一种模块化多电平换流器在线损耗计算方法

摘要

本发明公开了属于输配电领域的一种模块化多电平换流器在线损耗计算方法。它包括以下步骤：1)计算每个SM模块中两个IGBT、和两个续流二极管的通态损耗：2)计算每个SM模块中两个IGBT的开关损耗和两个续流二极管的反向恢复损耗；3)通过损耗计算模块计算相关损耗。本发明的有益效果为：第一，有效地避免了MMC中模块数较多时，人工测量计算的复杂性，工作量大大减小，快捷方便；第二，实现了MMC损耗的在线计算，适用范围广，可适用于任何工作状态下的MMC系统的损耗计算。第三，非常方便于模块化封装，节省占地面积，提高资源利用率，且该平台的输出为各类损耗及损耗比，直接明了，方便工作人员随时观察系统运行状态。

主权项

一种模块化多电平换流器在线损耗计算方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)通过测量获得A相桥臂电流i_a、B相桥臂电流i_b、C相桥臂电流i_c和当前环境的工作温度t，然后计算每个SM模块中第一IGBT、第二IGBT、第一续流二极管和第二续流二极管的通态损耗；2)计算每个SM模块中第一IGBT和第二IGBT的开关损耗以及第一续流二极管和第二续流二极管的反向恢复损耗；3)通过损耗计算模块计算IGBT总通态损耗P_Tcon、续流二极管总通态损耗P_Dcon、IGBT总开关损耗P_Tsw、续流二极管总反向恢复损耗P_Drec、IGBT总损耗P_T、续流二极管总损耗P_D、模块化多电平换流器总通态损耗P_con、模块化多电平换流器总开关损耗P_sw、模块化多电平换流器总损耗P_tot和模块化多电平换流器损耗比K；所述IGBT总通态损耗P_Tcon为模块化多电平换流器的所有SM模块IGBT通态损耗之和，IGBT通态损耗为第一IGBT的通态损耗P_EF与第二IGBT的通态损耗P'_EF之和；所述续流二极管总通态损耗P_Dcon为模块化多电平换流器的所有SM模块续流二极管通态损耗之和，续流二极管通态损耗为第一续流二极管的通态损耗P_DF与第二续流二极管的通态损耗P'_DF之和；所述IGBT总开关损耗P_Tsw为模块化多电平换流器的所有SM模块IGBT开关损耗之和，IGBT开关损耗为第一IGBT的开关损耗P_swT与第二IGBT的开关损耗P'_swT之和；所述续流二极管总反向恢复损耗P_Drec为模块化多电平换流器的所有SM模块续流二极管反向恢复损耗之和，续流二极管反向恢复损耗为第一续流二极管的反向恢复损耗P_swD与第二续流二极管的反向恢复损耗P'_swD之和；所述IGBT总损耗P_T为IGBT总通态损耗P_Tcon与IGBT总开关损耗P_Tsw之和；所述续流二极管总损耗P_D为续流二极管总通态损耗P_Dcon与续流二极管总反向恢复损耗P_Drec之和；所述模块化多电平换流器总通态损耗P_con为IGBT总通态损耗P_Tcon与续流二极管总通态损耗P_Dcon之和；所述模块化多电平换流器总开关损耗P_sw为IGBT总开关损耗P_Tsw与续流二极管总反向恢复损耗P_Drec之和；所述模块化多电平换流器总损耗P_tot为IGBT总损耗P_T与续流二极管总损耗P_D之和；所述模块化多电平换流器损耗比K为模块化多电平换流器总损耗与系统总传输容量之比；所述步骤1)具体包括以下步骤：11)从产品说明书中获得如下四条曲线：温度为25℃时第一IGBT的集射极电压V'_CE与集电极电流I_C的关系曲线、温度为125℃时第一IGBT的集射极电压V_CE与集电极电流I_C的关系曲线、温度为25℃时第一续流二极管的正向导通电压V'_F‑正向直流电流I_F的关系曲线和温度为125℃时第一续流二极管的正向导通电压V_F‑正向直流电流I_F的关系曲线；12)在温度为125℃时第一IGBT的集射极电压V_CE与集电极电流I_C的关系曲线中，通过描点法得到以下N组数据：(I_C1，V_CE1)，(I_C2，V_CE2)…(I_CN，V_CEN)，其中，I_C1‑I_CN为第一IGBT的集电极电流值，V_CE1‑V_CEN是当第一IGBT集电极电流值为I_C1‑I_CN时第一IGBT的集射极电压值，1≤N≤100；对(I_C1，V_CE1)，(I_C2，V_CE2)…(I_CN，V_CEN)这N组数据在MATLAB中进行高次曲线拟合，得到温度为125℃时第一IGBT集射极电压V_CE与集电极电流I_C的数学关系式；根据下列公式：R_T1＝V_CE1/I_C1，R_T2＝V_CE2/I_C2…R_TN＝V_CEN/I_CN得到：当第一IGBT集电极电流值为I_C1‑I_CN时第一IGBT的通态电阻值为R_T1‑R_TN，进而得到以下N组数据：(I_C1，R_T1)，(I_C2，R_T2)…(I_CN，R_TN)；对(I_C1，R_T1)，(I_C2，R_T2)…(I_CN，R_TN)这N组数据在MATLAB中进行高次曲线拟合，得到温度为125℃时第一IGBT的通态电阻R_T与集电极电流I_C的数学关系式；13)在温度为125℃时第一续流二极管正向导通电压V_F‑正向直流电流I_F的关系曲线中，通过描点法得到以下M组数据：(I_F1，V_F1)，(I_F2，V_F2)…(I_FM，V_FM)，其中，I_F1‑I_FM为第一续流二极管的正向直流电流值，V_F1‑V_FM是当第一续流二极管的正向直流电流值为I_F1‑I_FM时第一续流二极管的正向导通电压值，1≤M≤100；对(I_F1，V_F1)，(I_F2，V_F2)…(I_FM，V_FM)这M组数据在MATLAB中进行高次曲线拟合，得到温度为125℃时第一续流二极管正向导通电压V_F与正向直流电流I_F的数学关系式；根据下列公式：R_D1＝V_F1/I_F1，R_D2＝V_F2/I_F2…R_DM＝V_CEM/I_CM得到当第一续流二极管的正向直流电流值为I_F1‑I_FM时第一续流二极管的通态电阻值R_D1‑R_DM，进而得到以下M组数据：(I_F1，R_D1)，(I_F2，R_D2)…(I_FM，R_DM)；对(I_F1，R_D1)，(I_F2，R_D2)…(I_FM，R_DM)这M组数据在MATLAB中进行高次曲线拟合，得到温度为125℃时第一续流二极管通态电阻R_D与正向直流电流I_F的数学关系式；14)对步骤11)中的四条曲线按如下公式进行插值运算：${\alpha }_T=\frac{1}{V_{\mathrm{CE}}}[\frac{V_{\mathrm{CE}}-V_{\mathrm{CE}}^{\prime }}{100}(t-25)+V_{\mathrm{CE}}^{\prime }]$${\alpha }_D=\frac{1}{V_F^{\prime }}[\frac{V_F^{\prime }-V_F}{100}(t-25)+V_F]$得到第一IGBT和第二IGBT的通态损耗的结温系数α_T和第一续流二极管和第二续流二极管的通态损耗的结温系数α_D，上述公式中，t为当前环境的工作温度；15)在曲线拟合模块中通过以下公式计算得到第一IGBT的实时通态等值电压V_CEX、第一续流二极管的实时通态等值电压V_DX、第一IGBT的实时通态等值电阻R_TX和第一续流二极管的实时通态等值电阻R_DX：V_CEX＝α_T×V_CEV_DX＝α_D×V_FR_TX＝α_T×R_TR_DX＝α_D×R_D16)将V_CEX和R_TX代入以下公式，经计算得出第一IGBT的中间通态损耗P_EFS：$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{EF}}=V_{\mathrm{CEX}}+R_{\mathrm{TX}}·i\\ I_{\mathrm{EF}}=\sqrt{\left|\bar{i}\right|·\hat{i}}\\ P_{\mathrm{EFS}}=i·V_{\mathrm{EF}}\end{array}\right.$以上公式中，流入模块化多电平换流器的上下桥臂电流为i，在A相桥臂中，i＝i_a，在B相桥臂中，i＝i_b，在C相桥臂中，i＝i_c，V_EF为IGBT的通态等值电压，I_EF为IGBT的通态等值电流，是桥臂电流的峰值，是桥臂电流的算术平均值；在实际工作中，I_C＝i，结合步骤12)‑步骤15)看出：V_CEX和R_TX均为t与i的函数，所以，P_EFS为t和i的函数；将V_DX和R_DX代入以下公式，经计算得出第一续流二极管的中间通态损耗P_DFS：$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{DF}}=V_{\mathrm{DX}}+R_{\mathrm{DX}}·i\\ I_{\mathrm{DF}}=\sqrt{\left|\bar{i}\right|·\hat{i}}\\ P_{\mathrm{DFS}}=i·V_{\mathrm{DF}}\end{array}\right.$以上公式中，流入模块化多电平换流器的上下桥臂电流为i，V_DF为续流二极管的通态等值电压，I_DF为续流二极管的通态等值电流；在实际工作中，I_F＝i，结合步骤12)‑步骤15)看出：V_DX和R_DX均为t与i的函数，所以，P_DFS为t和i的函数；17)第二IGBT的中间通态损耗P'_EFS与第一IGBT的中间通态损耗P_EFS的计算方法相同，通过步骤11)‑步骤16)得出第二IGBT的实时通态等值电压V’_CEX、第二IGBT的实时通态等值电阻R’_TX和第二IGBT的中间通态损耗P'_EFS；第二续流二极管的中间通态损耗P'_DFS与第一续流二极管的中间通态损耗P_DFS的计算方法相同，通过步骤11)‑步骤16)得出第二续流二极管的实时通态等值电压V’_DX、第二续流二极管的实时通态等值电阻R’_DX和第二续流二极管的中间通态损耗P'_DFS；18)求解所有SM模块中第一IGBT的占空比的平均值s1、所有SM模块中第二IGBT的占空比的平均值s2、所有SM模块中第一续流二极管的占空比的平均值s3和所有SM模块中第二续流二极管的占空比的平均值s4；19)通过以下公式计算第一IGBT的通态损耗P_EF、第二IGBT的通态损耗P'_EF、第一续流二极管的通态损耗P_DF和第二续流二极管的通态损耗P'_DF：P_EF＝s1×P_EFSP'_EF＝s2×P'_EFSP_DF＝s3×P_DFSP'_DF＝s4×P'_DFS。