本发明属于高压大功率电力电子技术领域，特别涉及一种基于温度的MMC换流阀均压控制方法。
背景技术：
工业界对易损坏电力电子部件的问卷调查表明，功率半导体器件故障占到整个电力电子系统的34％，功率器件的寿命对于温度波动十分敏感，波动幅度每增加10℃，寿命降低约70％，因此，提高功率半导体器件的可靠性是提高系统可靠性的关键。随着可再生能源发电技术的发展和电力电子技术的发展与应用，系统供电可靠性成为国内外学者研究的重点，其中功率半导体器件的可靠性研究成为重中之重。风电发电系统中变流器的功率半导体器件的失效率最高，主要是因为IGBT器件各层材料的膨胀系数不同，承受的热应力不同，长时间的积累造成器件的热疲劳失效。导致器件热疲劳的根本原因是器件温度的幅值和温度的波动，尤其是温度幅值的影响尤为明显。
因此，有必要研究一种能够提高风电发电系统中变流器的功率半导体器件可靠性，从而提高风电发电系统可靠性的控制方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于温度的MMC换流阀均压控制方法，该策略延长了器件的使用寿命，提高了MMC换流阀的可靠性，使柔性直流输电系统的运行更加经济、高效。
本发明所提供的技术方案为：
一种基于温度的MMC换流阀均压控制方法，该MMC换流阀由六个桥臂构成，每个桥臂包括N个结构相同的子模块和一个桥臂电感，每个子模块是一个半桥结构，包括两个IGBT模块和一个储能电容；
均压控制方法中，六个桥臂的控制方法相同，对每个桥臂，分别采用如下步骤进行均压控制：
步骤1：求出该桥臂中每个子模块中两个IGBT模块在前一控制周期的结温，取两个结温中的较大值作为相应子模块在前一控制周期的温度；用Tj表示前一控制周期第j个子模块的温度，j＝1,2,…,N；
步骤2：将前一控制周期各子模块温度T1～TN分别与参考温度T0比较，将温度大于T0的子模块记为SM1～SMm，m为温度大于T0的子模块个数；T0为经验参数；
设SM1～SMm中，在前一控制周期为切除状态的子模块个数为m1个，剩下的为投入状态的子模块；在当前时刻改变这m个子模块的投切状态，即前一控制周期为切除状态的子模块在当前时刻变为投入状态，前一控制周期为投入状态的子模块在当前时刻变为切除状态；用n1和n2分别表示前一控制周期和当前时刻该桥臂需要投入的子模块个数，则还需额外投入的子模块个数为Δn＝n2-n1+m-2·m1；
步骤3：该桥臂中除SM1～SMm以外的子模块记为SMm+1～SMN；引入子模块评价指标Mj，计算子模块SMm+1～SMN对应的Mj值：
Mj＝Uj+λ·Tj
其中，Mj表示子模块SMj对应的评价指标值，Uj表示前一控制周期子模块SMj的电压，j＝m+1,2,…,N，Uj通过测量得到；λ为子模块温度的权重系数，为经验参数；
步骤4：结合前一控制周期该桥臂电流和子模块对应的Mj值，选择当前时刻需要投入或切除的Δn个子模块：
情况1：前一控制周期该桥臂电流为正时，按照均压平衡原理选择投切的子模块：
①若Δn≥0，投入子模块的Mj值越小越好，因此将SMm+1～SMN中前一控制周期为切除状态的子模块按其Mj值大小进行排序，并投入其中Mj值最小的Δn个子模块，其余N-m-Δn个子模块投切状态相对于前一控制周期保持不变；
②若Δn<0，需要减少投入的子模块个数，将SMm+1～SMN中前一控制周期为投入状态的子模块按Mj值大小进行排序，并切除其中Mj值最大的|Δn|个子模块，其余N-m-|Δn|个子模块投切状态相对于前一控制周期保持不变；
情况2：前一控制周期该桥臂电流为负时，按照均压平衡控制原理选择投切的子模块：
①若Δn≥0，投入子模块的Mj值越大越好，因此将SMm+1～SMN中前一控制周期为切除状态的子模块按Mj值大小进行排序，并投入其中Mj值最大的Δn个子模块，其余N-m-Δn个子模块投切状态相对于前一控制周期保持不变；
