复合模块化直流变换器拓扑的开关器件运行损耗计算方法

本发明涉及直流变换器领域，特别是涉及一种复合模块化直流变换器拓扑的开关器件运行损耗计算方法。

背景技术：

1、远海风电场可以利用丰富的远海土地资源，在目前近海风电资源逐渐开发殆尽的情况下，远海风电逐渐成为了未来海上风电发展的主要方向。远海风电具有风电机组大型化、集群化，汇集容量大、传输距离远等特点，基于这些特点，直流汇集-直流传输的全直流风电场成为远海风电最适合的组网方案。相比交流传输系统，全直流海上风电场采用直流电缆代替交流电缆，其电力变换损耗低、避免了无功充电电流和过电压问题，同时，其采用了高功率密度的电力电子变换器，省去了体积笨重的交流升压变压器，减小了海上换流站的体积和重量。

2、全直流海上风电系统要求将机端整流得到的低压直流电升到高压等级进行远距离传输，整体升压变比较高，故能够承担高升压比的大容量直流送出变压器成为整个系统的关键环节，也是全直流风场装备研发的重中之重。根据此需求，刘其辉，樊双婕，洪诚程，郭小江，汤海雁，申旭辉.采用复合模块化结构的海上风电送出直流变换器提出了一种基于mmc(modular multilevel conventer，模块化多电平变换器)-dab(dual activebridge，双有源桥)的复合模块化直流变换器拓扑，为提高变换器的升压比，提出基于双重移相的s/m调制策略，分析了电流传输特性，并根据调制策略改进了电容电压均衡控制方法，以降低功率器件开关频率。而开关器件损耗是制约变换器效率提升的一个重要因素，该文献没有对复合模块化直流变换器中的单个mmc-dab模块建立完整的开关器件损耗计算模型，造成mmc-dab对于此方面研究的空白。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种复合模块化直流变换器拓扑的开关器件运行损耗计算方法，为复合模块化直流变换器中的单个mmc-dab模块建立了完整的开关器件损耗计算模型，填补开关器件损耗计算的空白。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种复合模块化直流变换器拓扑的开关器件运行损耗计算方法，包括：

4、确定复合模块化直流变换器中单相mmc-dab模块的桥臂平均电流表达式；

5、分析在一个周期内电流流经的单相mmc-dab模块中的功率开关器件数量；

6、根据所述桥臂平均电流表达式和所述功率开关器件数量，确定功率开关器件的导通损耗模型；

7、基于整流侧半桥子模块的工作状态，确定整流侧功率开关器件的开关损耗表达式；

8、基于逆变侧全桥子模块的工作状态，确定逆变侧功率开关器件的开关损耗表达式；

9、结合功率开关器件的导通损耗模型、整流侧功率开关器件的开关损耗表达式和逆变侧功率开关器件的开关损耗表达式，获得单相mmc-dab模块中功率开关器件的运行损耗模型；

10、根据单相mmc-dab模块的额定运行参数和功率开关器件的额定运行参数，利用所述运行损耗模型，计算单相mmc-dab模块中功率开关器件的运行损耗。

11、可选地，所述单相mmc-dab模块的桥臂平均电流表达式包括整流侧的桥臂平均电流表达式和逆变侧的桥臂平均电流表达式；

12、整流侧的桥臂平均电流表达式为：其中，为整流侧的桥臂平均电流，ilk为变压器副边侧交流传输电流，为任一周期内的一个时刻相位值；ihv为变换器高压直流输出电流，p为传输功率，uhv为高压直流端口电压值；

13、逆变侧的桥臂平均电流表达式为：其中，为逆变侧的桥臂平均电流，ilk为变压器原边侧交流传输电流；imv为变换器中压直流输入电流，umv为中压直流端口电压值。

14、可选地，分析在一个周期内电流流经的单相mmc-dab模块中的功率开关器件数量，具体包括：

15、根据整流侧半桥子模块在不同工作状态下电流流经的功率开关器件，确定整流侧在一个周期内电流流经的功率开关器件数量；

16、根据逆变侧全桥子模块在不同工作状态下电流流经的功率开关器件，确定逆变侧在一个周期内电流流经的功率开关器件数量。

17、可选地，根据整流侧半桥子模块在不同工作状态下电流流经的功率开关器件，确定整流侧在一个周期内电流流经的功率开关器件数量，具体包括：

18、确定整流侧半桥子模块的工作状态包括投入状态和旁路状态；

19、当半桥子模块处于投入状态时，电流方向在切换前后，电流分别流经一个igbt或一个二极管；

20、当半桥子模块处于旁路状态时，电流方向在切换前后，电流分别流经一个igbt或一个二极管；

21、基于s/m调制，确定整流侧在一个周期内任意时刻均有2s+2m个半桥子模块投入，和2(m-s)个半桥子模块旁路；其中，所述s/m调制为：在上半个周期内逆变侧和整流侧上、下桥臂分别投入s、m以及s、m个子模块，在下半个周期内上、下桥臂投入的半桥子模块数交换，且s<m；

22、结合整流侧在一个周期内任意时刻均有2s+2m个半桥子模块投入，和2(m-s)个半桥子模块旁路，以及当半桥子模块处于投入状态或旁路状态时，电流方向在切换前后，电流分别流经一个igbt或一个二极管，确定整流侧半桥子模块在一个周期内任意时刻电流流经的igbt数量和二极管数量。

