[发明专利]一种模块化多电平变换器损耗优化控制方法

权利要求书

1.基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，其特征在于，模块化多电平变换器的每个桥臂上包含了n个相同的子模块以及一个桥臂电感，子模块采用半桥结构，每个子模块由两个功率开关，两个二极管和一个直流电容组成；所述方法包括以下步骤：

(1)、以模块化多电平变换器子模块下开关和二极管损耗最小化为目标，根据给定的有功功率和无功功率，结合模块化多电平变换器的功率平衡关系和功角关系得到网侧电流i_a和直流测电流i_dc，根据环流数学模型得到桥臂电流的表达式；

(2)、在二次环流注入的幅值和相位的约束条件下，根据功率损耗公式得到每种桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值；

(3)、选取每种桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值中损耗最大的值，构建各个桥臂电流情况下损耗最大值的数据集；

(4)、在数据集中寻找一个最小的损耗值，选取这个损耗值对应的二次谐波幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位，将对应的最优的二次环流注入到三相中，以实现降低子模块中损耗最大的功率器件的损耗；

步骤(1)中，模块化多电平变换器桥臂电流的获取，具体子步骤如下：

步骤101、由变换器交直流有功功率相等法则，得到直流侧电流i_dc：

i_dc＝P/V_dc，

式中，P和V_dc分别为变换器传输的有功功率和变换器直流侧电压；

步骤102、根据网侧有功、无功、网侧交流电压幅值、功率因数之间的数学关系，得到网侧电流幅值I_m和功率因数角

式中，Q和E_m分别为变换器传输的无功功率和电网侧电压幅值；

步骤103、将A相桥臂的二次谐波环流i_2fa表示为：

i_2fa＝I_2m sin(2ωt+θ)

式中，I_2m和θ分别为二次谐波环流的幅值和相位，ω为电网角频率，t为时间域里面的时刻；

进而得到A相上下桥臂电流：

式中，i_au和i_al分别为A相上、下桥臂电流，i_a为A相电流；

步骤(2)中，在二次环流注入的幅值和相位的约束条件下，根据功率损耗公式得到各个桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值，功率损耗公式为：

式中P_{T1_i}、P_{D1_i}、P_{T2_i}和P_{D2_i}分别为第i个子模块第一功率开关T₁、第一二极管D₁、第二功率开关T₂和第二二极管D₂的总损耗，P_{con_T1_i}、P_{con_D1_i}、P_{con_T2_i}和P_{con_D2_i}分别为第i个子模块T₁、D₁、T₂和D₂的导通损耗，其表达式为：

式中T为电网运行周期，i_t1、i_d1、i_t2和i_d2分别为子模块T₁、D₁、T₂和D₂的导通电流，S_aui是第i个子模块的开关函数，V_CE、R_CE、V_F和R_F分别为开关管的零电流通态压降、开关管的零电流通态电阻、二极管的零电流通态压降和二极管的零电流通态电阻，P_{on_T1_i}、P_{off_T1_i}、P_{rec_D1_i}、P_{on_T2_i}、P_{off_T2_i}和P_{rec_D2_i}分别为开关管T₁的开通瞬态损耗、开关管T₁的关断损耗、二极管D₁的反向恢复损耗、开关管T₂的开通瞬态损耗、开关管T₂的关断损耗、二极管D₂的反向恢复损耗，其表达式为：

式中，T_j是功率器件的结温，E_rec和E_on分别是二极管的反向恢复能量和开关管的开通能量，U_sm是子模块电容电压的平均值,U_ref为器件手册中的测试电压，K_v为电压系数，E_off是开关管的关断能量。

2.根据权利要求1所述的基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，其特征在于，模块化多电平变换器的电容电压平衡方法为：根据桥臂参考电压与载波比较得到一个桥臂内需要投入的子模块个数为n_on，对子模块电容电压进行升序排序：当桥臂电流为正，投入电容电压最低的n_on个子模块，当桥臂电流为负，投入电容电压最高的n_on个子模块。