CN108631632B - 基于虚拟桥臂数学模型的mmc瞬时功率损耗计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟桥臂数学模型的MMC瞬时功率损耗计算方法，包括以下步骤：(1)在仿真软件中搭建虚拟桥臂数学模型，并将MMC系统电气参数和运行参数输入至虚拟桥臂数学模型，同时明确目标桥臂所在位置；(2)确定MMC系统的调制和均压策略；(3)运行虚拟桥臂数学模型，得到瞬时的桥臂电流、桥臂上第i个子模块的投入切出状态(4)根据步骤(3)的输出结果，判断出每个子模块中器件的开通/关断状态，结合开关器件的导通损耗特性，计算子模块各个器件的导通损耗；(5)根据步骤(3)的输出结果，并结合上一时刻的子模块器件开通/关断状态，判断出哪些器件发生了开关动作，并根据开关器件的开关损耗特性，计算各个器件的开关损耗。

Description

基于虚拟桥臂数学模型的MMC瞬时功率损耗计算方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种基于虚拟桥臂数学模型的MMC瞬时功率损耗计算方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有控制灵活、开关频率低、交流侧谐波含量少等特性，被广泛的应用在高压大功率场合，尤其促进了高压直流输电技术的发展，例如目前在建的张北工程是世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程，其容量已达到±500kV、3000MW。研究MMC的损耗计算可为器件选型、散热系统设计提供理论依据，也为优化其拓扑和控制策略奠定基础。因此提出一种精确计算MMC损耗的方法具有重要意义。

MMC阀损耗主要是由功率半导体器件产生的，在绝大多数场合MMC都是采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为核心器件。根据IEC62751-1(讨论稿)，MMC阀损耗可分为五个部分：IGBT导通损耗、IGBT开关损耗、二极管导通损耗、二极管反向恢复损耗、开关器件截止损耗。其中，开关器件的截止损耗非常小，往往可以忽略；IGBT导通损耗和二极管导通损耗都属于通态损耗；IGBT开关损耗和二极管反向恢复损耗属于开关损耗。在计算MMC损耗时，往往需要考虑系统主参数、IGBT特性、MMC拓扑结构、子模块拓扑以及调制均压方式等多个因素，使得计算具有一定的复杂性。

目前，计算MMC损耗的方法可以分为两大类：第一类是建立数值计算模型，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。利用第一类方法可以快速便捷的估算出MMC损耗，但是它只能计算出平均功率损耗，并且在某些调制和均压策略下无法获得MMC准确的开关频率、从而在计算开关损耗时会存在较大误差。尽管第二类计算方法往往能实现理想的精确度，但是仿真会对硬件有很高的要求并且需要耗费大量的时间，不适用于工程前期方案设计和对系统的综合评估。

发明内容

针对上述背景技术中提到的现有MMC损耗计算方法的不足，本发明提出了一种基于虚拟桥臂数学模型(Virtual Arm Mathematica Model,VAMM)的MMC瞬时功率损耗计算方法，可以快速实现MMC瞬时功率损耗的计算。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于虚拟桥臂数学模型的MMC瞬时功率损耗计算方法，包括以下步骤：

(1)在仿真软件中搭建虚拟桥臂数学模型，并将MMC系统电气参数和运行参数输入至虚拟桥臂数学模型，同时明确目标桥臂所在的位置；其中，电气参数包括直流侧电压U_dc、桥臂子模块个数N和子模块电容值C₀，运行参数包括调制比m、传输的有功功率P和无功功率Q；

(2)确定MMC系统的调制和均压策略；

(3)运行虚拟桥臂数学模型，虚拟桥臂数学模型将会输出瞬时的桥臂电流i_arm、桥臂上第i个子模块的投入切出状态S_i，i＝1,2,…,N；

(4)根据步骤(3)的输出结果，判断出每个子模块中器件的开通/关断状态，结合开关器件的导通损耗特性，计算子模块各个器件的导通损耗；

(5)根据步骤(3)的输出结果，并结合上一时刻的子模块器件开通/关断状态，判断出哪些器件发生了开关动作，并根据开关器件的开关损耗特性，计算各个器件的开关损耗；

(6)依据步骤(4)和(5)的计算结果，将每个器件的开关损耗和导通损耗相加，即可得到器件的总损耗；将每个子模块中的器件损耗相加，即可得到子模块损耗；将子模块损耗相加，即可得到桥臂损耗。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，搭建MMC虚拟桥臂数学模型，该模型能够根据MMC的基本参数和调制、均压策略计算出桥臂电流和桥臂上子模块的投入切出状态，基于该模型的输出结果进行瞬态阀损耗的计算。

