CN115864515B - 一种基于平均值模型的mmc阀组损耗确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法及系统，包括：根据MMC阀组中桥臂电流流通路径和桥臂子模块投入数目，确定器件通态损耗；基于半平均值模型全工况网格化运行后获得开关频率数据集，对开关频率数据集经二维插值得到开关频率曲面，根据开关频率曲面得到任意工况下开关频率近似值；基于理想假设推导桥臂上器件的最大开通和关断次数，以此利用平均值模型确定开关频率上限和对应的开关损耗上限；根据开关频率近似值、开关频率上限和开关损耗上限，得到器件开关损耗。解决MMC阀组开关损耗的计算精度、计算速度难以兼顾的问题，实现了全工况下MMC阀组损耗的快速计算。

Description

一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统柔性直流输电技术领域，特别是涉及一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着电力电子器件制造技术的不断革新，基于MMC的柔性直流输电技术在大规模可再生能源的送出和消纳以及提升电网安全稳定性等方面具有无可匹敌的优势。柔性直流输电有着优异的技术性能，但系统运行中会因器件的非理想特性而产生能量耗散，相对较高的损耗率是其大规模应用的主要障碍之一，特别是在高压大容量的场合。器件的功率损耗还会造成结温升高，而器件本身的物理性能对温度十分敏感，过高的温度会造成器件失效率增大，进而导致系统的可靠性下降。开展柔性直流输电MMC阀组损耗特性研究可为散热系统的设计、器件的选型、系统的可靠性、经济性评估提供依据，对于柔性直流输电技术的长久发展和工程应用有重要的价值。

MMC阀组损耗的计算方法大体可以分为两类。第1类为基于电磁暂态仿真数据的计算方法。通过运行仿真模型获得计算损耗所需要的数据，对数据进行二次处理得到损耗值。这类方法的优点在于可以获得子模块的动态数据，进而实现高精度的损耗计算。但，模型中包含了大量的开关器件和电容，想要计算某一工况下的损耗，需要大量时间来获取数据，时间成本很高，不利于获取不同工况下的损耗。

第2类为基于解析表达式的计算方法。这类方法的优点在于时间成本低，而且可以看出影响损耗大小的具体因素。但是在实际情况中，由于MMC阀组桥臂子模块电容电压存在离散性，所以需要电容电压平衡策略控制的参与使得各个子模块电容电压不平衡度尽可能的小，这就导致子模块具体的动态过程十分复杂，很难以解析的方式表达，所以第2类方法在计算开关损耗时往往采取过于理想化的方式，这导致了计算结果不精确或者方法适用性差。

李探等人在2019年于《电网技术》上发表了《构建虚拟桥臂数学模型的MMC阀损耗快速计算方法研究》，该方法构建了MMC虚拟桥臂数学模型，以此为基础计算阀组损耗。但是没有考虑桥臂电压、电流高次谐波的影响，同时所建立的虚拟桥臂数学模型不能计及控制器的作用，与实际情况有较大的区别。

罗永捷等人在2020年于《中国电机工程学报》上发表了《高压大容量MMC换流阀损耗精确计算》，该方法综合解析计算和仿真两种思路，实现了MMC在最近电平逼近调制策略下MMC阀组损耗的定量分析。缺点是只适用于MMC运行在单位功率因数的情况，具有很大的局限性。

李程昊等人在2015年于《中国电机工程学报》上发表了《中高频模块化多电平换流器阀损耗的精确计算方法与分析平台》，该方法构建一种简化的MMC电磁暂态模型，舍去开关器件和电容，将子模块电容的动态过程数值化，加速电磁暂态数据的获取过程，进而在MATLAB中对数据进行二次处理，计算得出MMC阀组损耗。但是需要在MATLAB中对数据进行二次处理，操作过程复杂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法及系统，通过开关频率曲面和平均值模型的结合，解决MMC阀组开关损耗的计算精度、计算速度难以兼顾的问题，实现了全工况下MMC阀组损耗的快速计算。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法，包括：

根据MMC阀组中桥臂电流流通路径和桥臂子模块投入数目，确定器件通态损耗；

基于半平均值模型全工况网格化运行后获得开关频率数据集，对开关频率数据集经二维插值得到开关频率曲面，根据开关频率曲面得到任意工况下开关频率近似值；

基于理想假设推导桥臂上器件的最大开通和关断次数，以此利用平均值模型确定开关频率上限和对应的开关损耗上限；

根据开关频率近似值、开关频率上限和开关损耗上限，得到器件开关损耗。

作为可选择的实施方式，在MMC阀组中，六个桥臂的通态损耗相等，则每个桥臂的通态损耗为：

式中：n_pa为a相上桥臂子模块投入数目；N为桥臂子模块数目；i_pa为a相上桥臂瞬时电流；t₁和t₂为两个不同时刻；P_{T_cond}为IGBT的瞬时通态损耗功率；P_{D_cond}为二极管的瞬时通态损耗功率。

