模块化多电平变流器损耗估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种损耗计算方法，具体地，涉及一种模块化多电平变流器损耗估算 方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，MMC)采用模块化设计子 模块的级联结构形式，具有灵活的可扩展特性，同时相对于传统的两电平电压源型变流器 它具有输出特性好、谐波含量低、无需交流滤波器、更适于电压等级高的场合等优点，从而 被越来越多地应用于VSC-HVDC系统中。由于MMC含有的半导体器件数量多，运行时需要根 据其损耗和温升等特性进行合理选型，但是检索现有文献，并无针对MMC拓扑结构变流器 的损耗估算方法。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是提供一种模块化多电平变流器损耗估算方法，通过对半导体器件特 性曲线的高精度拟合建模，采用实时查表计算的方式，对器件的运行损耗、导通损耗以及关 断损耗进行准确估算。
[0004] 为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
[0005] 一种模块化多电平变流器损耗估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] 步骤1 :根据模块化多电平变流器选定的半导体器件类型，确定电流系数k ;
[0007] 步骤2 :根据步骤1中选定的半导体器件类型，对半导体器件的晶体管通态特性曲 线VeE-I。进行插值拟合，其中VeE为集电极与发射极间电压，I。为集电极电流，采用的插值多 项式g(j)形式为：
[0008] g(j) = a+b ? jc
[0009] 其中，a、b、c为常数系数，j为自变量；
[0010] 步骤3 :重复步骤2,对半导体器件的二极管伏安特性曲线Vf-Ifusb体管开关特性 曲线Em-I。和E二极管反向恢复特性曲线Era-IF进行插值拟合，得到各个曲线对应的 特性常数a、b、c;其中VF为正向电压，IF为正向电流，E"和E分别为开通能量和关断能 量，EM。为反向关断能量；
[0011] 步骤4 :初始化半导体器件的晶体管运行损耗E_T、二极管运行损耗EMnD、晶体管 开通损耗EmT、晶体管关断损耗及二极管反向恢复损耗E_为零；
[0012] 步骤5 :使模块化多电平变流器保持稳态运行，检测流入每个桥臂的子模块的电 流、，子模块电容电压V。以及子模块对应的触发信号Si、S2，其中，下标中1表示上管对应的 半导体器件参数标号，下标2表示下管对应的器件参数标号；优选地，此处子模块为两个串 联半导体器件并联一个电容的模块化组合，半导体器件采用带有反并联二极管的晶体管；
[0013]步骤6:判断触发信号：
[0014] 1，S2=0,表明子模块两个半导体器件中的上管导通，下管关断，此时判断 电流is方向：
[0015] 若is^ 0,则电流流经上管的二极管部分，此时计算上管二极管的累计运行损耗：
[0016] IF1=is
[0017]
[0018] 其中，VF1 (iF1/k)为步骤3得到的插值函数计算所得，下述相应计算均为代入插值 函数计算所得，Ts为采样时间，I F1为上管二极管的正向电流，Eranm为本次计算后的累计运 行损耗，E'。。_为本次计算前的累计运行损耗，V F1为上管二极管的正向电压；
[0019] 若is< 0,则电流流经上管的晶体管部分，此时计算上管晶体管的累计运行损耗：
[0020] ICi= I i s
[0021]
[0022] 其中，:^为上管晶体管的集电极电流，E _T1为本次计算后上管晶体管的累计运行 损耗，E' emT1为本次计算前上管晶体管的累计运行损耗；
[0023] 0，S2= 1，表明子模块两个功率器件中的下管导通，上管关断，此时判断电 流is方向：
[0024] 若is> 0,则电流流经下管的晶体管部分，此时计算下管晶体管的累计运行损耗：
[0025] IC2= | i s
[0026]
[0027]兵甲，卜官晶怀官果电攸电沭，E _T2为本次计算后下管晶体管的累计运行损 耗，E'。。#2为本次计算前下管晶体管的累计运行损耗；
[0028] 若is< 0,则电流流经下管的二极管部分，此时计算下管二极管的累计运行损耗：
[0029] IF2= | i s
[0030]
[0031] 其中，IF2为下管二极管正向电流，EMnD2为本次计算后下管二极管的累计运行损 耗，E' 为本次计算前下管二极管的累计运行损耗；
[0032] 若上一次采样时Si= 1，S 2= 0,本次采样时S 0, S 2= 1，此时判断上一次采样 时电流is方向：
[0033] 若上一次采样时is^ 0,则计算上管二极管的累计反向恢复损耗E_D1和下管晶体 管的累计开通损耗EmT2:
[0034] IF1= I i sl，IC2= I i s
[0035]
[0036]
[0037]其中V。。为参考关断电压，V。为子模块电容电压，E_D1为本次计算后上管二极管的 累计反向恢复损耗，E' _D1为本次计算前上管二极管的累计反向恢复损耗，E mT2为本次计 算后下管晶体管的累计开通损耗，E'。。12为本次计算前下管晶体管的累计开通损耗；
[0038] 若上一次采样时is< 0,则计算上管晶体管的累计关断损耗
[0039] 丁 = h
[0040]