本发明进一步的改进在于，步骤(4)中，当i_arm流经IGBT时，产生如下的导通功率损耗：

p_Tcond＝i_arm×(V_T0+R_CEi_arm)

式中，V_T0和R_CE为IGBT的导通压降和导通电阻，从IGBT数据手册的特性曲线拟合参数获得；

当i_arm流经FWD时，产生如下的导通功率损耗：

p_Dcond＝i_arm×(V_D0+R_Di_arm)

式中，R_D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。

本发明进一步的改进在于，步骤(5)中，当IGBT开通时，产生如下开关功率损耗：

式中，a_T1,b_T1,c_T1为对IGBT开通能量曲线进行拟合的结果，k₁为校正系数，用来修正温度、电压等开关能量的影响，T_s为控制周期；

当IGBT关断时，会产生如下开关功率损耗：

式中，a_T2,b_T2,c_T2为对IGBT关断能量曲线进行拟合的结果，k₂为校正系数；

FWD的开通损耗忽略，其关断时产生的反向恢复功率损耗如下：

式中，a_D,b_D,c_D为从对反并联二极管反向恢复能量曲线进行拟合的结果，k₃为校正系数。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明在仿真平台中搭建一种MMC的简化快速仿真模型，即虚拟桥臂数学模型(VAMM)，通过运行符合实际系统电气和运行特性的VAMM仿真模型，可以获得瞬时的流经各个子模块的电流及每个子模块中开关器件的导通/关断状态，代入功率半导体器件的损耗计算公式，从而实现MMC瞬时功率损耗的计算。

首先，本发明建立了一种简化的快速仿真模型，即虚拟桥臂数学模型(VAMM)(如图1所示)，它能够根据MMC系统参数和运行要求、考虑不同的调制和均压策略，实时的快速复现一个桥臂上的电流和子模块的投入切出状态，从而实现对桥臂上各个器件、子模块以及桥臂的瞬时损耗计算。基于VAMM的瞬时损耗计算方法可以兼具快速性和准确性，相比于详细的电磁仿真模型能节省大量的时间和成本，非常适用于工程前期的方案论证，对方案优化起到指导作用，提供重要的技术经济指标。

其次，本发明可以快速便捷地计算出MMC换流器的瞬态损耗值，能够给出实际柔性直流输电工程运行时较为准确的损耗值，并且可以对比不同器件、不同参数、不同调制策略策略、不同均压策略下的损耗分布特点，节省运行费用，优化系统的方案设计。

综上所述，本发明通过运行符合实际系统电气和运行特性的VAMM仿真模型，可以实时提供计算损耗所需的数据，相比于详细的电磁仿真模型能节省大量的时间和成本，非常适用于工程前期的方案论证，对方案优化起到指导作用，提供重要的技术经济指标。

附图说明

图1为VAMM结构图。图中各符号：U_dc为直流侧电压,N为桥臂子模块个数，m为调制比，P为交流侧有功功率，Q为交流侧无功功率，C₀为子模块电容值；i_arm和u_arm分别为桥臂电流和桥臂电压；U_ci为第i个子模块的电容电压。

图2为MMC系统图。图中各符号：

为正负极直流母线电压，L_S为桥臂电抗，N为每个桥臂子模块数量，I_dc为直流侧电流，i_ap为流经a相上桥臂的电流，u_ap为a相上桥臂电压，u_an为a相下桥臂电压，i_a,i_b,i_c为交流侧三相的电流，v_a,v_b,v_c为交流侧三相电压，P,Q为从直流侧流入交流侧的有功功率和无功功率。

图3为子模块结构图。每个子模块含有两个功率模块，即有IGBT1和FWD1以及IGBT2和FWD2。

图4为运行VAMM得到的桥臂电流波形，并与详细开关仿真模型得到的相应桥臂电流进行了对比。

图5为详细开关仿真模型中一个子模块的控制信号.

