一種基于模塊化多電平電壓源型換流器的損耗確定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及柔性直流輸電（VSC-HVDC）領(lǐng)域，特別涉及一種基于模塊化多電平技術(shù)的柔性直流換流器的損耗確定方法。該方法包括下述步驟：步驟1：確定單相電壓源型換流器的電流；步驟2：確定電壓源型換流器的導通損耗；步驟3：確定電壓源型換流器的開關(guān)損耗；步驟4：確定電壓源型換流器三相總損耗。本發(fā)明提供的方法有效求解出換流器子模塊上半橋臂絕緣柵雙極型晶體管IGBT/下半橋臂續(xù)流二極管FWD或上半橋臂續(xù)流二極管FWD/下半橋臂絕緣柵雙極型晶體管IGBT的平均電流和有效電流，能反映出子模塊中絕緣柵雙極型晶體管IGBT與續(xù)流二極管FWD的損耗與柔性直流輸電系統(tǒng)的調(diào)制因數(shù)、功率因素、有功傳輸功率等關(guān)系，將復雜問題直觀化。
【專利說明】一種基于模塊化多電平電壓源型換流器的損耗確定方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性直流輸電(VSC-HVDC)領(lǐng)域的確定方法，具體涉及一種基于模塊化多電平電壓源型換流器的損耗確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性直流輸電技術(shù)因其功率傳輸控制的靈活性而在各種領(lǐng)域中得到了廣泛的應用?；谀K化多電平換流器的柔性直流輸電技術(shù)是一種新型的柔性直流輸電技術(shù)，不存在換相失敗，具有可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、無需無功補償、能夠靈活控制輸出的有功無功功率，柔性直流輸電技術(shù)特別適合偏遠地區(qū)、島嶼等小容量負荷供電、新能源集電并網(wǎng)以及城市供電等應用場合。因此，柔性直流輸電技術(shù)有著廣闊的應用前景。
[0003]在開關(guān)型柔性直流輸電系統(tǒng)中，由于換流器輸出電平數(shù)低，換流器輸出電壓諧波成分高。為了改善柔性直流換流器輸出波形質(zhì)量，通常使用脈寬調(diào)制技術(shù)PWM(Pulse WidthModulation)，且開關(guān)頻率較高，一般都在20倍~40倍基頻，過高的開關(guān)頻率帶來開關(guān)損耗的增加，降低了柔性直流輸電系統(tǒng)能量的傳輸效率。在可控電壓源型柔性直流輸電系統(tǒng)中，由于采用了模塊化多電平技術(shù)，換流器輸出電壓諧波成分低，且諧波成分量隨換流器輸出電平數(shù)的增加而降低。與開關(guān)型柔性直流輸電技術(shù)相比，由于換流閥每相上橋臂和下橋臂每次投入或切出I個子模塊，所以可控電壓源型換流器可以采用較低的開關(guān)頻率，一般不超過3倍基頻，從而降低了損耗，提高了柔性直流輸電系統(tǒng)的能量傳輸效率。
[0004]柔性直流輸電技術(shù)采用的開關(guān)器件主要是全控型器件一絕緣柵雙極型晶體管IGBT(insulated gate bipolar transistor),在高壓大容量柔性直流輸電系統(tǒng)中，一個柔性直流換流器中采用的絕緣柵雙極型晶體管IGBT超過兩千只，所以絕緣柵雙極型晶體管IGBT的穩(wěn)定運行能力是影響柔性直流換流閥穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因數(shù)之一。而過載或能耗過大等原因引起絕緣柵雙極型晶體管IGBT結(jié)溫過高是導致其失效的最主要原因。因此，絕緣柵雙極型晶體管IGBT和續(xù)流二極·管FWD (free-wheeling diode)結(jié)溫計算的準確度嚴重影響柔性直流換流器的可靠性。柔性直流換流器絕緣柵雙極型晶體管IGBT和續(xù)流二極管FWD在各類運行狀態(tài)下的損耗計算是解決對應結(jié)溫計算的唯一有效手段。柔性直流換流閥的損耗示意圖如圖1所示，主要包括:
[0005](I)絕緣柵雙極型晶體管IGBT的損耗，其主要包括導通損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗和驅(qū)動電路損耗。其中開通損耗和關(guān)斷損耗之和稱之為開關(guān)損耗。
[0006](2)續(xù)流二極管FWD的損耗，其主要包括導通損耗、反向恢復損耗、開通損耗和截止損耗。其中，因開通時間很短，開通損耗可以忽略；二極管反向截止電流很小，截止損耗也可忽略。
[0007]絕緣柵雙極型晶體管IGBT的開關(guān)損耗和續(xù)流二極管FWD的反向恢復損耗可參照廠家提供的對應參數(shù)，但這些器件的工況與廠家參數(shù)相關(guān)損耗對應的工況不同，仍需進一步折算。絕緣柵雙極型晶體管IGBT和續(xù)流二極管FWD的導通損耗也可采用對應的導通閾值電壓、導通電阻、導通電流等參數(shù)表示。但是橋臂電流在子模塊中存在兩條通路，即可能流經(jīng)子模塊上半橋臂絕緣柵雙極型晶體管IGBT/下半橋臂續(xù)流二極管FWD或上半橋臂續(xù)流二極管FWD/下半橋臂絕緣柵雙極型晶體管IGBT。因此，計算導通損耗還存在確定絕緣柵雙極型晶體管IGBT與續(xù)流二極管FWD電流表達式的難題。
