柔性直流输电系统中mmc换流器损耗的评估方法
【专利摘要】本发明涉及柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，包括以下步骤：1)利用稳态计算程序EXCEL版本搭建真实的MMC换流器模型，在搭建真实的MMC换流器模型过程中调用IGBT厂家提供的真实器件参数；2)采用基于PWM控制的MATLAB计算程序模拟不同控制方式下的器件通/断状态，计算出损耗值；3)通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗。本发明在工程方案论证时，能提供重要的技术经济指标，并且可以对选择不同器件、不同的控制方式下的损耗值给出比较，节省运行费用，对方案优化起到指导作用，因此，对电力行业的节能发展起到了积极的作用。
【专利说明】柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法。属于电力系统输配电【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着电力系统大容量、远距离传输功率的发展，柔性直流输电技术被广泛应用于输配电领域，它是智能电网领域最具代表性的技术，在国内外的工程应用越来越多。与常规直流输电技术相比，该技术具有良好的控制性能，是最新一代的直流输电技术，但换流器的损耗却比常规直流输电要高得多，该技术在国外发展十多年，换流器技术从两电平、三电平技术发展到MMC换流器技术。目前国内外已经有4个采用MMC换流器的柔性直流输电工程，并且该技术将大量地应用于在建或后续的工程中。
[0003]基于MMC的柔性直流输电系统的损耗大小是对输电方案技术经济比较的重要指标，主要包括换流站损耗和直流线路损耗。其中，换流站的损耗又包括MMC换流器、连接变压器、阀电抗器、直流电抗器等设备的损耗。
[0004]目前，对基于MMC的柔性直流输电系统的损耗计算，仅有针对连接变压器、阀电抗器、直流电抗器等设备的损耗计算方法，而对MMC换流器的损耗，还没有在柔性直流输电工程前期对其进行过计算，即还没有在柔性直流输电工程的前期对MMC换流器的损耗做过详细的评估，仅在投产后对损耗进行实测，由于是滞后的损耗测试方法，只能算是一种后评价方法，不能对前期工程方案的技术经济比较提供依据，影响柔性直流输电工程的可行性研究。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，是为了解决现有技术不能在可行性研究阶段对MMC换流器的功耗进行评估，即不能在前期对工程方案的技术经济进行评估的缺陷，提供一种柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案达到:
[0007]柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:首先根据柔性直流输电系统的容量、电压等级以及IGBT器件参数，搭建接近实际工程的MMC换流器模型，然后通过采用不同的控制方式，模拟出每个子模块中开关器件的通/断状态和时间，通过MATLAB计算引擎，计算出整个MMC换流器的损耗。
[0008]本发明的目的还可以通过以下技术方案达到:
[0009]本发明的一种技术改进方案是:
[0010]I)利用稳态计算程序EXCEL版本搭建真实的MMC换流器模型，在搭建真实的MMC换流器模型过程中调用IGBT厂家提供的真实器件参数；
[0011]2)采用基于PWM控制的MATLAB计算程序模拟不同控制方式下的器件通/断状态，计算出损耗值；[0012]3)通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗。
[0013]本发明的一种技术改进方案是:计算柔性直流输电系统中MMC换流器的开关器件的通态损耗和开关损耗，所述通态损耗主要是IGBT和二极管器件处于导通状态时流过的电流与其导通压降的乘积所产生的损耗；所述开关损耗是IGBT器件的开通和关断在非理想过程，在开关过程中电压上升或下降的同时电流下降或上升，两者的乘积产生损耗的能量，以及二极管在关断时由于反向恢复电流而产生能量的损耗。
[0014]本发明的一种技术改进方案是:通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗，是指:
[0015]I)首先程序根据系统输入的参数和开关器件的技术参数对MMC换流器的各种变量进行初始化，然后根据设定的运行工况计算出换流器的稳态运行电压电流；
[0016]2)在MATLAB程序中真实模拟脉冲调制的过程，将一个工频周期分为2000个点，逐点循环计算。在每个计算点，对每相上桥臂N个变流单元和下桥臂N个变流单元也是逐个循环计算，根据脉冲调制方法在程序中生成各变流单元的触发脉冲，对于变流单元n，当Sn发生变化时，根据说明书所述表2得到所对应的能量损耗，并将此能量损耗进行累加；
[0017]3)在每个计算点tm，各开关器件的正向电压和电流依据步骤I)分的方法进行计算，当整个波形的数据都计算结束后，直接将各器件的电压和电流相乘，并得到一个工频周期内的通态损耗能量之和；
[0018]4)最后将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为I秒时间的损耗能量，就可以得到换流器的总体损耗，以及换流器效率等参数。
[0019]本发明的一种技术改进方案是:计算MMC换流器的通态损耗包括如下步骤:
[0020]I)计算子模块上IGBT管Tl的导通电流iT1，根据电流iT1计算导通压降vT1 ；
[0021]2)计算子模块下IGBT管T2的导通电流iT2，根据电流iT2计算导通压降vT2 ；
[0022]3)计算子模块上反向二极管Dl的导通电流iD1，根据电流iD1计算导通压降vD1 ；
[0023]4)计算子模块下反向二极管D2的导通电流iD2，根据电流iD2计算导通压降vD2 ；
[0024]5)计算子模块的通态损耗P_d，其计算公式为:
【权利要求】