作为可选择的实施方式，开关频率上限为：

其中，N为桥臂子模块数目；t₁和t₂为两个不同时刻；n_(1-0)为由投入到切除的最大子模块数目；n_(0-1)为由切除到投入的最大子模块数目。

作为可选择的实施方式，投入到切除的最大子模块数目和由切除到投入的最大子模块数目为：若n(t)小于N-n(t-ΔT)，n_(0-1)＝n(t)；n_(1-0)＝n(t-ΔT)；否则，n_(0-1)＝N-n(t-ΔT)；n_(1-0)＝N-n(t)；其中，n(t)、n(t-ΔT)为t时刻、t-ΔT时刻投入的子模块数目，N-n(t-ΔT)、N-n(t)为t时刻、t-ΔT时刻切除的子模块数目。

作为可选择的实施方式，根据子模块每次动作时的n_(1-0)和n_(0-1)，并结合损耗组合类型计算出此刻的开关损耗，在一段时间内求均值再乘以六后，得到开关损耗上限。

作为可选择的实施方式，根据开关频率曲面得到的开关频率近似值用于替代实际开关频率去计算器件开关损耗。

作为可选择的实施方式，器件开关损耗为：

式中：P_sw为器件开关损耗；P_{sw_max}为开关损耗上限；f_max为开关频率上限；f_real为实际开关频率，由开关频率近似值代替。

第二方面，本发明提供一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定系统，包括：

通态损耗确定模块，被配置为根据MMC阀组中桥臂电流流通路径和桥臂子模块投入数目，确定器件通态损耗；

开关频率近似模块，被配置为基于半平均值模型全工况网格化运行后获得开关频率数据集，对开关频率数据集经二维插值得到开关频率曲面，根据开关频率曲面得到任意工况下开关频率近似值；

上限确定模块，被配置为基于理想假设推导桥臂上器件的最大开通和关断次数，以此利用平均值模型确定开关频率上限和对应的开关损耗上限；

开关损耗确定模块，被配置为根据开关频率近似值、开关频率上限和开关损耗上限，得到器件开关损耗。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法及系统，首先推导MMC阀组桥臂器件的最大开通和关断次数，以此为基础，利用平均值模型计算开关频率上限和开关损耗上限，并进一步结合开关频率曲面实现MMC阀组开关损耗的快速计算。实现了全工况下MMC阀组损耗的快速计算，通过开关频率曲面和平均值模型的结合，解决MMC阀组开关损耗的计算精度、计算速度难以兼顾的问题，损耗计算结果可为MMC阀组散热系统的设计、器件选型、系统可靠性与经济性评估提供依据。

在计算精确度方面，本发明由于采用了开关频率曲面和平均值模型相结合的计算方式，因此在损耗计算过程中计及了电压平衡策略的影响，保证了MMC阀组损耗的计算精度。

在计算速度方面，平均值模型由于不含由开关器件和电容，仿真运行速度大幅度提升，因此损耗计算速度也随之提升。

在适用性方面，当电容电压平衡策略改变时，重新利用半平均值模型获取开关频率数据集，再进行二维插值就能得到对应电容电压平衡策略下的开关频率曲面。方法不受具体电容电压平衡策略的影响，适用性强。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的半平均值模型结构；

图2为本发明实施例1提供的开关频率曲面生成过程图；

图3为本发明实施例1提供的最大开关次数计算流程图；

图4为本发明实施例1提供的基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法过程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

为解决现有MMC阀组损耗计算精确度、计算速度难以兼顾的问题，本实施例提供一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法，包括：

(1)基于曲线拟合理论获取器件损耗参数，得到器件通态损耗表达式；

(2)在平均值模型中，基于子模块的电流流通路径和桥臂子模块投入数目，采用器件通态损耗表达式，确定MMC阀组中器件通态损耗；

(3)在确定的系统参数和电容电压平衡策略下，基于半平均值模型全工况网格化运行后获得的开关频率数据集，经二维插值后生成开关频率曲面，以此得到任意工况下器件开关频率近似值；

