[发明专利]一种适用于不同子模块类型的MMC阀损耗计算方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统性能评估技术领域，具体涉及一种适用于不同子模块类型的MMC阀损耗计算方法。

背景技术

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）采用基本运行单元级联的形式，避免大量开关器件直接串联，不存在动态均压和一致触发等问题，尤其适用于高压直流输电场合，国内外多个规划或筹建工程已经验证了基于MMC的高压直流输电系统（MMC-HVDC）的应用价值和发展前景。在2010年和2011年的两次国际电力电子会议上，德国慕尼黑联邦国防军大学的学者R.Marquardt进一步提出广义MMC的概念，以子模块为功率单元，并根据内部构造不同将其分为三种基本类型：半桥子模块（half bridge sub-module，HBSM）、全桥子模块（full bridge sub-module，FBSM）和箝位双子模块（clamp double sub-module，CDSM）；为简化分析本文将子模块采用HBSM、FBSM和CDSM的MMC相应地称为H-MMC、F-MMC和C-MMC。

阀损耗是直流输电系统稳态运行损耗的主要组成部分，其大小是评估其性能优劣的重要指标。损耗计算一方面能为开关器件选型、散热系统设计和经济效益评估提供理论依据，另一方面也能为后续拓扑结构优化和降损措施研究奠定基础。目前关于传统两电平换流器损耗研究较为完善，但缺乏适用于不同子模块的MMC损耗通用计算方法和三种典型结构损耗特性的定量对比。

一般地，适用于工程实际的换流器损耗评估手段或建模应满足以下基本要求：1）计及控制调制策略，真实反映系统运行特性；2）有效提取IGBT器件参数，合理拟合其损耗曲线；3）计算快速，结果准确。MMC的电气运行工况非常复杂，因此很难用直接的电气测量方法实现损耗测量。

目前，对模块化多电平换流器快速损耗计算的研究并不深入，Y.Liu等在标题为Loss calculation method of modular multilevel HVDC converters（Electrical Power and Energy Conference,2011IEEE:2011,1-5）的文献中介绍了一种基于电流平均化思想的解析公式法，其通过引入电流平均化概念，推导出子模块各器件平均电流的解析公式，计算简便快速，适用于损耗初步评估；但该方法无法体现MMC非线性调制特性，对于开关损耗计算通常依靠人为设定投切频率（如150Hz）来估算，难以有效计及附加平衡控制引起的开关损耗，同时也无法对每个子模块的电压、电流变化进行解析计算，无法得到桥臂各子模块损耗分布特性。一般降损措施主要针对开关过程引起的暂态损耗如开通损耗和关断损耗，仅依靠解析公式不能有效评估降损策略带来的效益。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种适用于不同子模块类型的MMC阀损耗计算方法，可以适用于H-MMC、F-MMC和C-MMC，计算简便、结果精确，可计及各种控制特性，同时可以解析桥臂各子模块的损耗特性，在工程中具有很强的参考意义与使用价值。

一种适用于不同子模块类型的MMC阀损耗计算方法，包括如下步骤：

（1）根据MMC的运行工况及系统参数，计算出MMC各桥臂的桥臂电流；

（2）利用最近电平逼近调制策略以及子模块电容电压优化平衡控制策略，确定当前时刻MMC中各子模块的投切状态；进而根据子模块的投切状态以及子模块所处桥臂的桥臂电流，确定出子模块中各IGBT及其反并二极管所流经的电流；

（3）根据子模块中IGBT及其反并二极管的出厂参数，建立IGBT及其反并二极管的损耗模型；

（4）根据所述的损耗模型以及子模块中各IGBT及其反并二极管所流经的电流，计算出当前时刻各子模块的阀损耗，进而统计出MMC的阀损耗。

所述的步骤（1）中，根据以下公式计算MMC各桥臂的桥臂电流：

其中：i_p(t)和i_n(t)分别为t时刻MMC任一相上桥臂和下桥臂的桥臂电流，I_dc为MMC的直流侧电流，P和Q分别为MMC交流侧给定的有功功率和无功功率，U_s为MMC交流侧三相进线电压的幅值，ω=2πf，f=50Hz，λ为环流抑制因数，i_z(t)为t时刻MMC桥臂电流的环流分量。

λ为0或1的常数，λ=1说明MMC未采取环流抑制措施，λ=0说明MMC采用环流抑制措施。