[0041] 其中，EfnS本次计算后上管晶体管的累计关断损耗，E' 为本次计算前上管 晶体管的累计关断损耗；
[0042] 若上一次采样时Si= 0,S2= 1，本次采样时S1，S2= 0,此时判断上一次采样 时电流is方向：
[0043] 若上一次采样时is^ 0,则计算下管晶体管的累计关断损耗E。"12:
[0044] IC2=Ii s
[0045]
[0046] 其中，￡_为本次计算后下管晶体管的累计关断损耗，E' _为本次计算前下管 晶体管的累计关断损耗；
[0047] 若上一次采样时is< 0,则计算上管晶体管的累计开通损耗E mT1和下管二极管的 累计反向恢复损耗：
[0048] 1"= I i J，IF^= I i J
[0049]
[0050]
[0051] 其中，Erad)2为本次计算后下管二极管的累计反向恢复损耗，E' 为本次计算前 下管二极管的累计反向恢复损耗，EmT1为本次计算后上管晶体管的累计开通损耗，E' mT1为 本次计算前上管晶体管的累计开通损耗；
[0052] 步骤7 :每隔采样时间Ts，重复步骤5至步骤6,直至总采样时间达到Tt(rtal，所述 Ttotal为多次计算所需采样时间间隔T3的总和；
[0053] 步骤8 :分别计算上下管的晶体管运行损耗功率P_T、开通损耗功率关断损 耗功率以及上下管的二极管运行损耗功率P和反向恢复损耗功率P_D:
[0057] 其中，P_T1为上管晶体管的运行损耗功率，P_T2为下管晶体管的运行损耗功率， P_D1为上管二极管的运行损耗功率，P_T2为下管二极管的运行损耗功率，PmTl为上管晶体 管的开通损耗功率，P mT2为下管晶体管的开通损耗功率，为上管晶体管的关断损耗功 率，P()ffT2为下管晶体管的关断损耗功率，p_D1S上管二极管的反向恢复损耗功率，p_ D2S 下管二极管的反向恢复损耗功率。优选的，步骤7中总采样时间Tt()tal为MMC(模块化多电 平变流器）基波周期的整数倍。
[0058] 本发明提供的模块化多电平变流器损耗估算方法，根据所选取半导体器件特性确 定电流系数，对其晶体管通态特性曲线、二极管伏安特性曲线、晶体管开关特性曲线和二极 管反向恢复特性曲线进行插值拟合；在模块化多电平变流器处于稳态运行时，判断子模块 各器件的触发信号和流经子模块的电流方向，计算各个器件相应的晶体管运行损耗功率、 开通损耗功率和关断损耗功率以及二极管运行损耗功率和反向恢复损耗功率。
[0059] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0060] 1、本发明提出一种MMC(模块化多电平变流器）损耗估算方法，采用形如g(j)= a+b ? f的多项式拟合半导体器件的特性曲线，具有计算量小精度高的特点；
[0061] 2、本发明不仅可以较为准确地计算MMC整体损耗情况，还可以对模块化多电平变 流器损耗在器件各个部分的分布情况进行有效评估。
【附图说明】
[0062] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0063] 图1是作为本实施例所应用对象的三相MMC系统结构图；
[0064] 图2是本实施例计算得到的MMC系统A相子模块损耗功率分布柱形图。
[0065] 图中：Vd。为直流母线电压，SM^子模块，其中x为自然数。
【具体实施方式】
[0066] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。
[0067] 实施例
[0068] 本实施例提出一种模块化多电平变流器损耗估算方法，其包括以下步骤：根据所 选取半导体器件特性确定电流系数，对其晶体管通态特性曲线、二极管伏安特性曲线、晶体 管开关特性曲线和二极管反向恢复特性曲线进行插值拟合；在模块化多电平变流器处于稳 态运行时，判断子模块各器件的触发信号和流经子模块的电流方向，计算各个器件相应的 晶体管运行损耗功率、开通损耗功率和关断损耗功率以及二极管运行损耗功率和反向恢复 损耗功率。
[0069] 具体地，本实施例采用模块化多电平变流器损耗估算方法包括如下步骤：
[0070] 步骤1 :根据模块化多电平变流器选定的半导体器件类型，确定电流系数k。
[0071] 本实施例中选取的半导体器件可以为ABB公司生产的IGBT模块 5SNA0800N330100,其电流系数为 k = 2。
[0072] 步骤2 :根据步骤1中选定的半导体器件类型，对其晶体管通态特性曲线^-1。进 行插值拟合，其中VeE为集电极与发射极间电压，I。为集电极电流，采用的插值多项式形式 为：
[0073] g(j) = a+b ? jc
[0074] 其中，a，b，c为对应特性曲线的特性常数，拟合后的特性曲线方程即为VeE(I。）= a+b ? (Ic)c〇
[0075] 本实施例中，拟合得到的特性曲线方程为VCE(IC) = 0. 794+0. 0403 ? (Ic)°_4493。
[0076] 步骤3 :重复步骤2过程，对半导体器件的二极管伏安特性曲线VF_IF、晶体管开关 特性曲线Em_I。和E二极管反向恢复特性曲线Era_IF进行插值拟合，得到各个曲线对 应的特性常数a，b，c。其中VF为正向电压，IF为正向电流，E"和E分别为开通能量和关 断能量，EM。为反向关断能量。
[0077] 本实施例中，拟合得到的特性曲线方程为VF(IF) = 0.5031+0. 0359 ? (If)°_589°， E〇n(Ic) = 〇. 1