耗的方法可以分为两大类：第一类是使用数值计算模型，利用系统主参数进行预处理；第二类是通过系统仿真模型或实验得到详细数据，进行后处理。数值计算模型具有简便快速的有点，非常适用于工程前期方案设计和对系统的综合评估。数值计算模型方法通常将功率模块的损耗分为通态损耗和开关损耗两部分来计算。而现有的通态损耗计算方法过于粗略，仍需要进一步的改进以获得更精确的损耗计算。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术中提到的现有MMC功率模块通态损耗计算方法粗略的不足，提出了一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法。
本发明采用如下的技术方案：
一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法，包括以下步骤：
1)根据MMC系统电气参数和运行参数求出桥臂电流；
2)根据MMC系统电气参数和运行参数求出桥臂环流的二倍频分量，并对步骤1)中计算得到的桥臂电流进行修正；
3)计算桥臂子模块内各器件的等值电流比例系数ρ，结合步骤2)得到的桥臂电流，计算出工频周期内器件的等效电流平均值和均方值；
4)提取器件的导通特性参数，结合步骤3)中计算得到的器件等效电流平均值和均方值计算功率模块的通态损耗。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，桥臂电流的表示如下：
其中，上桥臂取+号，下桥臂取-号，Idc为直流侧电流，Im为相电流峰值，ω为工频角频率，为MMC交流出口侧的功率因数角，并注意b、c相分别落后a相
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，修正后的桥臂电流表示如下：
其中，Iz和σ为二倍频环流的幅值和相角；
其中，m为调制比，
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，投入子模块电容时对应的功率模块的等值电流比例系数表示为：
切出子模块电容时对应的功率模块的等值电流比例系数表示为：
其中，α，β代表器件导通的角度，不同的IGBT、FWD对应的α和β不同；
代入步骤2)中得到的ibridge，即可计算工频周期内器件的等效电流平均值为：
工频周期内器件的等效电流均方值为：
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，IGBT的通态损耗用下式计算：
其中，VT0和RCE为IGBT的导通压降和导通电阻，可从IGBT数据手册的特性曲线拟合参数获得；iT，avg、分别为IGBT工频周期内等效电流平均值和均方值；FWD的通态损耗用下式计算：
其中，VD0和RD为FWD的导通压降和导通电阻，从IGBT数据手册FWD的特性曲线拟合参数获得；iD,avg、iD,rms分别为FWD工频周期内等效电流平均值和均方值。
相对现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明提出了一种MMC功率模块通态损耗的计算方法。相比传统的损耗计算方法，本发明能够实现更精细、精确的通态损耗计算，为MMC子模块器件的结温评估和选型提供合理的依据。
进一步，本发明引入了实际存在的桥臂环流二倍频分量，可以使桥臂电流计算更加准确(参见图3)，从而使损耗计算更加精确。
进一步，本发明提出了一种新的MMC中器件电流的等效办法，即等值电流比例系数的概念，先计算出各等值电流比例系数，然后对各IGBT和FWD的电流平均值及有效值进行等效，计算意义更贴合MMC的工作原理，并与目前已有的计算方法有着明显的区别。
附图说明
图1所示MMC系统图，工作在逆变状态(本发明不局限于MMC工作在逆变状态)。图中各符号：Udc为直流侧电压，L为桥臂电抗，N为每个桥臂子模块数量，Idc为直流侧电流，iap为流经a相上桥臂的电流，uap为a相上桥臂电压，uan为a相下桥臂电压，ia,ib,ic为交流侧三相的电流，ea,eb,ec为交流侧三相电压。
图2是子模块结构图，每个子模块含有两个功率模块，即含有IGBT1和FWD1、IGBT2和FWD2。图中各符号：iap为a相上桥臂电流，C0为子模块电容。
图3是基于算例绘制的考虑和未考虑桥臂环流二倍频分量的a相上桥臂电流波形图。
图4为案例工程图，所示是对称双极型MMC系统。
图5是案例分析中选用的功率模块中IGBT的通态特性曲线。
图6是案例分析中选用的功率模块中FWD的正向导通特性曲线。
图7是系统工作在不同功率因数角下的功率器件通态损耗计算结果。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
以张北工程康保站系统作为算例进行分析。系统结构如图4所示，系统主参数如表1所示。
表1 张北工程康保站MMC系统主参数
根据系统主参数，选择使用ABB公司生产的型号为5SNA 3000K452300的IGBT模块。根据器件的数据手册对图5、图6中的IGBT、FWD的特性曲线进行一次拟合，可以得到表2中的数据。
表2 IGBT功率模块导通压降、导通电阻(125℃下)
(注：拟合结果是一次函数，即认为导通压降为V(i)＝V0+R0i)
本发明实施例中设定系统工作在m＝0.99，额定容量1500MVA的情况下，改变系统运行的功率因数，功率模块的通态损耗计算结果如图7所示。
从图7计算结果可以看出，当MMC工作在逆变模式时，功率模块中IGBT2的通态损耗最大；当MMC工作在整流模式时，功率模块中的FWD2的通态损耗最大。计算结果符合MMC工作的一般规律。
综上，本发明提出的模块化多电平换流器MMC功率模块通态损耗计算方法在理论上是合理的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据MMC系统电气参数和运行参数求出桥臂电流；
2)根据MMC系统电气参数和运行参数求出桥臂环流的二倍频分量，并对步骤1)中计算得到的桥臂电流进行修正；
3)计算桥臂子模块内各器件的等值电流比例系数ρ，结合步骤2)得到的桥臂电流，计算出工频周期内器件的等效电流平均值和均方值；
4)提取器件的导通特性参数，结合步骤3)中计算得到的器件等效电流平均值和均方值计算功率模块的通态损耗。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法，其特征在于，步骤1)中，a相桥臂电流的表示如下：
其中，上桥臂取+号，下桥臂取-号，Idc为直流侧电流，Im为相电流峰值，ω为工频角频率，为MMC交流出口侧的功率因数角，并注意b、c相分别落后a相
3.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法，其特征在于，步骤2)中，修正后的桥臂电流表示如下：
其中，Iz和σ为二倍频环流的幅值和相角；
其中，m为调制比，N为桥臂上子模块的数量，C0为子模块电容容值，Ls为桥臂等效电感，Um为交流电压幅值，Udc为直流侧电压。
4.根据权利要求3所述的一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法，其特征在于，步骤3)中，投入子模块电容时对应的功率模块的等值电流比例系数表示为：
切出子模块电容时对应的功率模块的等值电流比例系数表示为：
其中，α，β代表器件导通的角度，不同的IGBT、FWD对应的α和β不同，FWD表示续流二极管；
代入步骤2)中得到的ibridge，即可计算工频周期内器件的等效电流平均值为：
工频周期内器件的等效电流均方值为：
5.根据权利要求4所述的一种模块化多电平换流器功率模块的通态损耗计算方法，其特征在于，步骤4)中，IGBT的通态损耗用下式计算：
其中，VT0和RCE为IGBT的导通压降和导通电阻，可从IGBT数据手册的特性曲线拟合参数获得；iT,avg、分别为IGBT工频周期内等效电流平均值和均方值；FWD的通态损耗用下式计算：
其中，VD0和RD为FWD的导通压降和导通电阻，从IGBT数据手册FWD的特性曲线拟合参数获得；iD,avg、分别为FWD工频周期内等效电流平均值和均方值。
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