一种光储直柔用MMC变流器的换流阀损耗确定方法

一种光储直柔用mmc变流器的换流阀损耗确定方法
技术领域
1.本发明涉及电力系统输配电技术领域，具体涉及一种光储直柔用mmc变流器的换流阀损耗确定方法。


背景技术：

2.mmc变流器(modular multilevel converter，模块化多电平变流器)具有输出特性好、开关频率低、易于扩展等优点，已在国内外高压直流输电(high voltage direct current，hvdc)领域取得了广泛应用，同时也在直流配电网、光储直柔、机车牵引、船舶电力系统等中压场景具有广阔的应用前景。损耗计算是mmc变流器经济性、安全性、可靠性保障及系统散热设计的基础。其中，换流阀损耗是mmc变流器损耗的主要来源，也是分析研究mmc变流器损耗特性的重点和难点。而换流阀的损耗主要来自开关器件，即绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)模块所产生的损耗，包括通态损耗和开关损耗。
3.国内外学者针对开关器件损耗计算及换流阀损耗建模开展了广泛研究。有文献建立了igbt模块的物理计算模型，可以精确地给出开关器件的瞬态电压、电流波形和温度场分布特性，但是大多器件参数难以获得，且计算量巨大。有文献基于igbt模块生产厂商提供的损耗测试图，利用曲线拟合的方式获得其开关损耗、导通损耗和二极管通态损耗、反向恢复损耗，与流过电流之间的数学表达式。在换流阀损耗建模方面，针对子模块数量相对较少的中压mmc变流器应用场景，通常采用载波相移脉宽调制(carrier phase shift pwm，cps-pwm)，具有固定开关频率。有文献引入子模块开关器件有效工作区间，通过推导开关器件电流平均值和有效值，分析了各个开关器件的结温波动特性并提出了一种结温估算方法。有文献提出了半桥子模块通态损耗和开关损耗的计算方法并建立了换流阀热模型，为mmc变流器可靠性分析和全周期寿命评估提供了数据支撑。
4.综上，mmc变流器的开关器件损耗计算及换流阀损耗建模的研究已比较成熟。但是，如果考虑到二倍频环流分量的mmc变流器桥臂电流过零点解析式的复杂性，那么，现有换流阀损耗计算模型虽然具有较高的计算精度，却十分复杂且缓慢。为提高换流阀损耗的计算速度，有文献建立了以最大开关能量损耗与估算平均开关次数相累积的方法，但是，该方法相对保守，对mmc变流器冷却系统设计和电路元器件参数选取引入较大误差，并增加了其硬件成本。有文献提出了一种基于桥臂电流有效值和绝对值的简化损耗计算模型，但该模型中损耗计算的系数均来自于工程经验，计算精度难以保证，难以投入实际使用。
5.因此，如何实现cps-pwm调制下，对mmc变流器的换流阀损耗进行简便、快速且准确的评估，成为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种光储直柔用mmc变流器的换流阀损耗确定方法，能够在cps-pwm调制下，对mmc变流器的换流阀损耗进行简便、快速且准确的评
估。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
8.一种光储直柔用mmc变流器的换流阀损耗确定方法，所述mmc变流器的换流阀包括多个桥臂，每个桥臂均包括多个相同的子模块；每个子模块均包括开关器件，所述开关器件包括二极管d与igbt；其中，igbt包括igbt1和igbt2，二极管d包括二极管d1和二极管d2；
9.该方法包括以下步骤：
10.s1、计算mmc变流器的换流阀的通态损耗；
11.s2、计算mmc变流器的换流阀的开关损耗；
12.s3、将通态损耗及开关损耗相加，得到mmc变流器的换流阀损耗；
13.其中，s1包括：
14.s11、计算子模块中开关器件间基于基频周期的平均通态损耗；
15.s12、计算开关器件基于开关周期的平均通态损耗；
16.s13、将igbt和二极管的通态拟合参数等效，并分别取较大值作为计算参数后，通过计算参数计算换流阀的通态损耗。
17.优选地，s11中，开关器件基于基频周期的平均通态损耗计算式为：
[0018][0019][0020][0021]
式中，p
t1,cond
(i
t1
)为igbt1基于基频周期的平均通态损耗、p
d1,cond
(i
d1
)为二极管d1基于基频周期的平均通态损耗、p
t2,cond
(i
t2
)为igbt2基于基频周期的平均通态损耗、p
d2,cond
(i
d2
)为二极管d2基于基频周期的平均通态损耗、p
t,cond
为igbt瞬态功率通态损耗、p
d,cond
