模塊化多電平換流器損耗特性研究

劉利淵，史海麗

(1．東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012;2．東北電力大學信息工程學院，吉林 吉林 132012)

柔性直流輸電系統作為直流輸電的一種新技術，具有易實現有功無功快速獨立控制、方便快捷潮流翻轉、向無源系統供電、諧波水平低等優點，在電力系統中有著廣闊的應用前景。但其相對的較高功率損耗是應用于大容量功率傳輸的主要障礙之一，損耗占比中，換流器損耗是最重要的組成成分。目前，模塊化多電平換流器(MMC)典型的調制方式是載波移相調制方式［1－5］。因此，對典型調制方式下模塊化多電平換流器的損耗進行準確估算及詳細分析，對于尋找合適有效的降損方法及整體的系統設計有著重要的意義。

本文對MMC損耗進行理論分析，采用曲線擬合理論對廠商提供的參數及特性曲線進行預處理，在考慮結溫、死區時間、驅動電阻等影響因素下，討論損耗組成與計算方法。同時，通過MATLAB編程及算例，對換流器損耗進行了量化分析。

1 MMC損耗的構成

三相結構MMC的主電路拓撲如圖1所示，一個換流器有6個橋臂，每個橋臂均由n個相同結構的子模塊(SM)和1個閥電抗器L串聯組成，每個子模塊由2個IGBT、2個續流二極管和1個電容器組成。換流器功率損耗主要由IGBT及其反并聯的二極管造成，主要包括:IGBT的通態損耗Pcon_T、開關損耗Psw_T、二極管的通態損耗Pcon_D及反向恢復損耗Prec_D。二極管的開關損耗、驅動回路損耗在總的損耗中占比很少，可以忽略不計［6］。由此，MMC的總損耗可以表示為

式中:n為MMC每個橋臂的子模塊個數;PTtot為子模塊中IGBT的總損耗;PDtot為子模塊中續流二極管的總損耗。

2 MMC損耗計算

2.1 MMC各器件通態損耗

圖1 三相結構MMC的主電路拓撲Fig.1 Main circuit topology of three-phase MMC structure

IGBT和二極管的通態損耗由工作電流流過各器件時的正向導通壓降和導通電阻引起，取決于各器件的有效電流和功率因數。因此，任意器件的通態損耗可以表示為

式中:T0為工頻周期;Ton為各器件在一個工頻周期里的有效導通時間;u(t)為工作電流是i(t)時各器件的導通壓降;τ(t)為脈沖函數。

對廠商提供的器件電壓飽和特性曲線進行二次多項式擬合，可以得到通態壓降和工作電流的關系為

式中A、B、C為擬合系數，是與結溫有關的參數，可以通過插值法得到［7－8］。

載波移相SPWM調制是通過N條同頻率、等幅值、相位依次相差360°/N的三角載波與調制波比較后，產生觸發信號來對應各子模塊的開關狀態和輸出電平，是MMC的典型調制方式之一。在該調制方式下，a相上橋臂第i個子模塊(1≤i≤n)各器件的脈沖函數可以表示為［9－12］

式中:k為電壓調制比，k=Uam/(Udc/2)，其中Uam為MMC輸出交流電壓峰值;λ為載波移相角度，λ=TS/n;td為死區時間;TS為開關周期。

綜上，結合器件導通規律，以a相上橋臂第i個子模塊中T1為例，通態損耗可表示為

同理，可得到T2、D1、D2的通態損耗Pcon_T2、Pcon_D1、Pcon_D2 。

2.2 MMC各器件開關損耗

IGBT的每次開通和關斷都伴隨著功率的損耗，且相應的二極管關斷時也會產生反向恢復損耗。由器件廠商提供的用戶手冊可以得到在額定電壓uref和額定電流iref時IGBT的開通損耗Eon、關斷損耗Eoff以及二極管的反向恢復損耗Erec，因此，以a相上橋臂第i個子模塊中T1、D1為例，一個工頻周期里的損耗可表示為

式中:fs為開關頻率;為工作電壓有效值;Ia為工作電流有效值。

同理，可得到T2、D2的開關損耗Psw_T2和反向恢復損耗Prec_D2。綜合考慮結溫、驅動電阻對開關損耗的影響，引入溫度系數和驅動電阻系數，分別用插值法和一次函數擬合得到

式中:Esw1、Esw2為IGBT額定電壓、額定電流下結溫125°和25°時的開關損耗;Erec1、Erec2為相應條件下的反向恢復損耗。

綜上，a相上橋臂第i個子模塊中IGBT的開關損耗和二極管的反向恢復損耗可表示為

2.3MMC的總損耗

由以上討論分析可知，MMC中a相上橋臂第i個子模塊的總損耗可表示為

3 算例分析

算例參數:MMC額定容量200 MVA;直流側額定電壓150 kV;子模塊額定電壓1500 V;每個橋臂串聯子模塊數量100;IGBT類型CM800HC_66H;開關頻率300 Hz;功率因數0.95;死區時間5;驅動電阻 3.8 Ω;結溫 90°。

基于上述參數，編寫MATLAB程序來計算該參數下MMC的損耗，結果如表1所示。

表1 MMC損耗計算結果Tab.1 Calculation results of MMC loss

從表1可以看出:二極管通態損耗和IGBT損耗是MMC損耗的主要來源，特別是二極管通態損耗占總損耗約50%，MMC的損耗率約為1%左右。下面分析各因素對MMC損耗的影響。

1)傳輸功率對MMC損耗的影響。可以用換流器傳輸效率形象描述傳輸功率對MMC損耗的影響，如圖2所示。

圖2 傳輸功率對換流器傳輸效率的影響曲線Fig.2 Effect of transmission power on converter transmission efficiency

隨傳輸功率的增加，換流器效率先增加后降低，在160 MW附近取得極值，這表明MMC損耗隨傳輸功率的增加，先降低后增加，在極值點處損耗最小。

2)功率因數對MMC損耗的影響。功率因數的變化反映MMC運行狀態的變化，功率因數小于零，MMC處于整流狀態，大于零，MMC處于逆變狀態，如圖3所示。

整流運行中，二極管的損耗占據主要部分，隨功率因數的增大，二極管損耗增加，IGBT損耗減小，MMC總損耗增大;逆變運行中，IGBT部分的損耗占主要部分，隨功率因數的增大，IGBT損耗增加，二極管損耗減小，MMC總損耗減小。

圖3 功率因數對換流器功率損耗的影響曲線Fig.3 Effect of power factor on converter power loss

3)開關頻率對MMC損耗的影響。在其他條件不變的情況下，MMC損耗隨開關頻率變化的曲線如圖4所示。

圖4 開關頻率對換流器功率損耗的影響曲線Fig．4 Effect of switching frequency on converter power loss

由圖4可知，隨開關頻率的增加，二極管損耗和IGBT損耗都有不同程度的增加，MMC總損耗增大。

4 結語

對MMC損耗的構成做了理論分析，提出了一種計算MMC損耗的方法，而且根據廠商提供的參數和特性曲線易獲得初始參數，簡單實用。通過算例給出的參數編寫了相應的MATLAB程序，計算了MMC的損耗。結果表明:MMC的損耗主要來源是二極管通態損耗和IGBT損耗，特別是二極管通態損耗占總損耗約50%。同時，也分析了不同因素對MMC損耗的影響特性，對于進一步尋找合適有效的降損方法及整體的系統設計有著重要的意義。

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