②若Δn<0，需要减少投入的子模块，将SMm+1～SMN中前一控制周期为投入状态的子模块按Mj值大小进行排序，并切除其中Mj值最小的|Δn|个子模块，其余N-m-|Δn|个子模块投切状态相对于前一控制周期保持不变。
进一步地，所述步骤1中，首先根据器件生产厂商提供的器件手册建立IGBT模块的福斯特热网络模型，然后采用福斯特热网络模型预测IGBT模块的结温。参考文献《风电变流器中功率半导体器件可靠性评估及其改善措施的研究》第二章(http://www.doc88.com/p-9953171100098.html)。
进一步地，所述步骤2中，由前一控制周期该桥臂电压与子模块额定电压的商向上取整得到n1；由当前时刻该桥臂电压与子模块额定电压的商向上取整得到n2，其中前一控制周期和当前时刻的桥臂电压均由实测得到。
进一步地，T0和λ设置为仿真实验所得的子模块的功率失效循环周期数与T0、λ的关系图中，子模块的功率失效循环周期数最大值对应的T0和λ值。
进一步地，所述T0＝85℃，λ＝1。
有益效果：
本发明通过对传统均压控制方法进行优化，首先计算出上一控制周期内所有子模块的温度和电压，然后在均压过程中考虑温度的影响，控制IGBT模块的温度的升高，提高了器件的使用寿命，从而增强了MMC换流阀的可靠性，从整体上提高了MMC换流阀的工作性能。具有以下优点：
1)能降低IGBT模型运行最高温度，提高IGBT模块使用寿命；
2)能降低MMC换流阀故障率，提高系统供电效率；
3)能延长设备的使用寿命，提高系统供电可靠性。
附图说明
图1为MMC换流阀的主电路拓扑结构图。
图2为IGBT模块结温模型。
图3为改进的均压控制流程图。
图4为权重系数λ与子模块温度的关系图。
图5为参考温度T0与子模块温度的关系图。
图6为子模块的功率失效循环周期数与T0、λ的关系图。
图7为子模块均压效果图；图7(a)和7(b)分别为传统均压控制方法和本发明方法下A相上桥臂子模块电压变化图。
图8为A相上桥臂子模块温度变化图；图8(a)和8(b)分别为传统均压控制方法和本发明方法下A相上桥臂子模块温度变化图；
图9为交流侧输出电压图
具体实施方式
图1是MMC换流阀的主电路拓扑结构图。该MMC换流阀由六个桥臂构成，每个桥臂由N个结构相同的子模块组成，每个子模块是一个半桥结构，由两个IGBT模块和一个储能电容组成。图2是IGBT模块结温模型。参考文献《风电变流器中功率半导体器件可靠性评估及其改善措施的研究》第二章的内容，根据器件生产厂商提供的器件手册建立IGBT模块的福斯特热网络模型，分别求出子模块中2个IGBT模块的结温，取较高的温度值为子模块的温度T。
图3是改进的均压控制流程图。对每个桥臂，采用如下步骤进行均压控制：
步骤1：求出该桥臂中每个子模块中两个IGBT模块在前一控制周期的结温，取两个结温中的较大值作为相应子模块在前一控制周期的温度；用Tj表示前一控制周期第j个子模块的温度，j＝1,2,…,N；
步骤2：将前一控制周期各子模块温度T1～TN分别与参考温度T0比较，将温度大于T0的子模块记为SM1～SMm，m为温度大于T0的子模块个数；T0的取值由仿真实验所得的子模块的功率失效循环周期数与T0、λ的关系图获得；
设SM1～SMm中，在前一控制周期为切除状态的子模块个数为m1个，剩下的为投入状态的子模块；在当前时刻改变这m个子模块的投切状态，即前一控制周期为切除状态的子模块在当前时刻变为投入状态，前一控制周期为投入状态的子模块在当前时刻变为切除状态；用n1和n2分别表示前一控制周期和当前时刻该桥臂需要投入的子模块个数，则还需额外投入的子模块个数为Δn＝n2-n1+m-2·m1；n1由前一控制周期该桥臂电压与子模块额定电压的商向上取整得到；n2由当前时刻该桥臂电压与子模块额定电压的商向上取整得到，其中前一控制周期和当前时刻的桥臂电压均由实测得到；