为二极管d瞬态功率通态损耗；τ为积分变量、i
t1
(τ)为τ时刻流经igbt1的电流、i
d1
(τ)为τ时刻流经二极管d1的电流、i
t2
(τ)为τ时刻流经igbt2的电流、i
d2
(τ)为τ时刻流经二极管d2的电流；
[0022]
t0为基频周期，t0＝1/f0；f0为调制波频率；fc为载波频率；t
k,on
、t
k,off
为各开关周期子模块投切的时刻；tk为各开关周期的初始时刻。
[0023]
优选地，s12中，开关器件基于开关周期的平均通态损耗的计算式如下：
[0024][0025]
式中，p
cond
(i)为开关器件基于开关周期的平均通态损耗、i(tk)为tk时刻流经开关器件的电流、δ(tk)为tk时刻开关器件的占空比。
[0026]
优选地，igbt和二极管各开关周期的占空比为：
[0027][0028]
式中，δ
t1
(tk)为tk时刻igbt1各开关周期的占空比、δ
d1
(tk)为tk时刻二极管d1各开关周期的占空比、δ
t2
(tk)为tk时刻igbt2各开关周期的占空比、δ
d2
(tk)为tk时刻二极管d2各开关周期的占空比、m为调制比、ω为基频角频率。
[0029]
优选地，s13中，所述将igbt和二极管的通态拟合参数等效，并均取较大值作为计算参数包括：对igbt和二极管进行拟合，假设子模块中igbt的通态压降u
ce0
和二极管的通态压降u
f0
相等，且igbt的通态电阻r
ce
与二极管的通态电阻rf相等后，取拟合结果中u
ce0
和u
f0
中的较大值作为计算参数中的通态电阻r，并取u
ce0
和u
f0
中的较大值作为计算参数中的通态压降u0。
[0030]
优选地，s13中，通过以下计算式计算换流阀的通态损耗：
[0031][0032]
式中，p
mmc,cond
为换流阀的通态损耗、r为计算参数中的通态电阻、u0为计算参数中的通态压降，i
i,j
为mmc变流器的桥臂电流、n为换流阀各桥臂的子模块个数、p
t1,cond
为igbt1的通态损耗、p
d1,cond
为二极管d1的通态损耗、p
t2,cond
为igbt2的通态损耗、p
d2,cond
为二极管d2的通态损耗。
[0033]
优选地，s2中，将igbt和二极管各开关周期的桥臂电流代入其基于开关周期的平均开关损耗计算式，得到换流阀的开关损耗：
[0034][0035]
式中，a
on,2
、a
on,1
、a
on,0
为igbt开通能量e
on
的多项式拟合系数；a
off,2
、a
off,1
、a
off,0
为igbt关断能量e
off
的多项式拟合系数；a
rec,2
、a
rec,1
、a
rec,0
为二极管反向恢复能量e
rec
的多项式拟合系数；
[0036]
所述开关器件基于开关周期的平均开关损耗计算式为：
[0037][0038]
式中，i(tk)为tk时刻流经开关器件的电流；
[0039]
所述igbt开通能量e
on
、igbt关断能量e
off
及二极管反向恢复能量e
rec
的多项式拟合计算式为：
[0040]edev
＝a2i2 a1|i| a0；
[0041]
式中，e
dev
代表igbt开通能量e
on
、igbt关断能量e
off
或二极管反向恢复能量e
rec
；a0、a1和a2分别为igbt或二极管的能量分多项式拟合系数；i为流经igbt或二极管的电流。
[0042]
优选地，对igbt开通能量e
on
、igbt关断能量e
off
及二极管反向恢复能量e
rec
进行多项式拟合前，还根据结温反馈及电压调节系数对e
dev
进行以下修正：
[0043][0044]
式中，e
dev,125
为由开关能量拟合参数和计算得到的开关器件在125℃情况下的开关能量、e
dev,150
为由开关能量拟合参数和计算得到的开关器件在150℃情况下的开关能量、t为反馈的结温；kv为电压调节系数，u
ce,ref
为参考截止电压；u
sm
为子模块电压值。
[0045]
优选地，s3中，将换流阀的通态损耗及开关损耗相加后，换流阀损耗为：
[0046][0047]
式中，系数b2、b1和b0分别为：
[0048][0049]
优选地，s3中，还将换流阀损耗的计算式通过数学变换简化为：
[0050][0051]
式中，c2i
i,j,rms
为桥臂电流有效值；i
i,j,absave
为器件电流平均值；
[0052]
系数c2、c1和c0分别为：
[0053][0054]
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0055]
