模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)柔性輸配電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種模塊化多電平換流器 閥損快速評(píng)估算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，模塊化多電平換流器（MMC，Modular Multilevel Converter)在高壓柔性直 流輸電領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。相比于采用PWM(pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制）調(diào) 制的兩電平或三電平換流器，MMC避免了 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕 緣柵雙極晶體管）直接串聯(lián)引起的一致觸發(fā)等問(wèn)題，適用于各種高壓直流輸電場(chǎng)合。MMC隨 著子模塊串聯(lián)數(shù)即電平數(shù)的增加，能夠顯著提升電壓等級(jí)和功率容量，而且交流側(cè)電壓正 弦度更高、損耗更低。損耗不僅是直流系統(tǒng)的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于換流閥散熱器設(shè)計(jì)和 器件選型也起著關(guān)鍵的作用。因此需要尋找一種快捷且有效的方法來(lái)完成MMC系統(tǒng)閥損耗 的評(píng)估。
[0003] 對(duì)于采用PWM調(diào)制的兩電平換流器，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的直流電壓波動(dòng)很小，其開關(guān)動(dòng) 作時(shí)機(jī)和橋臂電流都可以用解析的方法準(zhǔn)確表達(dá)。而MMC采用子模塊串聯(lián)構(gòu)成橋臂的結(jié) 構(gòu)，在階梯波調(diào)制（通常為最近電平調(diào)制NLC)下，子模塊電容電壓會(huì)出現(xiàn)較大范圍的波動(dòng)， 需要設(shè)計(jì)額外的子模塊均壓控制方法。均壓控制會(huì)帶來(lái)額外的開關(guān)動(dòng)作，而且這些動(dòng)作時(shí) 機(jī)難以用解析方法表達(dá)。故業(yè)界一般選用基于電磁暫態(tài)仿真的方法精確計(jì)算MMC閥損耗。 IEC正在制定IEC 62751-1 "高壓直流輸電系統(tǒng)的電壓源型換流器閥損耗計(jì)算"標(biāo)準(zhǔn)。即推 薦采用MMC電磁暫態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的閥損耗計(jì)算。現(xiàn)有技術(shù)一般采用詳細(xì)電磁暫態(tài)仿 真結(jié)果計(jì)算MMC的閥損。但MMC包含的子模塊數(shù)量眾多，采用詳細(xì)電磁暫態(tài)仿真結(jié)果計(jì)算 MMC的閥損耗存在著仿真速度慢從而導(dǎo)致閥損評(píng)估結(jié)果慢的缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種模塊化多電平換流器閥 損快速評(píng)估算法，解決了 MMC子模塊電壓、電流以及換流閥工作溫度無(wú)法通過(guò)解析方式精 確計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題，相較于原有的純解析計(jì)算方法，具有更高的準(zhǔn)確性和更強(qiáng)的適應(yīng)性。
[0005] 本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法，包括以下步驟：步驟 一、根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和控制方法，在電磁暫態(tài)仿真軟件中建立MMC的快速仿真模型；步驟二、 該快速仿真模型將仿真結(jié)果中的子模塊電容電壓、開關(guān)器件觸發(fā)脈沖和橋臂電流保存為可 讀取數(shù)據(jù)文件；步驟三、根據(jù)MMC子模塊中開關(guān)器件的特性參數(shù)，所述MMC子模塊中開關(guān)器 件即為IGBT及其反并聯(lián)二極管，建立開關(guān)器件損耗計(jì)算和PN結(jié)溫度估計(jì)的數(shù)學(xué)模型；步驟 四、將仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入損耗計(jì)算程序，計(jì)算出每個(gè)數(shù)據(jù)步長(zhǎng)下的單個(gè)IGBT和單個(gè) 二極管的閥損耗；步驟五、根據(jù)IGBT和二極管的閥損耗功率與結(jié)溫的關(guān)系，通過(guò)迭代計(jì)算， 得到單個(gè)IGBT和單個(gè)二極管修正的閥損耗功率，進(jìn)而疊加得到MMC的閥損耗功率。
[0006] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟一中，MMC快速仿真模型的子模塊電容電壓動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化 公式表不為：
