CN107863781B - 一种模块化多电平换流阀损耗确定方法及简化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化多电平换流阀损耗确定方法及简化方法。该方法包括：根据功率器件的结温值和功率损耗构造温升函数；构造真实温升函数f₂(T_{j_*})＝T_{j_}*‑T_R；求出所述温升函数与所述真实温升函数的交点，所述交点对应的结温值即为所述功率器件长期工作稳定后的真实结温；根据所述真实结温得到所述功率器件的真实损耗；根据多电平换流阀子模块内所有功率器件的所述真实损耗得到所述子模块的总损耗；根据公式P_MMC＝P₁N计算所述模块化多电平换流阀的最终损耗。采用此方法或简化方法可以快速准确的确定器件损耗。

Description

一种模块化多电平换流阀损耗确定方法及简化方法

技术领域

本发明涉及模块化多电平换流器损耗计算领域，特别是涉及一种模块化多电平换流阀损耗确定方法及简化方法。

背景技术

柔性直流输电技术作为新一代直流输电技术，采用由全控型电力电子器件构成的电压源换流器，取代了传统直流输电中基于半控晶闸管器件的电流源换流器。相较传统直流输电而言，柔性直流输电无需交流系统提供换相电流，从而能够用于向无源电网供电；能够在其运行范围内对有功和无功进行完全独立的控制，实现快速、灵活地控制有功功率及动态补偿交流母线无功功率等；能够方便快捷地反转潮流而无需改变电压极性；能够提高交流系统的输电能力及功角稳定性。但是在经济运行方面，现阶段技术水平的柔性直流输电换流站损耗要高于常规直流换流站。以5000MW逆变站为例，常规直流换流站整站损耗约为0.8％，柔性直流换流站损耗约为1.3％。

模块化多电平电压源换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)作为最新型的柔性直流换流阀，通过子模块级联实现电压阶梯波和不同功率等级。与IGBT串联阀相比，该拓扑对驱动和均压技术要求较低，且单个子模块在工频周期内投入或切除的次数很低，大大降低了损耗和电磁干扰，同时输出电压的谐波含量和总电压畸变率大大降低，同时换流电抗器的串入，使得直流侧短路时相故障电流上升速度被限制在较低的水平。以上优点使该拓扑的研究迅速开展，但其较高的损耗率是其广泛应用的主要障碍之一。

在现有的MMC换流阀损耗确定方法主要有两种，第一种是给定器件的结温从而计算损耗，该方法虽能反应一定的器件损耗规律，但由于给定的器件结温可能不是真实的MMC长期稳定运行后的子模块当中的器件结温，因此计算的损耗与真实损耗存在很大的偏差。

第二种是给定一个初始结温，通过计算得到器件损耗，根据器件损耗得到器件新的结温值，再根据新的结温值计算得到新的器件损耗，再根据新的器件损耗计算得到下一个新的结温值，直到新的结温值比上一次的结温之间的误差小于设定的结温误差为止。此其过程是一个迭代过程，其随着给定初值结温的设置不同，其迭代的次数也会不同，此外还需要设置迭代误差，导致计算过程比较麻烦且计算量比较大，其过程利用迭代求的器件结温和损耗，因此不能直接计算出器件的结温和损耗，因此不能很快速的计算出器件的结温，得到器件损耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化多电平换流阀损耗确定方法及简化方法，解决了不能快速准确计算器件损耗的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种模块化多电平换流阀损耗确定方法，包括：