图6为VAMM仿真得到的一个子模块的控制信号。

图7为根据详细开关仿真模型计算得到的桥臂上某个子模块的器件损耗功率分布。

图8是根据VAMM仿真结果计算得到的某子模块的器件损耗功率分布。

图9为根据VAMM仿真结果计算得到的桥臂导通损耗功率分布。

图10为根据VAMM仿真结果计算得到的桥臂开关损耗功率分布。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供的基于虚拟桥臂数学模型的MMC瞬时功率损耗计算方法，包括以下步骤：

(1)在仿真软件中搭建虚拟桥臂数学模型(结构如图1所示)，并将MMC系统电气参数(直流侧电压U_dc，桥臂子模块个数N，子模块电容值C₀)和运行参数(调制比m，传输的有功功率P、无功功率Q)输入至虚拟桥臂数学模型，同时明确目标桥臂所在的位置；

(2)确定系统的调制和均压策略；

(3)运行虚拟桥臂数学模型，虚拟桥臂数学模型将会输出瞬时的桥臂电流i_arm、桥臂上第i个子模块的投入切出状态S_i(i＝1,2，……,N)

(4)根据步骤(3)的输出结果，可以判断出每个子模块中器件的开通/关断状态，结合开关器件的导通损耗特性，可以计算子模块各个器件的导通损耗。

当i_arm流经IGBT时将会产生如下的导通功率损耗：

p_Tcond＝i_arm×(V_T0+R_CEi_arm)

式中V_T0和R_CE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。

当i_arm流经FWD时将会产生如下的导通功率损耗：

p_Dcond＝i_arm×(V_D0+R_Di_arm)

式中，V_D0和R_D为FWD的导通压降和导通电阻，可从IGBT数据手册FWD的特性曲线拟合参数获得。

(5)根据步骤(3)的输出结果，并结合上一时刻的子模块器件开通/关断状态，可以判断出哪些器件发生了开关动作，并根据开关器件的开关损耗特性，计算各个器件的开关损耗。

当IGBT开通时，会产生如下开关功率损耗：

式中，a_T1,b_T1,c_T1为对IGBT开通能量曲线进行拟合的结果，k₁为校正系数，用来修正温度、电压等开关能量的影响，T_s为控制周期。

当IGBT关断时，会产生如下开关功率损耗：

式中，a_T2,b_T2,c_T2为对IGBT关断能量曲线进行拟合的结果，k₂为校正系数。

FWD的开通损耗可以忽略，其关断时产生的反向恢复功率损耗如下：

式中，a_D,b_D,c_D为从对反并联二极管反向恢复能量曲线进行拟合的结果，k₃为校正系数。

(6)将每个器件的开关损耗和导通损耗(即步骤(4)和(5)的计算结果)相加，即可得到器件的总损耗；将每个子模块中的器件损耗相加，即可得到子模块损耗；将子模块损耗相加，即可得到桥臂损耗。

其中，步骤(1)、(2)和(3)中，通过运行符合实际系统电气和运行特性的VAMM仿真模型，可以实时提供计算损耗所需的数据，相比于详细的电磁仿真模型能节省大量的时间和成本，非常适用于工程前期的方案论证，对方案优化起到指导作用，提供重要的技术经济指标。

实施例

以张北工程康保站作为实例分析，系统主参数如表1所示，系统结构图如图2所示，系统使用半桥子模块如图3所示。

表1康保站系统主参数

第一步，将表一中的系统主参数输入至VAMM，同时设定如下运行条件：系统工作在满载整流状态(即P＝750MW，Q＝0)，m＝0.99，并输入进VAMM，实例欲计算a相上桥臂的损耗。