1.柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:首先根据柔性直流输电系统的容量、电压等级以及IGBT器件参数，搭建接近实际工程的MMC换流器模型，然后通过改变控制方式，模拟出每个子模块中开关器件的通/断状态和时间，通过MATLAB计算引擎，计算出整个MMC换流器的损耗。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于: 1)利用稳态计算程序EXCEL版本搭建真实的MMC换流器模型，在搭建真实的MMC换流器模型过程中调用IGBT厂家提供的真实器件参数； 2)采用基于PWM控制的MATLAB计算程序模拟不同控制方式下的器件通/断状态，计算出损耗值； 3)通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:计算柔性直流输电系统中MMC换流器的开关器件的通态损耗和开关损耗，所述通态损耗主要是IGBT和二极管器件处于导通状态时流过的电流与其导通压降的乘积所产生的损耗；所述开关损耗是IGBT器件的开通和关断在非理想过程，在开关过程中电压上升或下降的同时电流下降或上升，两者的乘积产生损耗的能量，以及二极管在关断时由于反向恢复电流而产生能量的损耗。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:通过MATLAB程序，真实的模拟不同PWM控制方式下每个周期内开关器件的导通或关断状态，计算出所有开关器件的损耗，得出MMC换流器的损耗，是指: 1)首先程序根据系统输入的参数和开关器件的技术参数对MMC换流器的各种变量进行初始化，然后根据设定的运行工况计算出换流器的稳态运行电压电流； 2)在MATLAB程序中真实模拟脉冲调制的过程，将一个工频周期分为2000个点，逐点循环计算，在每个计算点，对每相上桥臂N个变流单元和下桥臂N个变流单元也是逐个循环计算，根据脉冲调制方法在程序中生成各变流单元的触发脉冲，对于变流单元n，当Sn发生变化时，根据说明书所述表2得到所对应的能量损耗，并将此能量损耗进行累加； 3)在每个计算点tm，各开关器件的正向电压和电流依据步骤I)分的方法进行计算，当整个波形的数据都计算结束后，直接将各器件的电压和电流相乘，并得到一个工频周期内的通态损耗能量之和； 4)最后将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为I秒时间的损耗能量，就可以得到换流器的总体损耗，以及换流器效率等参数。
5.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:计算MMC换流器的通态损耗包括如下步骤: 1)计算子模块上IGBT管Tl的导通电流iT1，根据电流iT1计算导通压降vT1； 2)计算子模块下IGBT管T2的导通电流iT2，根据电流iT2计算导通压降vT2； 3)计算子模块上反向二极管Dl的导通电流iD1，根据电流iD1计算导通压降vD1； 4)计算子模块下反向二极管D2的导通电流iD2，根据电流iD2计算导通压降vD2； 5)计算子模块的通态损耗P_d，其计算公式为:
6.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:计算MMC换流器的开关损耗包括如下步骤: 1)当子模块上反向二极管Dl开通时，同时下IGBT管Τ2关断，计算下IGBT管Τ2的关断损耗； 2)当子模块上IGBT管Tl开通时，同时下反向二极管D2关断，计算下反向二极管D2的关断损耗Ed2 和IGBT管Tl的开通损耗En ? ； 3)当子模块上反向二极管Dl关断时，同时下IGBT管T2开通，计算上反向二极管Dl的关断损耗Edi 和IGBT管T2的开通损耗Et2 ? ； 4)当子模块上IGBT管Tl关断时，同时下反向二极管D2开通，计算上IGBT管Tl的关断损耗ET1—； 5)每当发生一次开关动作，将其对应的能量进行叠加，得到子模块的开关损耗，将所有子模块的开关损耗相加，即计算得到整个MMC换流器的开关损耗。
7.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:计算MMC换流器的总损耗以及效率参数，将所有子模块的通态损耗和开关损耗相加，并折算为I秒时间的损耗能量，即计算得到MMC换流器的总体损耗以及效率参数。
8.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:所述子模块上IGBT管Tl的导通电流iT1、下IGBT管T2的导通电流iT2、上反向二极管Dl的导通电流iD1以及下反向二极管D2的导通电流iD2的计算公式分别为:
iT1 = ABS(SGN(-1sl) Xisl)
iT2 = ABS (SGN(is2) Xis2)
iD1 = ABS (SGN(isl) Xisl)
iD2 = ABS(SGNHs2) Xis2) 其中，isl为流过上管的电流，is2为流过下管的电流，而isl = S1X ibrg, is2 =(1-S1) X ibrg, S1为上管开关状态，S2为下管开关状态，ibrg为桥臂电流，SGN(X)为符号函数，当x>0时为1，否则为O。ABS(x)为绝对值函数。
9.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:所述子模块上IGBT管Tl的导通压降vT1、下IGBT管T2的导通压降vT2、上反向二极管Dl的导通压降vD1以及下反向二极管D2的导通压降vD2的计算公式分别为:
vTi 一 Vto+Rce X iT1
ντ2 一 Vto+Rce X iT2
Vdi = VF0+RDXiD1
VD2 一 Vfo+Rd X 1d2 其中，Vto为IGBT管的阀值电压，Rra为IGBT管的斜率电阻，Vfci为反向二极管的阀值电压，Rd为反向二极管的斜率电阻。
10.根据权利要求6所述的柔性直流输电系统中MMC换流器损耗的评估方法，其特征在于:所述上IGBT管Tl的开通损耗En m和关闭损耗En、下IGBT管T2开通损耗Et2 m和关闭损耗Et2、上反向二极管Dl的关断损耗Elll ra以及下反向二极管D2的关断损耗Ed2rec的计算公式分别为:
【文档编号】G06F19/00GK103995981SQ201410250213
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】周敏, 张劲松, 陈冰, 刘宇思, 施春华, 伍广俭, 朱海华, 谭茂强, 孔志达, 简翔浩 申请人:中国能源建设集团广东省电力设计研究院