模块化多电平变流器损耗估算方法

摘要

本发明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。本发明采用形如g(j)＝a+b·j^c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；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。

主权项

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：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；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V_CE‑I_C进行插值拟合，其中V_CE为集电极与发射极间电压，I_C为集电极电流，采用的插值多项式g(j)形式为：g(j)＝a+b·j^c其中，a、b、c为常数系数，j为自变量；步骤3：重复步骤2，对半导体器件的二极管伏安特性曲线V_F‑I_F、晶体管开关特性曲线E_on‑I_C和E_off‑I_C、二极管反向恢复特性曲线E_rec‑I_F进行插值拟合，得到各个曲线对应的特性常数a、b、c；其中V_F为正向电压，I_F为正向电流，E_on和E_off分别为开通能量和关断能量，E_rec为反向关断能量；步骤4：初始化半导体器件的晶体管运行损耗E_conT、二极管运行损耗E_conD、晶体管开通损耗E_onT、晶体管关断损耗E_offT及二极管反向恢复损耗E_recD为零；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i_s，子模块电容电压V_c以及子模块对应的触发信号S₁、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表示下管对应的半导体器件参数标号；步骤6：判断触发信号：若S₁＝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i_s方向：若i_s≥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：I_F1＝i_s$E_{conD1}=E_{conD1}^{\prime }+k·\frac{I_{F1}}{k}·V_{F1}\left(\frac{I_{F1}}{k}\right)·T_s$其中，V_F1(i_F1/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，T_s为采样时间，I_F1为上管二极管的正向电流，E_conD1为本次计算后的累计运行损耗，E′_conD1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；若i_s＜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：I_C1＝|i_s|$E_{conT1}=E_{conT1}^{\prime }+k·\frac{I_{C1}}{k}·V_{CE}\left(\frac{I_{C1}}{k}\right)·T_s$其中，I_C1为上管晶体管的集电极电流，E_conT1为本次计算后上管晶体管的累计运行损耗，E′_conT1为本次计算前上管晶体管的累计运行损耗；若S₁＝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i_s方向：若i_s≥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：I_C2＝|i_s|$E_{conT2}=E_{conT2}^{\prime }+k·\frac{I_{C2}}{k}·V_{CE}\left(\frac{I_{C2}}{k}\right)·T_s$其中，I_C2为下管晶体管集电极电流，E_conT2为本次计算后下管晶体管的累计运行损耗，E′_conT2为本次计算前下管晶体管的累计运行损耗；若i_s＜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：I_F2＝|i_s|$E_{conD2}=E_{conD2}^{\prime }+k·\frac{I_{F2}}{k}·V_F\left(\frac{I_{F2}}{k}\right)·T_s$其中，I_F2为下管二极管正向电流，E_conD2为本次计算后下管二极管的累计运行损耗，E′_conD2为本次计算前下管二极管的累计运行损耗；若上一次采样时S₁＝1，S₂＝0，本次采样时S₁＝0，S₂＝1，此时判断上一次采样时电流i_s方向：若上一次采样时i_s≥0，则计算上管二极管的累计反向恢复损耗E_recD1和下管晶体管的累计开通损耗E_onT2：I_F1＝|i_s|，I_C2＝|i_s|$E_{recD1}=E_{recD1}^{\prime }+k·E_{rec}\left(\frac{i_{F1}}{k}\right)·\frac{V_c}{V_{cc}}$$E_{onT2}=E_{onT2}^{\prime }+k·E_{on}\left(\frac{i_{C2}}{k}\right)·\frac{V_c}{V_{cc}}$其中V_cc为参考关断电压，V_c为子模块电容电压，E_rec1为本次计算后上管二极管的累计反向恢复损耗，E′_recD1为本次计算前上管二极管的累计反向恢复损耗，E_onT2为本次计算后下管晶体管的累计开通损耗，E′_onT2为本次计算前下管晶体管的累计开通损耗。若上一次采样时i_s＜0，则计算上管晶体管的累计关断损耗E_offT1：I_C1＝|i_s|$E_{offT1}=E_{offT1}^{\prime }+k·E_{off}\left(\frac{I_{C1}}{k}\right)·\frac{V_c}{V_{cc}}$其中，E_offT1为本次计算后上管晶体管的累计关断损耗，E′_offT1为本次计算前上管晶体管的累计关断损耗；若上一次采样时S₁＝0，S₂＝1，本次采样时S₁＝1，S₂＝0，此时判断上一次采样时电流i_s方向：若上一次采样时i_s≥0，则计算下管晶体管的累计关断损耗E_offT2：I_C2＝|i_s|$E_{offT2}-E_{offT2}^{\prime }+k·E_{off}\left(\frac{I_{C2}}{k}\right)·\frac{V_c}{V_{cc}}$其中，E_offT2为本次计算后下管晶体管的累计关断损耗，E′_offT2为本次计算前下管晶体管的累计关断损耗；若上一次采样时i_s＜0，则计算上管晶体管的累计开通损耗E_onT1和下管二极管的累计反向恢复损耗：I_C1＝|i_s|，I_F2＝|i_s|$E_{onT1}=E_{onT1}+k·E_{on}\left(\frac{I_{C1}}{k}\right)·\frac{V_c}{V_{cc}}$$E_{recD2}=E_{recD2}+k·E_{rec}\left(\frac{I_{F2}}{k}\right)·\frac{V_c}{V_{cc}}$其中E_recD2为本次计算后下管二极管的累计反向恢复损耗，E′_recD2为本次计算前下管二极管的累计反向恢复损耗，E_onT1为本次计算后上管晶体管的累计开通损耗，E′_onT1为本次计算前上管晶体管的累计开通损耗；步骤7：每隔采样时间T_s，重复步骤5至步骤6，直至总采样时间达到T_total，所述T_total为多次计算所需采样时间间隔T_s的总和，是一个人为设定的参数；步骤8：分别计算上下管的晶体管运行损耗功率P_conT、开通损耗功率P_onT和关断损耗功率P_offT以及上下管的二极管运行损耗功率P_conD和反向恢复损耗功率P_recD：$P_{conT1}=\frac{E_{conT1}}{T_{total}},P_{conT2}=\frac{E_{conT2}}{T_{total}},P_{conD1}=\frac{E_{conD1}}{T_{total}},P_{conT2}=\frac{E_{conD2}}{T_{total}}$$P_{onT1}=\frac{E_{onT1}}{T_{total}},P_{onT2}=\frac{E_{onT2}}{T_{total}},P_{offT1}=\frac{E_{offT1}}{T_{total}},P_{offT2}=\frac{E_{offT2}}{T_{total}}$$P_{recD1}=\frac{E_{recD1}}{T_{total}},P_{recD2}=\frac{E_{recD2}}{T_{total}};$其中，P_conT1为上管晶体管的运行损耗功率，P_conT2为下管晶体管的运行损耗功率，P_conD1为上管二极管的运行损耗功率，P_conT2为下管二极管的运行损耗功率，P_onT1为上管晶体管的开通损耗功率，P_onT2为下管晶体管的开通损耗功率，P_offT1为上管晶体管的关断损耗功率，P_offT2为下管晶体管的关断损耗功率，P_recD1为上管二极管的反向恢复损耗功率，P_recD2为下管二极管的反向恢复损耗功率。