1、本发明提出的一种光储直柔用mmc变流器的换流阀损耗确定方法，能够实现mmc变流器在cps-pwm策略下的阀损耗简化计算。本发明基于子模块拓扑光储直柔用mmc变流器的损耗分布特性，提出了一种换流阀损耗简化计算方法；等效子模块中igbt和二极管的通态拟合参数，解决了现有方法无法在考虑二倍频环流分量时简便、快速且准确地计算cps-pwm调制下通态损耗的问题。实验证明，未投入和投入环流抑制时，本发明均能在不同运行工况下简便、快速且准确地计算mmc阀损耗。
[0056]
综上，本发明能够在cps-pwm调制下，对mmc变流器的换流阀损耗进行简便、快速且准确的评估。
[0057]
2、考虑到包含二倍频环流分量的mmc变流器桥臂电流过零点解析式的复杂性，将mmc变流器子模块中igbt和二极管的通态拟合参数等效，本发明的通态损耗不再需要考虑包含二倍频环流分量的mmc变流器桥臂电流过零点解析式，只需要按照一个开关器件持续导通来计算，而开关器件的通态拟合参数等效产生的相对计算误差很小，因此，本发明能够十分简单且较为准确地计算mmc变流器的换流阀的通态损耗，之后，结合本发明中的开关损耗的计算方法，便能够得到换流阀的总体损耗。
附图说明
[0058]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0059]
图1为实施例的流程图；
[0060]
图2为光储直柔用mmc变流器的电路拓扑示意图；
[0061]
图3为实施例中的子模块损耗分布示意图。
具体实施方式
[0062]
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
[0063]
实施例：
[0064]
如图1所示，本实施例中公开了一种光储直柔用mmc变流器的换流阀损耗确定方法。为便于理解光储直柔用mmc变流器，对其结构进行简单说明，如图2所示，mmc变流器的换流阀包括多个桥臂，每个桥臂包括多个子模块sm，每个子模块sm均包括开关器件，所述开关器件包括二极管d与igbt；其中，igbt包括igbt1和igbt2，二极管d包括二极管d1和二极管d2；具体实施时，子模块的类型为hbsm。
[0065]
本方法包括以下步骤：
[0066]
s1、计算mmc变流器的换流阀的通态损耗。
[0067]
具体的，s1包括：
[0068]
s11、计算子模块中开关器件间基于基频周期的平均通态损耗；具体实施时，如图3所示，s11中，开关器件基于基频周期的平均通态损耗计算式为：
[0069][0070][0071][0072]
式中，p
t1,cond
(i
t1
)为igbt1基于基频周期的平均通态损耗、p
d1,cond
(i
d1
)为二极管d1基于基频周期的平均通态损耗、p
t2,cond
(i
t2
)为igbt2基于基频周期的平均通态损耗、p
d2,cond
(i
d2
)为二极管d2基于基频周期的平均通态损耗、p
t,cond
为igbt瞬态功率通态损耗、p
d,cond
为二极管d瞬态功率通态损耗；τ为积分变量、i
t1
(τ)为τ时刻流经igbt1的电流、i
d1
(τ)为τ时刻流经二极管d1的电流、i
t2
(τ)为τ时刻流经igbt2的电流、i
d2
(τ)为τ时刻流经二极管d2的电流；
[0073]
t0为基频周期，t0＝1/f0；f0为调制波频率；fc为载波频率；t
k,on
、t
k,off
为各开关周期子模块投切的时刻；tk为各开关周期的初始时刻。
[0074]
s12、计算开关器件基于开关周期的平均通态损耗；具体实施时，开关器件基于开
关周期的平均通态损耗的计算式如下：
[0075][0076]
式中，p
cond
(i)为开关器件基于开关周期的平均通态损耗、i(tk)为tk时刻流经开关器件的电流、δ(tk)为tk时刻开关器件的占空比。
[0077]
其中，igbt和二极管各开关周期的占空比为：
[0078][0079]
式中，δ
t1
(tk)为tk时刻igbt1各开关周期的占空比、δ
d1
(tk)为tk时刻二极管d1各开关周期的占空比、δ
t2
(tk)为tk时刻igbt2各开关周期的占空比、δ
d2
(tk)为tk时刻二极管d2各开关周期的占空比、m为调制比、ω为基频角频率。
[0080]
s13、将igbt和二极管的通态拟合参数等效，并分别取较大值作为计算参数后，通过计算参数计算换流阀的通态损耗。
[0081]
具体实施时，所述将igbt和二极管的通态拟合参数等效，并均取较大值作为计算参数包括：对igbt和二极管进行拟合，假设子模块中igbt的通态压降u
ce0
和二极管的通态压降u
f0
相等，且igbt的通态电阻r
ce