23、可选地，根据逆变侧全桥子模块在不同工作状态下电流流经的功率开关器件，确定逆变侧在一个周期内电流流经的功率开关器件数量，具体包括：

24、确定逆变侧全桥子模块的工作状态分为正投入状态、负投入状态和旁路状态；

25、当全桥子模块处于正投入状态时，电流方向在切换前后，电流分别流经两个igbt或两个二极管；

26、当全桥子模块处于负投入状态时，电流方向在切换前后，电流分别流经两个igbt或两个二极管；

27、当全桥子模块处于旁路状态时，电流方向在切换前后，电流均流经1个igbt和1个二极管；

28、基于s/m调制，确定逆变侧在一个周期内任意时刻均有2m+2s个全桥子模块处于正投入或负投入状态，和2(m-s)个全桥子模块处于旁路状态；

29、结合逆变侧在一个周期内任意时刻均有2m+2s个全桥子模块处于正投入或负投入状态，和2(m-s)个全桥子模块处于旁路状态，当全桥子模块处于正投入状态或负投入状态时，电流方向在切换前后，电流分别流经两个igbt或两个二极管，以及当全桥子模块处于旁路状态时，电流方向在切换前后，电流均流经1个igbt和1个二极管，确定逆变侧全桥子模块在一个周期内任意时刻电流流经的igbt数量和二极管数量。

30、可选地，所述功率开关器件的导通损耗模型包括：整流侧功率开关器件的导通损耗模型和逆变侧功率开关器件的导通损耗模型；

31、所述整流侧功率开关器件的导通损耗模型为：

32、

33、

34、式中，为整流侧igbt的导通损耗，为整流侧二极管的导通损耗，ni和nd分别为整流侧电流流经的igbt和二极管数量，vcesat为igbt的导通压降、vf为二极管的正向导通压降；

35、所述逆变侧功率开关器件的导通损耗模型为：

36、

37、

38、式中，为逆变侧igbt的导通损耗，为逆变侧二极管的导通损耗，ni和nd分别为逆变侧电流流经的igbt和二极管数量。

39、可选地，基于整流侧半桥子模块的工作状态，确定整流侧功率开关器件的开关损耗表达式，具体包括：

40、对整流侧半桥子模块在工作状态切换过程的损耗进行分析，总结获得半桥子模块在一个投切周期内产生的开关损耗包括一个igbt的开通损耗、一个二极管的反向恢复损耗以及一个igbt的关断损耗；

41、根据半桥子模块在一个投切周期内产生的开关损耗，确定整流侧功率开关器件的开关损耗表达式为：pswz＝4m·favez(eon+erec+eoff)；式中，pswz为整流侧功率开关器件的开关损耗，m为整流侧mmc单桥臂子模块数，favez为电容分库算法下的整流侧平均开关频率，eon为igbt的开通损耗，erec为二极管的反向恢复损耗，eoff为igbt的关断损耗。

42、可选地，基于逆变侧全桥子模块的工作状态，确定逆变侧功率开关器件的开关损耗表达式，具体包括：

43、对逆变侧全桥子模块在工作状态切换过程的损耗进行分析，总结获得全桥子模块在一个投切周期内产生的开关损耗包括三份igbt的开通损耗、三份二极管的反向恢复损耗以及三份igbt的关断损耗；

44、根据全桥子模块在一个投切周期内产生的开关损耗，确定逆变侧功率开关器件的开关损耗表达式为式中，pswn为逆变侧功率开关器件的开关损耗，faven为电容分库算法下的逆变侧平均开关频率。

45、可选地，所述运行损耗模型为：

46、

47、式中，ps为运行损耗。

48、一种复合模块化直流变换器拓扑的开关器件运行损耗计算系统，包括：

49、桥臂平均电流表达式确定模块，用于确定复合模块化直流变换器中单相mmc-dab模块的桥臂平均电流表达式；

50、数量分析模块，用于分析在一个周期内电流流经的单相mmc-dab模块中的功率开关器件数量；

51、导通损耗模型确定模块，用于根据所述桥臂平均电流表达式和所述功率开关器件数量，确定功率开关器件的导通损耗模型；

52、整流侧开关损耗表达式确定模块，用于基于整流侧半桥子模块的工作状态，确定整流侧功率开关器件的开关损耗表达式；

53、逆变侧开关损耗表达式确定模块，用于基于逆变侧全桥子模块的工作状态，确定逆变侧功率开关器件的开关损耗表达式；

54、运行损耗模型确定模块，用于结合功率开关器件的导通损耗模型、整流侧功率开关器件的开关损耗表达式和逆变侧功率开关器件的开关损耗表达式，获得单相mmc-dab模块中功率开关器件的运行损耗模型；

55、运行损耗计算模块，用于根据单相mmc-dab模块的额定运行参数和功率开关器件的额定运行参数，利用所述运行损耗模型，计算单相mmc-dab模块中功率开关器件的运行损耗。

56、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

57、本发明公开一种复合模块化直流变换器拓扑的开关器件运行损耗计算方法，功率开关器件的运行损耗主要为导通损耗和开关损耗两部分，首先从分析桥臂平均电流表达式和一个周期内电流流经的单相mmc-dab模块中的功率开关器件数量，确定功率开关器件的导通损耗模型，然后分别确定整流侧和逆变侧功率开关器件的开关损耗表达式，最后结合导通损耗模型和开关损耗表达式，获得了功率开关器件的运行损耗模型，为复合模块化直流变换器中的单个mmc-dab模块建立了完整的开关器件损耗计算模型，填补了计算开关器件损耗的空白。