根据功率器件的结温值和功率损耗构造温升函数；

构造真实温升函数f₂(T_{j_*})＝T_{j_*}-T_R；其中，T_{j_*}为器件结温值，T_R为散热器温度；

求出所述温升函数与所述真实温升函数的交点，所述交点对应的结温值即为所述功率器件长期工作稳定后的真实结温；

根据所述真实结温得到所述功率器件的真实损耗；

根据多电平换流阀子模块内所有功率器件的所述真实损耗得到所述子模块的总损耗；

根据公式P_MMC＝P₁N计算所述模块化多电平换流阀的最终损耗，其中，P_MMC为所述模块化多电平换流阀的最终损耗，N为子模块个数，P₁为子模块总损耗。

可选的，所述构造温升函数具体包括：

根据功率器件和散热器之间的热路模型计算出所述功率器件的等效热阻；

设定所述功率器件的第一结温值T_{j_*1}，计算所述第一结温值下的第一损耗P_{j_*1}；

设定所述功率器件的第二结温值T_{j_*2}，计算所述第二结温值下的第二损耗P_{j_*2}；

将所述第一损耗P_{j_*1}与所述等效热阻Z_*相乘，得到所述功率器件的第一温升P_{j_* 1}Z_*；

将所述第二损耗P_{j_*2}与所述等效热阻Z_*相乘，得到所述功率器件的第二温升P_{j_* 2}Z_*；

根据所述第一温升和所述第一结温值，所述第二温升和所述第二结温值，根据公式计算出温升函数的斜率，得到温升函数表达式f₁(T_{j_*})＝a_TT_{j_*}+b_T；其中，a_T为所述温升函数斜率，f₁(T_{j_*})为所述温升函数，b_T为所述温升函数在T_{j_*}＝0时的值。

可选的，所述求出所述温升函数与所述真实温升函数的交点，得到所述功率器件的真实结温具体包括：

根据公式求出温升函数与真实温升函数的交点对应的结温值。

可选的，所述根据所述真实结温得到所述功率器件的真实损耗具体包括：

根据公式计算所述真实损耗，其中，P_{1_*}为所述真实损耗。

一种模块化多电平换流阀损耗计算简化方法，包括：

计算功率器件的结温T_{j_*3}＝T_R情况时的损耗P_{j_*3}；其中，T_{j_*3}为是功率器件的结温，T_R为散热器温度；

构造简化温升函数f₃(T_{j_*})＝P_{j_*3}Z_*；其中，f₃(T_{j_*})为简化温升函数，Z_*为等效热阻；

构造真实温升函数f₂(T_{j_*})＝T_{j_*}-T_R；其中，T_{j_*}为器件结温值，T_R为散热器温度；

求出所述简化温升函数与所述真实温升函数的交点，所述交点对应的结温值即为所述功率器件长期工作稳定后的近似结温T_{j_*4}；

计算功率器件的结温为所述近似结温T_{j_*4}时的器件损耗为真实损耗P_{j_*4}；

根据多电平换流阀子模块内所有功率器件的近似结温和真实损耗，得到模块化多电平换流阀子模块的总损耗；

根据公式P_MMC＝P₁N计算所述模块化多电平换流阀的最终损耗，其中，P_MMC为所述模块化多电平换流阀的最终损耗，N为子模块个数，P₁为子模块总损耗。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中通过构造温升函数或简化温升函数、真实温升函数，进而求得温升函数(简化温升函数)与真实温升函数的交点以此得到器件损耗。本发明中因为是直接求直线交点，因此计算过程中不存在迭代，计算更加直接，更快速。由于计算时是通过真实温升得到的器件结温和损耗，得到的结果准确度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例模块化多电平换流阀损耗确定方法流程图；

图2为本发明实施例模块化多电平换流阀损耗计算简化方法流程图；

图3为本发明实施例半桥子模块示意图；

图4为本发明实施例中电路的等效热阻模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例模块化多电平换流阀损耗确定方法流程图。参见图1，一种模块化多电平换流阀损耗确定方法，包括：

步骤101：根据功率器件的结温值和功率损耗构造温升函数。

步骤102：构造真实温升函数f₂(T_{j_*})＝T_{j_*}-T_R；其中，T_{j_*}为器件结温值，T_R为散热器温度。

步骤103：求出所述温升函数与所述真实温升函数的交点，所述交点对应的结温值即为所述功率器件长期工作稳定后的真实结温。

步骤104：根据所述真实结温得到所述功率器件的真实损耗。

根据公式计算所述真实损耗，其中，P_{1_*}为所述真实损耗，T_R为所述散热器温度，Z_*为所述等效热阻。

步骤105：根据多电平换流阀子模块内所有功率器件的所述真实损耗得到所述子模块的总损耗。根据公式P₁＝∑P_{1_*}计算子模块的总损耗；其中，P₁为子模块总损耗，P_{1_*}为真实损耗。