[0008]目前，有關(guān)電壓源換流器的損耗計算主要還是針對開關(guān)型電壓源換流器，但開關(guān)型電壓源換流器的絕緣柵雙極型晶體管IGBT與續(xù)流二極管FWD中的電流與可控電壓源型電壓源換流器的絕緣柵雙極型晶體管IGBT與續(xù)流二極管FWD中的電流有著本質(zhì)的區(qū)別，因此，現(xiàn)有的有關(guān)開關(guān)型電壓源換流器的損耗計算方法不能適用于可控電壓源型電壓源換流器的損耗計算；針對可控電壓源型換流器的損耗計算已有一些研究成果，但幾乎都只采用了換流器的絕緣柵雙極型晶體管IGBT與續(xù)流二極管FWD中的平均電流，而未涉及到換流器的絕緣柵雙極型晶體管IGBT與續(xù)流二極管FWD中的有效電流。隨著柔性直流輸電工程快速推廣應用，對柔性直流換流器損耗的計算程序的研究有著重要的理論與工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中提到的換流器的損耗計算中沒有采用子模塊上半橋臂、下半橋臂的絕緣柵雙極型晶體管IGBT、續(xù)流二極管FWD中的有效電流的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于模塊化多電平電壓源型換流器的損耗確定方法，本發(fā)明能反映出子模塊中絕緣柵雙極型晶體管IGBT與續(xù)流二極管FWD的損耗與柔性直流輸電系統(tǒng)的調(diào)制因數(shù)、功率因素、有功傳輸功率等關(guān)系，將復雜問題直觀化。
[0010]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0011]本發(fā)明提供一種基于模塊化多電平電壓源型換流器的損耗確定方法，所述模塊化多電平電壓源型換流器由三相構(gòu)成，每相由串聯(lián)的結(jié)構(gòu)相同的上下兩橋臂構(gòu)成；上下兩橋臂的中點處連接模塊化多電平換流器的交流端；
[0012]所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和N個結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯(lián)后一端通過電抗器與模塊化多電平換流器的交流端連接；每個橋臂的子模塊級聯(lián)后另一端與另兩相橋臂的級聯(lián)的子模塊一端連接，形成模塊化多電平電壓源型換流器直流端的正負極母線；
[0013]其改進之處在于，所述方法包括下述步驟:
[0014]步驟1:確定單相電壓源型換流器的電流；
[0015]步驟2:確定電壓源型換流器的導通損耗；
[0016]步驟3:確定電壓源型換流器的開關(guān)損耗；
[0017]步驟4:確定電壓源型換流器三相總損耗。
[0018]進一步地，所述步驟I包括下述子步驟:
[0019]步驟1.1:確定電壓源型換流器的橋臂電流，表達式如下:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種基于模塊化多電平電壓源型換流器的損耗確定方法，所述模塊化多電平電壓源型換流器由三相構(gòu)成，每相由串聯(lián)的結(jié)構(gòu)相同的上下兩橋臂構(gòu)成；上下兩橋臂的中點處連接模塊化多電平換流器的交流端； 所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和N個結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯(lián)后一端通過電抗器與模塊化多電平換流器的交流端連接；每個橋臂的子模塊級聯(lián)后另一端與另兩相橋臂的級聯(lián)的子模塊一端連接，形成模塊化多電平電壓源型換流器直流端的正負極母線； 其特征在于，所述方法包括下述步驟: 步驟1:確定單相電壓源型換流器的電流； 步驟2:確定電壓源型換流器的導通損耗； 步驟3:確定電壓源型換流器的開關(guān)損耗； 步驟4:確定電壓源型換流器三相總損耗。
2.如權(quán)利要求1所述的損耗確定方法，其特征在于，所述步驟I包括下述子步驟: 步驟1.1:確定電壓源型換流器的橋臂電流，表達式如下:
3.如權(quán)利要求1所述的損耗確定方法，其特征在于，所述步驟2中，利用開關(guān)器件廠家提供的器件參數(shù)與步驟I中絕緣柵雙極型晶體管IGBT與續(xù)流二極管FWD的平均電流與有效電流，確定電壓源型換流器的導通損耗，包括: 在一個基波周期內(nèi)，上半橋臂、下半橋臂的絕緣柵雙極型晶體管IGBT和續(xù)流二極管FffD平均導通損耗分別為:
4.如權(quán)利要求1所述的損耗確定方法，其特征在于，所述步驟3包括下述子步驟: 步驟3.1:分別確定子模塊上半橋臂、下半橋臂中絕緣柵雙極型晶體管IGBT的開關(guān)損耗和續(xù)流二極管FWD的反向恢復損耗；
5.如權(quán)利要求1所述的損耗確定方法，其特征在于，所述步驟4中電壓源型換流器三相總損耗用下述表達式表示:
【文檔編號】H02M7/797GK103715935SQ201310624951
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】于鵬, 王海田, 湯廣福, 孔明, 楊杰, 馬巍巍, 夏方, 李小 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連供電公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 中電普瑞電力工程有限公司