(4)基于理想假设推导MMC阀组桥臂上器件的最大开通和关断次数，以此利用平均值模型计算开关频率上限，并结合器件开关损耗表达式计算MMC阀组中器件的开关损耗上限；

(5)综合利用开关频率近似值、开关频率上限和开关损耗上限，得到任意工况下MMC阀组中器件的开关损耗。

在本实施例中，MMC阀组损耗主要分为主电路损耗和底层控制损耗；主电路损耗中由于器件的非理想特性而产生的IGBT通态损耗、开关损耗和二极管通态损耗、反向恢复损耗是MMC阀组损耗的主要部分。

在本实施例中，IGBT、二极管等器件的通态损耗由通态压降和通态电流的乘积来表示：

P_{T_cond}＝U_CEI_c＝(R_T0I_c+U_CE0)I_c (1)

P_{D_cond}＝U_DI_D＝(R_D0I_D+U_D0)I_D (2)

式中：P_{T_cond}为IGBT的瞬时通态损耗功率；P_{D_cond}为二极管的瞬时通态损耗功率；I_c、I_D分别为流经IGBT、二极管的瞬时电流；U_CE0、U_D0分别为IGBT、二极管的通态电压偏置；R_T0、R_D0分别为IGBT、二极管的通态电阻，U_CE0、U_D0、R_T0、R_D0的具体数值可以基于厂商提供的器件手册中的数据，通过曲线拟合的方式得到。

器件开关损耗的计算方法与通态损耗类似，可以根据厂商提供的器件手册，利用曲线拟合的方式来近似计算IGBT的开通损耗(E_on)、关断损耗(E_off)、二极管的反向恢复损耗(E_rec)：

式中：a_i、b_i、c_i(i＝1，2，3)表示拟合参数，可以基于器件手册中的数据通过拟合的方式得到；i_CE为流过IGBT的瞬时电流；i_F为流过二极管的瞬时电流；u_ref为参考截止电压；u_c为子模块电容电压的瞬时值，在平均值模型中，用桥臂等效电容电压瞬时平均值代替u_c。

在MMC阀组中，器件的通态损耗和桥臂电流流通路径、桥臂子模块投入数目有关；以a相上桥臂为例，在一段时间内，a相上桥臂平均通态损耗功率为：

式中：n_pa为a相上桥臂子模块投入数目；N为桥臂子模块数目；i_pa为a相上桥臂瞬时电流；t₁和t₂为两个不同时刻，t₁和t₂的时间间隔应足够长，一般取1s。

在系统正常运行的情况下，MMC阀组的6个桥臂的通态损耗相等，所以整个MMC阀组的通态损耗功率为：

P_cond＝6P_{pa_cond} (7)

半平均值模型结合了详细开关模型和平均值模型的特点，一相桥臂由开关器件和电容构成，其余两相桥臂由受控电压源和等效电容形成的耦合电路构成，在保留了子模块动态特性的同时，加快了仿真运行速度，其具体结构如图1所示。所以，本实施例采用半平均值模型代替详细开关频率获取开关频率数据集，可以降低时间成本，如图2所示，采用半平均值模型获取开关频率数据集，生成开关频率曲面，利用开关频率曲面获得任意工况下开关频率近似值f_pre。

平均值模型是基于桥臂子模块电容电压时刻保持一致这一假设推导得出的，模型本身不能体现各个子模块的动态特征，也不能计及电容电压平衡策略的影响，但可基于理想假设计算开关频率上限和对应的开关损耗上限。

假设在t-ΔT这一时刻，一桥臂投入的子模块数目为n(t-ΔT)，则切除的子模块数目为N-n(t-ΔT)；若此时桥臂电流i_arm>0，则在t-ΔT时刻投入的n(t-ΔT)个子模块中最低的子模块电压都比切除的N-n(t-ΔT)个子模块中最高的子模块电压高，若桥臂电流i_arm<0，则相反；其中，ΔT表示控制周期。

基于上述假设，可计算每次子模块动作时的由投入到切除的最大子模块数目n_(1-0)，由切除到投入的最大子模块数目n_(0-1)，具体计算过程如图3所示；其中，若n(t)小于N-n(t-ΔT)，n_(0-1)＝n(t)；n_(1-0)＝n(t-ΔT)；否则，n_(0-1)＝N-n(t-ΔT)；n_(1-0)＝N-n(t)。

定义开关频率为单个IGBT模块在一段时间内的开关次数与时间的比值，结合开关频率的定义和图3，计算MMC阀组器件开关频率上限：

MMC阀组中器件的开关损耗会受到桥臂电流的方向和子模块具体投切情况的影响。子模块在不同电流方向和投切情况下的开关损耗组合类型如表1所示(以半桥子模块为例)；

表1不同情况下子模块开关损耗组合类型

计算出子模块每次动作时的n_(1-0)和n_(0-1)，并结合表1中的损耗组合类型计算出此时刻的开关损耗，在一段时间内求均值再乘以6，就可以计算得出MMC阀组中器件的开关损耗上限P_{sw_max}。