步骤106：根据公式P_MMC＝P₁N计算所述模块化多电平换流阀的最终损耗，其中，P_MMC为所述模块化多电平换流阀的最终损耗，N为子模块个数，P₁为子模块总损耗。

上述方法中通过构造温升函数和真实温升函数，进而求得温升函数和真实温升函数的交点以此得到器件损耗。本发明中因为是直接求直线交点，因此计算过程中不存在迭代，计算更加直接，更快速。由于计算时是通过真实温升得到的器件结温和损耗，得到的结果准确度高。

其中，构造温升函数的具体步骤为：根据功率器件和散热器之间的热路模型计算出所述功率器件的等效热阻；

设定所述功率器件的第一结温值T_{j_*1}，计算所述第一结温值下的第一损耗P_{j_*1}；

设定所述功率器件的第二结温值T_{j_*2}，计算所述第二结温值下的第二损耗P_{j_*2}；

将所述第一损耗P_{j_*1}与所述等效热阻Z_*相乘，得到所述功率器件的第一温升P_{j_* 1}Z_*；

将所述第二损耗P_{j_*2}与所述等效热阻Z_*相乘，得到所述功率器件的第二温升P_{j_* 2}Z_*；

根据所述第一温升和所述第一结温值，所述第二温升和所述第二结温值，根据公式计算出温升函数的斜率，得到温升函数表达式f₁(T_{j_*})＝a_TT_{j_*}+b_T；其中，a_T为所述温升函数斜率，f₁(T_{j_*})为所述温升函数，b_T为所述温升函数在T_{j_*}＝0时的值。其中，器件结温值(T_{j_*1}、T_{j_*2})可以任选，比如选25℃,30℃，125℃等等都可以，一般选取的时候选0℃～125℃之间的任何值都可以。

真实温升函数为器件结温减去散热器温度f₂(T_{j_*})＝T_{j_*}-T_R。一般散热器温度可以自己给定或者假设为某一个值(在此可以理解为一个已知量)。对于具体工程，散热器温度一般取其水冷系统中进水温度和出水温度的平均值。

在上述方法中求真实结温的具体步骤如下：

根据公式求出温升函数与真实温升函数的交点对应的结温值。其中，b_T为所述温升函数在T_{j_*}＝0时的值。

其中，在构造温升函数的过程中计算某个结温值下的器件损耗的具体步骤如下：

以半桥型MMC为例进行说明。

模块化多电平换流器的损耗主要是由器件产生的，包括器件的通态损耗和开关损耗。对损耗而言，借助器件的详细物理模型来计算损耗是不可取的，目前的普遍做法是利用器件厂家给的数据手册中的特性近似计算损耗。

步骤1、器件参数处理

绝缘栅极型功率器件(IGBT)的损耗包括开通损耗，关断损耗，通态损耗；二极管(DIODE)的损耗包括通态损耗，反向恢复损耗。因此在提取器件参数时，可以从数据手册中的E_on—I_c、E_off—I_c、U_ce—I_c、E_rec—I_d、U_d—I_d曲线中得到。其拟合关系式如下：

U_T(I_*)＝R_TI_*+RU_0T (1)

式中*表示d、c；U_T为结温为T时的U_ce、U_d；E_T为结温为T时的Eon、E_off、E_rec；R_T为器件结温为T时的导通电阻；U_0T为器件结温为T时的阈值电压。U_ce为IGBT器件集电极与发射级在导通情况下的压降；U_d为DIODE器件在导通情况下的压降；a_T、b_T、c_T为拟合系数；I_*为通过器件的电流。

目前数据手册中一般只给出在特定的结温(25℃、125℃)和特定的器件端电压(U_ref)下的关系曲线。实际上，在模块化多电平换流器运行过程中器件的结温与器件两端的端电压是变化的。因此需要对器件参数进行温度和电压修正，其修正后的表达式如下：

