模塊化多電平變流器損耗估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種損耗計算方法，具體地，涉及一種模塊化多電平變流器損耗估算 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平變流器（Modular Multilevel Converter，MMC)采用模塊化設(shè)計子 模塊的級聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，具有靈活的可擴(kuò)展特性，同時相對于傳統(tǒng)的兩電平電壓源型變流器 它具有輸出特性好、諧波含量低、無需交流濾波器、更適于電壓等級高的場合等優(yōu)點(diǎn)，從而 被越來越多地應(yīng)用于VSC-HVDC系統(tǒng)中。由于MMC含有的半導(dǎo)體器件數(shù)量多，運(yùn)行時需要根 據(jù)其損耗和溫升等特性進(jìn)行合理選型，但是檢索現(xiàn)有文獻(xiàn)，并無針對MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變流器 的損耗估算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是提供一種模塊化多電平變流器損耗估算方法，通過對半導(dǎo)體器件特 性曲線的高精度擬合建模，采用實(shí)時查表計算的方式，對器件的運(yùn)行損耗、導(dǎo)通損耗以及關(guān) 斷損耗進(jìn)行準(zhǔn)確估算。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0005] 一種模塊化多電平變流器損耗估算方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] 步驟1 :根據(jù)模塊化多電平變流器選定的半導(dǎo)體器件類型，確定電流系數(shù)k ;
[0007] 步驟2 :根據(jù)步驟1中選定的半導(dǎo)體器件類型，對半導(dǎo)體器件的晶體管通態(tài)特性曲 線VeE-I。進(jìn)行插值擬合，其中VeE為集電極與發(fā)射極間電壓，I。為集電極電流，采用的插值多 項(xiàng)式g(j)形式為：
[0008] g(j) = a+b ? jc
[0009] 其中，a、b、c為常數(shù)系數(shù)，j為自變量；
[0010] 步驟3 :重復(fù)步驟2,對半導(dǎo)體器件的二極管伏安特性曲線Vf-Ifusb體管開關(guān)特性 曲線Em-I。和E二極管反向恢復(fù)特性曲線Era-IF進(jìn)行插值擬合，得到各個曲線對應(yīng)的 特性常數(shù)a、b、c;其中VF為正向電壓，IF為正向電流，E"和E分別為開通能量和關(guān)斷能 量，EM。為反向關(guān)斷能量；
[0011] 步驟4 :初始化半導(dǎo)體器件的晶體管運(yùn)行損耗E_T、二極管運(yùn)行損耗EMnD、晶體管 開通損耗EmT、晶體管關(guān)斷損耗及二極管反向恢復(fù)損耗E_為零；
[0012] 步驟5 :使模塊化多電平變流器保持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，檢測流入每個橋臂的子模塊的電 流、，子模塊電容電壓V。以及子模塊對應(yīng)的觸發(fā)信號Si、S2，其中，下標(biāo)中1表示上管對應(yīng)的 半導(dǎo)體器件參數(shù)標(biāo)號，下標(biāo)2表示下管對應(yīng)的器件參數(shù)標(biāo)號；優(yōu)選地，此處子模塊為兩個串 聯(lián)半導(dǎo)體器件并聯(lián)一個電容的模塊化組合，半導(dǎo)體器件采用帶有反并聯(lián)二極管的晶體管；
[0013]步驟6:判斷觸發(fā)信號：
[0014] 1，S2=0,表明子模塊兩個半導(dǎo)體器件中的上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，此時判斷 電流is方向：
[0015] 若is^ 0,則電流流經(jīng)上管的二極管部分，此時計算上管二極管的累計運(yùn)行損耗：
[0016] IF1=is
[0017]
[0018] 其中，VF1 (iF1/k)為步驟3得到的插值函數(shù)計算所得，下述相應(yīng)計算均為代入插值 函數(shù)計算所得，Ts為采樣時間，I F1為上管二極管的正向電流，Eranm為本次計算后的累計運(yùn) 行損耗，E'。。_為本次計算前的累計運(yùn)行損耗，V F1為上管二極管的正向電壓；