第二步，此实例中，系统使用最近电平逼近调制策略和传统的电容电压排序均压策略，将这两种策略输入至VAMM。

第三步，运行VAMM，获得实时数据：i_arm和S_i。其中得到的桥臂电流波形如图4所示，某个子模块的控制信号如图6所示，并与详细开关仿真模型结果(图4、图5所示)对比，计算结果相似，验证了VAMM的准确性。

第四步，根据第三步的输出结果，可以根据图3所示正方向和表2判断出每个子模块中器件的导通/关断状态。从IGBT器件手册，可以拟合得到器件的导通损耗特性，代入(4)中的公式进行计算，得到各个器件的导通功率损耗。表2子模块中开关器件开通/关断规律

第五步，根据第三步的输出结果，和上一时刻的器件导通开关状态，可以判断出哪些器件进行了开关动作，结合IGBT的开关损耗特性，利用(5)中的公式可以计算出器件产生的开关功率损耗。将器件的导通功率损耗和开关功率损耗相加，即可得到器件的总功率损耗。根据详细开关仿真模型和VAMM仿真得到的数据进行计算，结果分别如图7、图8所示。

第六步，将一个桥臂上对应器件的导通损耗和开关损耗分别相加，即可得到桥臂上器件损耗的分布特性，计算结果如图9、图10所示。

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 (1)

1.基于虚拟桥臂数学模型的MMC瞬时功率损耗计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在仿真软件中搭建虚拟桥臂数学模型，并将MMC系统电气参数和运行参数输入至虚拟桥臂数学模型，同时明确目标桥臂所在的位置；其中，电气参数包括直流侧电压U_dc、桥臂子模块个数N和子模块电容值C₀，运行参数包括调制比m、传输的有功功率P和无功功率Q；该MMC虚拟桥臂数学模型能够根据MMC的基本参数和调制、均压策略计算出桥臂电流和桥臂上子模块的投入切出状态，基于该模型的输出结果进行瞬态阀损耗的计算；

(2)确定MMC系统的调制和均压策略；

(3)运行虚拟桥臂数学模型，虚拟桥臂数学模型将会输出瞬时的桥臂电流i_arm、桥臂上第i个子模块的投入切出状态S_i，i＝1,2,…,N；

(4)根据步骤(3)的输出结果，判断出每个子模块中器件的开通/关断状态，结合开关器件的导通损耗特性，计算子模块各个器件的导通损耗；当桥臂电流i_arm流经IGBT时，产生如下的导通功率损耗：

p_Tcond＝i_arm×(V_T0+R_CEi_arm)

式中，V_T0和R_CE为IGBT的导通压降和导通电阻，从IGBT数据手册的特性曲线拟合参数获得；

当桥臂电流i_arm流经二极管FWD时，产生如下的导通功率损耗：

p_Dcond＝i_arm×(V_D0+R_Di_arm)

式中，R_D为二极管FWD的导通压降和导通电阻，从IGBT数据手册二极管FWD的特性曲线拟合参数获得；

(5)根据步骤(3)的输出结果，并结合上一时刻的子模块器件开通/关断状态，判断出哪些器件发生了开关动作，并根据开关器件的开关损耗特性，计算各个器件的开关损耗；当IGBT开通时，产生如下开关功率损耗：

式中，a_T1,b_T1,c_T1为对IGBT开通能量曲线进行拟合的结果，k₁为校正系数，用来修正温度、电压等开关能量的影响，T_s为控制周期；

当IGBT关断时，会产生如下开关功率损耗：

式中，a_T2,b_T2,c_T2为对IGBT关断能量曲线进行拟合的结果，k₂为校正系数；

二极管FWD的开通损耗忽略，其关断时产生的反向恢复功率损耗如下：

式中，a_D,b_D,c_D为从对反并联二极管反向恢复能量曲线进行拟合的结果，k₃为校正系数；

(6)依据步骤(4)和(5)的计算结果，将每个器件的开关损耗和导通损耗相加，即可得到器件的总损耗；将每个子模块中的器件损耗相加，即可得到子模块损耗；将子模块损耗相加，即可得到桥臂损耗。

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