在系统参数、运行工况确定的前提下，MMC阀组中器件的开关频率取决于所采用的电容电压平衡策略和调制方式。由于电容电压平衡策略、调制方式对桥臂电流的影响极小，所以MMC阀组中器件的开关频率与开关损耗存在着正相关性。基于上述事实，实际开关损耗功率和开关损耗功率上限的关系可用式(9)近似表示：

式中：P_sw表示实际开关损耗功率；P_{sw_max}表示开关损耗上限；f_max表示开关频率上限；f_real表示实际的开关频率。

由式(9)可知，在任意给定工况P_ref、Q_ref下，利用平均值模型计算出f_max、P_{sw_max}，通过预先生成的开关频率曲面近似获得f_real，就可以近似计算出P_sw，基于损耗功率上限的MMC阀组开关损耗近似计算全过程如图4所示。

实施例2

本实施例提供一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定系统，包括：

通态损耗确定模块，被配置为根据MMC阀组中桥臂电流流通路径和桥臂子模块投入数目，确定器件通态损耗；

开关频率近似模块，被配置为基于半平均值模型全工况网格化运行后获得开关频率数据集，对开关频率数据集经二维插值得到开关频率曲面，根据开关频率曲面得到任意工况下开关频率近似值；

上限确定模块，被配置为基于理想假设推导桥臂上器件的最大开通和关断次数，以此利用平均值模型确定开关频率上限和对应的开关损耗上限；

开关损耗确定模块，被配置为根据开关频率近似值、开关频率上限和开关损耗上限，得到器件开关损耗。

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法，其特征在于，包括：

根据MMC阀组中桥臂电流流通路径和桥臂子模块投入数目，确定器件通态损耗；

基于半平均值模型全工况网格化运行后获得开关频率数据集，对开关频率数据集经二维插值得到开关频率曲面，根据开关频率曲面得到任意工况下开关频率近似值；

基于理想假设推导桥臂上器件的最大开通和关断次数，以此利用平均值模型确定开关频率上限和对应的开关损耗上限；

根据开关频率近似值、开关频率上限和开关损耗上限，得到器件开关损耗；

开关频率上限为：

其中，N为桥臂子模块数目；t₁和t₂为两个不同时刻；n_(1-0)为由投入到切除的最大子模块数目；n_(0-1)为由切除到投入的最大子模块数目；

根据子模块每次动作时的n_(1-0)和n_(0-1)，并结合损耗组合类型计算出此刻的开关损耗，在一段时间内求均值再乘以六后，得到开关损耗上限；

器件开关损耗为：

式中：P_sw为器件开关损耗；P_{sw_max}为开关损耗上限；f_max为开关频率上限；f_real为实际开关频率，由开关频率近似值代替。

2.如权利要求1所述的一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法，其特征在于，在MMC阀组中，六个桥臂的通态损耗相等，则每个桥臂的通态损耗为：

式中：n_pa为a相上桥臂子模块投入数目；i_pa为a相上桥臂瞬时电流；P_{T_cond}为IGBT的瞬时通态损耗功率；P_{D_cond}为二极管的瞬时通态损耗功率。

3.如权利要求1所述的一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法，其特征在于，由投入到切除的最大子模块数目和由切除到投入的最大子模块数目为：若n(t)小于N-n(t-ΔT)，n_(0-1)＝n(t)；n_(1-0)＝n(t-ΔT)；否则，n_(0-1)＝N-n(t-ΔT)；n_(1-0)＝N-n(t)；其中，n(t)、n(t-ΔT)为t时刻、t-ΔT时刻投入的子模块数目，N-n(t-ΔT)、N-n(t)为t时刻、t-ΔT时刻切除的子模块数目。

4.一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定系统，其特征在于，应用如权利要求1所述的一种基于平均值模型的MMC阀组损耗确定方法，包括：

通态损耗确定模块，被配置为根据MMC阀组中桥臂电流流通路径和桥臂子模块投入数目，确定器件通态损耗；

开关频率近似模块，被配置为基于半平均值模型全工况网格化运行后获得开关频率数据集，对开关频率数据集经二维插值得到开关频率曲面，根据开关频率曲面得到任意工况下开关频率近似值；

上限确定模块，被配置为基于理想假设推导桥臂上器件的最大开通和关断次数，以此利用平均值模型确定开关频率上限和对应的开关损耗上限；

开关损耗确定模块，被配置为根据开关频率近似值、开关频率上限和开关损耗上限，得到器件开关损耗。

5.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-3任一项所述的方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-3任一项所述的方法。

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