[0019] 若is< 0,則電流流經(jīng)上管的晶體管部分，此時計算上管晶體管的累計運(yùn)行損耗：
[0020] ICi= I i s
[0021]
[0022] 其中，:^為上管晶體管的集電極電流，E _T1為本次計算后上管晶體管的累計運(yùn)行 損耗，E' emT1為本次計算前上管晶體管的累計運(yùn)行損耗；
[0023] 0，S2= 1，表明子模塊兩個功率器件中的下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷，此時判斷電 流is方向：
[0024] 若is> 0,則電流流經(jīng)下管的晶體管部分，此時計算下管晶體管的累計運(yùn)行損耗：
[0025] IC2= | i s
[0026]
[0027]兵甲，卜官晶懷官果電攸電沭，E _T2為本次計算后下管晶體管的累計運(yùn)行損 耗，E'。。#2為本次計算前下管晶體管的累計運(yùn)行損耗；
[0028] 若is< 0,則電流流經(jīng)下管的二極管部分，此時計算下管二極管的累計運(yùn)行損耗：
[0029] IF2= | i s
[0030]
[0031] 其中，IF2為下管二極管正向電流，EMnD2為本次計算后下管二極管的累計運(yùn)行損 耗，E' 為本次計算前下管二極管的累計運(yùn)行損耗；
[0032] 若上一次采樣時Si= 1，S 2= 0,本次采樣時S 0, S 2= 1，此時判斷上一次采樣 時電流is方向：
[0033] 若上一次采樣時is^ 0,則計算上管二極管的累計反向恢復(fù)損耗E_D1和下管晶體 管的累計開通損耗EmT2:
[0034] IF1= I i sl，IC2= I i s
[0035]
[0036]
[0037]其中V。。為參考關(guān)斷電壓，V。為子模塊電容電壓，E_D1為本次計算后上管二極管的 累計反向恢復(fù)損耗，E' _D1為本次計算前上管二極管的累計反向恢復(fù)損耗，E mT2為本次計 算后下管晶體管的累計開通損耗，E'。。12為本次計算前下管晶體管的累計開通損耗；
[0038] 若上一次采樣時is< 0,則計算上管晶體管的累計關(guān)斷損耗
[0039] 丁 = h
[0040]
[0041] 其中，EfnS本次計算后上管晶體管的累計關(guān)斷損耗，E' 為本次計算前上管 晶體管的累計關(guān)斷損耗；
[0042] 若上一次采樣時Si= 0,S2= 1，本次采樣時S1，S2= 0,此時判斷上一次采樣 時電流is方向：
[0043] 若上一次采樣時is^ 0,則計算下管晶體管的累計關(guān)斷損耗E。"12:
[0044] IC2=Ii s
[0045]
[0046] 其中，￡_為本次計算后下管晶體管的累計關(guān)斷損耗，E' _為本次計算前下管 晶體管的累計關(guān)斷損耗；
[0047] 若上一次采樣時is< 0,則計算上管晶體管的累計開通損耗E mT1和下管二極管的 累計反向恢復(fù)損耗：
[0048] 1"= I i J，IF^= I i J
[0049]
[0050]
[0051] 其中，Erad)2為本次計算后下管二極管的累計反向恢復(fù)損耗，E' 為本次計算前 下管二極管的累計反向恢復(fù)損耗，EmT1為本次計算后上管晶體管的累計開通損耗，E' mT1為 本次計算前上管晶體管的累計開通損耗；
[0052] 步驟7 :每隔采樣時間Ts，重復(fù)步驟5至步驟6,直至總采樣時間達(dá)到Tt(rtal，所述 Ttotal為多次計算所需采樣時間間隔T3的總和；
[0053] 步驟8 :分別計算上下管的晶體管運(yùn)行損耗功率P_T、開通損耗功率關(guān)斷損 耗功率以及上下管的二極管運(yùn)行損耗功率P和反向恢復(fù)損耗功率P_D:
[0057] 其中，P_T1為上管晶體管的運(yùn)行損耗功率，P_T2為下管晶體管的運(yùn)行損耗功率， P_D1為上管二極管的運(yùn)行損耗功率，P_T2為下管二極管的運(yùn)行損耗功率，PmTl為上管晶體 管的開通損耗功率，P mT2為下管晶體管的開通損耗功率，為上管晶體管的關(guān)斷損耗功 率，P()ffT2為下管晶體管的關(guān)斷損耗功率，p_D1S上管二極管的反向恢復(fù)損耗功率，p_ D2S 下管二極管的反向恢復(fù)損耗功率。優(yōu)選的，步驟7中總采樣時間Tt()tal為MMC(模塊化多電 平變流器）基波周期的整數(shù)倍。