式中，U_*为实际加在器件两端的端电压；U_ref为数据手册中给定的器件端电压的值；U_T(T,I_*)与E_T(U_*,T,I_*)为修正后的结果；T为器件的结温值；U₂₅(I_*)为器件结温为25℃，电流为I_*的导通压降；U₁₂₅(I_*)为器件结温为125℃，电流为I_*时的导通压降；E₂₅(I_*)为器件结温为25℃，电流为I_*的损耗值；E₁₂₅(I_*)为器件结温为125℃，电流为I_*时的损耗值。

步骤2、计算子模块损耗

以采用仿真时域算法为例进行说明。

首先规定半桥子模块电流方向、电容电压方向和器件编号，图3为本发明实施例半桥子模块示意图。参见图3，图中D是DIODE的缩写。

搭建MMC仿真电路，任选一个子模块、然后选取[t₀,t₁]时间段内的IGBT1触发脉冲波形W(t)、子模块电容电压波形U_c(t)、子模块电流波形i_arm(t)。其中IGBT1触发脉冲波形中，“0”代表IGBT1关断，IGBT2导通，“1”代表IGBT1导通，IGBT2关断。

记i_s1(t)＝W(t)*i_arm(t)、i_s2(t)＝(1-W(t))*i_arm(t)。其中Δt为波形步长。

则各器件的通态电流如下：

i_T1(t)＝|G(-i_s1(t)*i_s1(t)| (6)

i_D1(t)＝|G(i_s1(t)*i_s1(t)|

i_T2(t)＝|G(i_s2(t)*i_s2(t)|

i_D2(t)＝|G(-i_s2(t)*i_s2(t)|

各器件的通态损耗为：

器件的总通态损耗为：

P_con＝P_T1+P_D1+P_T2+P_D2 (8)

各器件开关损耗如下：

器件的总开关损耗为：

P_SW＝P_{T1_ON}+P_{T1_OFF}+P_{D1_rec}+P_{T2_ON}+P_{T2_OFF}+P_{D2_rec} (10)

子模块总损耗为：

P_total＝P_con+P_sw (11)

其中的P_total即为本申请中的子模块的总损耗(P_{j_*1}、P_{j_*2}、P_{j_*3}、P_{j_*4})，T为本申请中的功率器件的结温值(T_{j_*1}、T_{j_*2}、T_{j_*3}、T_{j_*4}))。

计算器件散热器的等效热阻的计算过程具体如下：

以压接型的IGBT与DIODE为例说明。

图4为本发明实施例中电路的等效热阻模型。参见图4，其中R1为IGBT的热阻，R2为DIODE的热阻，R3为散热器热阻，T1为水温，T2为散热器的温度。403为IGBT/DIODE，402为散热器，401为散热器内部水管中的水。

表1 热阻表

表格中的数据可以根据器件参数手册得到

则对于IGTB的总等效热阻为(12.5+6.30)//(7.87+6.30)＝18.8//14.17＝8.08；对于DIODE的总等效热阻为(5.86+6.30)//(7.54+6.30)＝12.16//13.84＝6.47。(//表示并联)。

图2为本发明实施例模块化多电平换流阀损耗计算简化方法流程图。参见图2，一种模块化多电平换流阀损耗计算简化方法，包括：

步骤201：计算功率器件的结温T_{j_*3}＝T_R情况时的损耗P_{j_*3}；其中，T_{j_3}为是功率器件的结温，T_R为散热器温度；

步骤202：构造简化温升函数f₃(T_{j_*})＝P_{j_*3}Z_*；其中，f₃(T_{j_*})为简化温升函数，Z_*为等效热阻；

步骤203：构造真实温升函数f₂(T_{j_*})＝T_{j_*}-T_R；其中，T_{j_*}为器件结温值，T_R为散热器温度；

步骤204：求出所述简化温升函数与所述真实温升函数的交点，所述交点对应的结温值即为所述功率器件长期工作稳定后的近似结温T_{j_*4}；

步骤205：计算功率器件的结温为所述近似结温T_{j_*4}时的器件损耗为真实损耗P_{j_*4}；

步骤206：根据多电平换流阀子模块内所有功率器件的近似结温和真实损耗，得到模块化多电平换流阀子模块的总损耗；

步骤207：根据公式P_MMC＝P₁N计算所述模块化多电平换流阀的最终损耗，其中，P_MMC为所述模块化多电平换流阀的最终损耗，N为子模块个数，P₁为子模块总损耗。