是積分步長(zhǎng)，i為子模塊序號(hào)，uei(t)是子模塊電容電壓，uei(t-A t)是前一積分步長(zhǎng)的電 壓值，Sa (t)是開關(guān)函數(shù)，取值O或1分別表示子模塊切除或投入，Imi代表每一相的上橋臂 或下橋臂電流，C為電容值。
[0008] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟一中，MMC快速仿真模型的橋臂為等效受控電壓源結(jié) 構(gòu)，其控制電壓值瞬時(shí)值Uup⑴為：
[0010] 其中，USMi(t)為第i個(gè)子模塊的瞬時(shí)端口電壓，Uconi(t)為開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，N為 單個(gè)橋臂上串聯(lián)子模塊的數(shù)量，U a(t)是子模塊電容電壓，Sei(t)是開關(guān)函數(shù)，取值0或1分 別表示子模塊切除或投入。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟三中的損耗計(jì)算數(shù)學(xué)模型如下：
[0012] Picon(t) =Uce(t)?It (t) = (Rt (Tjt (t))?It (t)+Uce0 (Tjt (t)))?It (t)
[0013] PDc〇n (t)=Ud (t)?Id (t) = (Rd (Tjd (t))XId (t) +Udo (Tjd (t))) ?Id (t)
[0017]式中，It (t)、Id (t)分別代表流經(jīng)IGBT和二極管的瞬時(shí)電流，由仿真結(jié)果經(jīng)處理得 到心_(〇、？^(〇和？^(〇分別為1681'導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和關(guān)斷損耗心_(〇、？1^(〇 和P D()ff (t)分別為二極管導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和關(guān)斷損耗；U_(t)、UD(t)分別為t時(shí)刻IGBT 和二極管的導(dǎo)通壓降；T jT(t)、TjD (t)分別為t時(shí)刻IGBT和二極管的結(jié)溫，其初值選取為器 件底板溫度TMS6;R T是IGBT導(dǎo)通電阻，U。6(|是IGBT擎住電壓；R ^ Rtjff D分別為IGBT和二極 管的截止電阻，Ttl為采樣間隔，Ntl為采樣間隔時(shí)間內(nèi)器件開關(guān)次數(shù)；E m(j) AtjffU)和E_(j) 分別為IGBT單次開能量、IGBT單次關(guān)能量和二極管單次關(guān)斷能量，j為采樣間隔內(nèi)開關(guān)次 數(shù)的序號(hào)。
[0018] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟三中，所述的IGBT單次開能量Em(j)、單次關(guān)能量 EtjffU)和二極管單次關(guān)斷能量E_(j)分別為：
[0022] 式中，a" a2、a3、V b2、b3、Cl、c2、C3是根據(jù)器件表開關(guān)能量曲線經(jīng)二次擬合得到的 系數(shù)，U raN、UDN為IGBT和二極管的額定電壓，i m T(t) Utjff T(t)為IGBT開關(guān)電流瞬時(shí)值，i。^ D(t)為二極管關(guān)斷電流瞬時(shí)值，USM(t)為子模塊瞬時(shí)電壓，P Tm、PT()ff、PD_為結(jié)溫修正系 數(shù)。
[0023] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟三中，所述的結(jié)溫修正系數(shù)P Tm、P T()ff、P D,e。計(jì)算方 法為：
[0027] 式中，Eml、Em2分別為IGBT在125°和25°時(shí)的單次開通能量；E _、Et5ff2分別為 168!'在125°和25°時(shí)的單次關(guān)斷能量屯6。 1、民6。2分別為二極管在125°和25°時(shí)的單次 關(guān)斷能量，T jT、Tjll分別為IGBT和二極管的結(jié)溫。
[0028] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟五中，IGBT和二極管結(jié)溫通過(guò)下式求得：
[0029] Tjt(t+ At) =Pt(Tjt(t)) ? (Zth(JC_T) +Zth(CS)) +Ts
[0030] Tjd (t+ A t) =Pd (Tjd (t)) ? (Zth (JC_D) +Zth (CS)) +Ts，
[0031] 式中，PT、PD分別為IGBT和二極管總的閥損，Z th(JC_T)、Zth(JC_D)為IGBT和底板、 二極管和底板間的溫阻；Z th(CS)為底板和散熱器間的溫阻，1為散熱器溫度。