与二极管的通态电阻rf相等后，取拟合结果中u
ce0
和u
f0
中的较大值作为计算参数中的通态电阻r，并取u
ce0
和u
f0
中的较大值作为计算参数中的通态压降u0。
[0082]
通过以下计算式计算换流阀的通态损耗：
[0083][0084]
式中，p
mmc,cond
为换流阀的通态损耗、r为计算参数中的通态电阻、u0为计算参数中的通态压降，i
i,j
为mmc变流器的桥臂电流、n为换流阀各桥臂的子模块个数、p
t1,cond
为igbt1的通态损耗、p
d1,cond
为二极管d1的通态损耗、p
t2,cond
为igbt2的通态损耗、p
d2,cond
为二极管d2的通态损耗。需要说明的是，开关器件的通态损耗只需按照一个开关器件持续导通的通态损耗来计算即可。
[0085]
s2、计算mmc变流器的换流阀的开关损耗。
[0086]
具体实施时，将igbt和二极管各开关周期的桥臂电流代入其基于开关周期的平均开关损耗计算式，得到换流阀的开关损耗：
[0087][0088]
式中，a
on,2
、a
on,1
、a
on,0
为igbt开通能量e
on
的多项式拟合系数；a
off,2
、a
off,1
、a
off,0
为igbt关断能量e
off
的多项式拟合系数；a
rec
,2、a
rec,1
、a
rec,0
为二极管反向恢复能量e
rec
的多项式拟合系数。
[0089]
与通态损耗计算同理，开关器件的开关损耗只需按照一个开关器件开关动作一次的平均开关损耗来计算即可。
[0090]
所述开关器件基于开关周期的平均开关损耗计算式为：
[0091][0092]
式中，i(tk)为tk时刻流经开关器件的电流；
[0093]
所述igbt开通能量e
on
、igbt关断能量e
off
及二极管反向恢复能量e
rec
的多项式拟合计算式为：
[0094]edev
＝a2i2 a1|i| a0；
[0095]
式中，e
dev
代表igbt开通能量e
on
、igbt关断能量e
off
或二极管反向恢复能量e
rec
；a0、a1和a2分别为igbt或二极管的能量分多项式拟合系数；i为流经igbt或二极管的电流。在实际进行拟合时，本领域技术人员可通过查阅厂商数据手册获得拟合所需参数，在此不再赘述。
[0096]
其中，对igbt开通能量e
on
、igbt关断能量e
off
及二极管反向恢复能量e
rec
进行多项式拟合前，还根据结温反馈及电压调节系数对e
dev
进行以下修正：
[0097][0098]
式中，e
dev,125
为由开关能量拟合参数和计算得到的开关器件在125℃情况下的开关能量、e
dev,150
为由开关能量拟合参数和计算得到的开关器件在150℃情况下的开关能量、t为反馈的结温；kv为电压调节系数，u
ce,ref
为参考截止电压；u
sm
为子模块电压值。
[0099]
s3、将通态损耗及开关损耗相加，得到mmc变流器的换流阀损耗。
[0100]
具体地，将换流阀的通态损耗及开关损耗相加后，换流阀损耗为：
[0101][0102]
式中，系数b2、b1和b0分别为：
[0103][0104]
具体实施时，可将上述换流阀损耗的计算式通过数学变换简化为：
[0105][0106]
式中，c2i
i,j,rms
为桥臂电流有效值；i
i,j,absave
为器件电流平均值；
[0107]
系数c2、c1和c0分别为：
[0108][0109]
本发明提出的一种光储直柔用mmc变流器的换流阀损耗确定方法，能够实现mmc变流器在cps-pwm策略下的阀损耗简化计算。本发明基于子模块拓扑光储直柔用mmc变流器的损耗分布特性，提出了一种换流阀损耗简化计算方法；等效子模块中igbt和二极管的通态拟合参数，解决了现有方法无法在考虑二倍频环流分量时简便、快速且准确地计算cps-pwm
调制下通态损耗的问题。考虑到包含二倍频环流分量的mmc变流器桥臂电流过零点解析式的复杂性，将mmc变流器子模块中igbt和二极管的通态拟合参数等效，本发明的通态损耗不再需要考虑包含二倍频环流分量的mmc变流器桥臂电流过零点解析式，只需要按照一个开关器件持续导通来计算，而开关器件的通态拟合参数等效产生的相对计算误差很小，因此，本发明能够十分简单且较为准确地计算mmc变流器的换流阀的通态损耗，之后，结合本发明中的开关损耗的计算方法，便能够得到换流阀的总体损耗。实验证明，未投入和投入环流抑制时，本发明均能在不同运行工况下简便、快速且准确地计算mmc阀损耗。
[0110]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。