本发明中通过构造简化温升函数和真实温升函数，进而求得简化温升函数与真实温升函数的交点以此得到近似真实损耗。本发明中因为是直接求直线交点，因此计算过程中不存在迭代，计算更加直接，更快速。由于计算时是通过真实温升得到的器件结温和损耗，得到的结果准确度高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种模块化多电平换流阀损耗确定方法，其特征在于，包括：

根据功率器件的结温值和功率损耗构造温升函数；

所述构造温升函数具体包括：

根据功率器件和散热器之间的热路模型计算出所述功率器件的等效热阻Z_*；

设定所述功率器件的第一结温值T_{j_*1}，计算所述第一结温值下的第一损耗P_{j_*1}；

设定所述功率器件的第二结温值T_{j_*2}，计算所述第二结温值下的第二损耗P_{j_*2}；

将所述第一损耗P_{j_*1}与所述等效热阻Z_*相乘，得到所述功率器件的第一温升P_{j_*1}Z_*；

将所述第二损耗P_{j_*2}与所述等效热阻Z_*相乘，得到所述功率器件的第二温升P_{j_*2}Z_*；

根据所述第一温升和所述第一结温值，所述第二温升和所述第二结温值，根据公式计算出温升函数的斜率，得到温升函数表达式f₁(T_{j_*})＝a_TT_{j_*}+b_T；其中，a_T为所述温升函数的斜率，f₁(T_{j_*})为所述温升函数，b_T为所述温升函数在T_{j_*}＝0时的值；

构造真实温升函数f₂(T_{j_*})＝T_{j_*}-T_R，其中，T_{j_*}为器件结温值，T_R为散热器温度；

求出所述温升函数与所述真实温升函数的交点，所述交点对应的结温值即为所述功率器件长期工作稳定后的真实结温；

所述求出所述温升函数与所述真实温升函数的交点，得到所述功率器件的真实结温具体包括：

根据公式求出温升函数与真实温升函数的交点对应的结温值；

根据所述真实结温得到所述功率器件的真实损耗；

根据多电平换流阀子模块内所有功率器件的所述真实损耗得到所述子模块的总损耗；

根据公式P_MMC＝P₁N计算所述模块化多电平换流阀的最终损耗，其中，P_MMC为所述模块化多电平换流阀的最终损耗，N为子模块个数，P₁为子模块总损耗。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述真实结温得到所述功率器件的真实损耗具体包括：

根据公式计算所述真实损耗，其中，P_{1_*}为所述真实损耗。

3.一种模块化多电平换流阀损耗计算简化方法，其特征在于，包括：

计算功率器件的结温T_{j_*3}＝T_R情况时的损耗P_{j_*3}；其中，T_{j_*3}为是功率器件的结温，T_R为散热器温度；

构造简化温升函数f₃(T_{j_*})＝P_{j_*3}Z_*；其中，f₃(T_{j_*})为简化温升函数，Z_*为功率器件的等效热阻；

构造真实温升函数f₂(T_{j_*})＝T_{j_*}-T_R；其中，T_{j_*}为器件结温值，T_R为散热器温度；

求出所述简化温升函数与所述真实温升函数的交点，所述交点对应的结温值即为所述功率器件长期工作稳定后的近似结温T_{j_*4}；

计算功率器件的结温为所述近似结温T_{j_*4}时的器件损耗为真实损耗P_{j_*4}；

根据多电平换流阀子模块内所有功率器件的近似结温和真实损耗，得到模块化多电平换流阀子模块的总损耗；

根据公式P_MMC＝P₁N计算所述模块化多电平换流阀的最终损耗，其中，P_MMC为所述模块化多电平换流阀的最终损耗，N为子模块个数，P₁为子模块总损耗。