[0032] 本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法，具有以下有益效果：本發(fā)明搭建 的適用于全面評(píng)估MMC閥損耗的快速仿真模型，能夠保留損耗計(jì)算所需的子模塊電壓電流 以及觸發(fā)脈沖，在與原模型基本等效的條件下，簡(jiǎn)化原有模型以達(dá)到提高仿真速度的目的， 使得本發(fā)明具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
[0033] MMC閥損耗按如下計(jì)算方案獲得：
[0034] 一、建立能大幅提高仿真速度、適用于損耗計(jì)算的快速模型?？焖倌Ｐ途帉懽远x 模塊，采用梯形積分法簡(jiǎn)化電容充放電過(guò)程，以橋臂受控電壓源替代串聯(lián)子模塊結(jié)構(gòu)以提 高仿真速度。仿真獲得換流站每相的橋臂電流Imi、子模塊電壓Usm以及觸發(fā)脈沖S。
[0035]二、將 PSCAD (全稱 Power Systems Computer Aided Design，是世界上廣泛使用 的電磁暫態(tài)仿真軟件）得到的仿真數(shù)據(jù)輸出到MATLAB(矩陣工廠或矩陣實(shí)驗(yàn)室，是美國(guó) MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件）中進(jìn)行處理，得到流經(jīng)各器件的電流以及開關(guān)時(shí)刻 對(duì)應(yīng)的電流瞬時(shí)值，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)共同作為閥損耗計(jì)算的輸入。
[0036] 三、根據(jù)子模塊中IGBT及其反并聯(lián)二極管的器件參數(shù)表，建立IGBT、二極管的損 耗模型，利用插值法獲得對(duì)應(yīng)溫度下的參數(shù)值。
[0037] 四、根據(jù)實(shí)際器件工作環(huán)境，建立器件-底板-散熱器的熱電路。
[0038] 五、根據(jù)損耗功率與器件溫度的關(guān)系迭代計(jì)算，得到各站閥損耗、器件溫度及損耗 率。
[0039] 本發(fā)明采用錄入仿真數(shù)據(jù)計(jì)算閥損耗的方式，主要有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
[0040] 1、本發(fā)明與仿真實(shí)例貼合度高，誤差較解析算法要小得多；
[0041] 2、本發(fā)明無(wú)需修改計(jì)算方法，自適應(yīng)各種控制策略、調(diào)制方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的閥 損耗計(jì)算；
[0042] 3、本發(fā)明得出了每個(gè)子模塊上器件的閥損耗及工作溫度，方便器件選型及損耗分 布評(píng)估。
【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1為本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法的流程示意圖；
[0044] 圖2為雙極雙端MMC-MTDC仿真電路圖；
[0045] 圖3為采用實(shí)際開關(guān)器件布置如圖1的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0046] 圖4為本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法的步驟一中采用受控電壓 源等效的快速模型示意圖；
[0047] 圖5為本發(fā)明中的快速模型與現(xiàn)有技術(shù)的詳細(xì)模型仿真結(jié)果對(duì)比圖；
[0048] 圖6為本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法的步驟二中子模塊結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0049] 圖7為本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法的步驟二中子模塊橋臂電 流及觸發(fā)脈沖波形示意圖；
[0050] 圖8為本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法的步驟二中子模塊上臂電 流及標(biāo)記的開關(guān)時(shí)間點(diǎn)示意圖；
[0051] 圖9為本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法的步驟三中Ura-Ie伏安特性 曲線擬合示意圖；
[0052] 圖10為本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法的步驟三中開關(guān)能量曲線 擬合示意圖；
[0053] 圖11為本發(fā)明模塊化多電平換流器閥損快速評(píng)估算法的步驟五中開關(guān)器件結(jié) 溫、開關(guān)器件底板和散熱器間的熱路圖；
[0054] 圖12為本發(fā)明送端正極換流站實(shí)施例中不同工況下?lián)p耗分布示意圖；
[0055] 圖13為本發(fā)明送端正極換流站實(shí)施例中不同工況下結(jié)溫變化曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056] 下