[0058] 本發(fā)明提供的模塊化多電平變流器損耗估算方法，根據(jù)所選取半導(dǎo)體器件特性確 定電流系數(shù)，對其晶體管通態(tài)特性曲線、二極管伏安特性曲線、晶體管開關(guān)特性曲線和二極 管反向恢復(fù)特性曲線進(jìn)行插值擬合；在模塊化多電平變流器處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，判斷子模塊 各器件的觸發(fā)信號和流經(jīng)子模塊的電流方向，計算各個器件相應(yīng)的晶體管運(yùn)行損耗功率、 開通損耗功率和關(guān)斷損耗功率以及二極管運(yùn)行損耗功率和反向恢復(fù)損耗功率。
[0059] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0060] 1、本發(fā)明提出一種MMC(模塊化多電平變流器）損耗估算方法，采用形如g(j)= a+b ? f的多項(xiàng)式擬合半導(dǎo)體器件的特性曲線，具有計算量小精度高的特點(diǎn)；
[0061] 2、本發(fā)明不僅可以較為準(zhǔn)確地計算MMC整體損耗情況，還可以對模塊化多電平變 流器損耗在器件各個部分的分布情況進(jìn)行有效評估。
【附圖說明】
[0062] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：
[0063] 圖1是作為本實(shí)施例所應(yīng)用對象的三相MMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0064] 圖2是本實(shí)施例計算得到的MMC系統(tǒng)A相子模塊損耗功率分布柱形圖。
[0065] 圖中：Vd。為直流母線電壓，SM^子模塊，其中x為自然數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0066] 下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
[0067] 實(shí)施例
[0068] 本實(shí)施例提出一種模塊化多電平變流器損耗估算方法，其包括以下步驟：根據(jù)所 選取半導(dǎo)體器件特性確定電流系數(shù)，對其晶體管通態(tài)特性曲線、二極管伏安特性曲線、晶體 管開關(guān)特性曲線和二極管反向恢復(fù)特性曲線進(jìn)行插值擬合；在模塊化多電平變流器處于穩(wěn) 態(tài)運(yùn)行時，判斷子模塊各器件的觸發(fā)信號和流經(jīng)子模塊的電流方向，計算各個器件相應(yīng)的 晶體管運(yùn)行損耗功率、開通損耗功率和關(guān)斷損耗功率以及二極管運(yùn)行損耗功率和反向恢復(fù) 損耗功率。
[0069] 具體地，本實(shí)施例采用模塊化多電平變流器損耗估算方法包括如下步驟：
[0070] 步驟1 :根據(jù)模塊化多電平變流器選定的半導(dǎo)體器件類型，確定電流系數(shù)k。
[0071] 本實(shí)施例中選取的半導(dǎo)體器件可以為ABB公司生產(chǎn)的IGBT模塊 5SNA0800N330100,其電流系數(shù)為 k = 2。
[0072] 步驟2 :根據(jù)步驟1中選定的半導(dǎo)體器件類型，對其晶體管通態(tài)特性曲線^-1。進(jìn) 行插值擬合，其中VeE為集電極與發(fā)射極間電壓，I。為集電極電流，采用的插值多項(xiàng)式形式 為：
[0073] g(j) = a+b ? jc
[0074] 其中，a，b，c為對應(yīng)特性曲線的特性常數(shù)，擬合后的特性曲線方程即為VeE(I。）= a+b ? (Ic)c〇
[0075] 本實(shí)施例中，擬合得到的特性曲線方程為VCE(IC) = 0. 794+0. 0403 ? (Ic)°_4493。
[0076] 步驟3 :重復(fù)步驟2過程，對半導(dǎo)體器件的二極管伏安特性曲線VF_IF、晶體管開關(guān) 特性曲線Em_I。和E二極管反向恢復(fù)特性曲線Era_IF進(jìn)行插值擬合，得到各個曲線對 應(yīng)的特性常數(shù)a，b，c。其中VF為正向電壓，IF為正向電流，E"和E分別為開通能量和關(guān) 斷能量，EM。為反向關(guān)斷能量。
[0077] 本實(shí)施例中，擬合得到的特性曲線方程為VF(IF) = 0.5031+0. 0359 ? (If)°_589°， E〇n(Ic) = 〇. 1