步骤3：该桥臂中除SM1～SMm以外的子模块记为SMm+1～SMN；引入子模块评价指标Mj，计算子模块SMm+1～SMN对应的Mj值：
Mj＝Uj+λ·Tj
其中，Mj表示子模块SMj对应的评价指标值，Uj表示前一控制周期子模块SMj的电压，j＝m+1,2,…,N，Uj通过测量得到；λ为子模块温度的权重系数，λ的取值由仿真实验所得的子模块的功率失效循环周期数与T0、λ的关系图获得；
步骤4：结合前一控制周期该桥臂电流和子模块对应的Mj值，选择当前时刻需要投入或切除的Δn个子模块：
情况1：前一控制周期该桥臂电流为正时，按照均压平衡原理选择投切的子模块：
①若Δn≥0，投入子模块的Mj值越小越好，因此将SMm+1～SMN中前一控制周期为切除状态的子模块按其Mj值大小进行排序，并投入其中Mj值最小的Δn个子模块，其余N-m-Δn个子模块投切状态相对于前一控制周期保持不变；
②若Δn<0，需要减少投入的子模块个数，将SMm+1～SMN中前一控制周期为投入状态的子模块按Mj值大小进行排序，并切除其中Mj值最大的|Δn|个子模块，其余N-m-|Δn|个子模块投切状态相对于前一控制周期保持不变；
情况2：前一控制周期该桥臂电流为负时，按照均压平衡控制原理选择投切的子模块：
①若Δn≥0，投入子模块的Mj值越大越好，因此将SMm+1～SMN中前一控制周期为切除状态的子模块按Mj值大小进行排序，并投入其中Mj值最大的Δn个子模块，其余N-m-Δn个子模块投切状态相对于前一控制周期保持不变；
②若Δn<0，需要减少投入的子模块，将SMm+1～SMN中前一控制周期为投入状态的子模块按Mj值大小进行排序，并切除其中Mj值最小的|Δn|个子模块，其余N-m-|Δn|个子模块投切状态相对于前一控制周期保持不变。
设置子模块个数N为9，MMC换流阀直流侧额定电压Udc为±9kV，桥臂电感为2mL，子模块额定电容电压U0为2kV，子模块电容C为20mF，IGBT模块采用Infineon-FZ1200R45HL3，环境温度Ta为50℃，进行仿真实验。以A相上桥臂为例，得到仿真结果如下：
图4是仿真实验得到的权重系数λ与子模块温度的关系图。当权重系数λ逐渐增大时，子模块的温度波动与温度最大值也随之减小，直到λ减小为1.1时，子模块的温度波动和温度最大值趋于饱和。
图5是仿真实验得到的参考温度T0与子模块温度的关系图，当T0<60℃时，温度波动很小，导致开关频率很大，随之产生的大量开关损耗导致温度幅值大幅度上升；当T0>60℃时，温度波动和最大温度均随着T0的增大而减小，在T0约为80℃时，两者均趋于饱和。
图6是仿真实验得到的子模块的功率失效循环周期数与T0、λ的关系图。分析可知，T0＝85℃，λ＝1时，子模块的功率失效循环周期数最高，即可靠性最高。因此，MMC换流阀仿真中取T0＝85℃，λ＝1进行分析。
图7是仿真实验得到的子模块均压效果图。分析可知，本发明比传统均压控制方法的均压效果稍差。
图8是仿真实验得到的A相上桥臂子模块温度变化图。从图中可以看出传统均压控制下的子模块温度达到135℃，而采用本发明的均压控制方法时，子模块的温度明显得到很好的控制，最高幅值为62℃；说明本发明虽然比传统均压控制方法的均压效果稍差，但是可大大提高了IGBT模块的使用寿命，同时提高换流阀可靠性。
图9是仿真实验得到的交流侧输出电压图。本实施例中MMC换流阀采用10电平最近电平逼近方法进行分析，输出电压的谐波畸变率(THD)为7.94％。实际工程中往往需要成百上千个子模块，例如，直流侧电压为±800kV，子模块额定电压为3kV，此时每相上(下)桥臂需要534个子模块，即输出电压为535电平，通过采用本发明方法，输出电压的THD会远低于7.94％，满足国家规定的电能质量标准。