基于數學模型的MMC閥損耗計算方法研究

劉蘇鋒，郝振莉

(黃河水利職業技術學院，河南 開封 475004)

MMC閥損耗是評估其性能優劣的重要指標[1-2]。文獻[3]提出全橋型模塊化多電平換流器損耗簡化計算模型，采用最佳電平逼近調制方法，分析MMC閥脈沖、電流及電壓影響快速閥損耗計算準確性的因素，基于此，文章提出基于數學模型的MMC閥計算方法。分析了影響MMC閥損耗的關鍵類型，提出以GBT和二極管為主的損耗計算模型，引入溫度因素作用強度，對模型參數進行調整，提高計算精度。通過試驗，驗證了所提方法的有效性，為實際應用提供有價值的參考。

1 MMC換流器損耗分析

MMC在子模塊結構及器件分布上存在較大不同。根據不同子模塊的拓撲和損耗占比情況，參考相關國際標準，將 MMC 閥損耗分為主要損耗和其他損耗[4]。其中，主要損耗是由MMC 換流器主要器件導通及反向恢復引起的損耗，占整體損耗的90%以上。其他損耗是由于連接各器件之間的電路導致的損耗，此研究重點是對該類損耗的計算。

2 MMC閥損耗計算方法

2.1 MMC閥損耗計算模型

在接通和斷開瞬間易產生主要損耗，即GBT和二極管損耗。為計算平均開關損耗，采用單位時間累計開關能量損失的計算方法，計算開關損耗。因二極管的特性，導電損耗僅比其導電性導致的關斷損耗低2%。根據其開關能量與導通電流試驗曲線，判斷二者之間不存在線性關系，而是具有一定的擬合關系，且器件開關能量與端口電壓之間呈近似相關性。

運行過程中，每相閥損耗分為兩部分，即上橋臂子模塊損耗和下橋臂子模塊損耗，其分別表示為：

(1)

(2)

其中，κ1、κ2分別表示上下橋臂子模塊的損耗系數。可以得出MMC換流閥穩定運行狀態下，其損耗計算數學模型為：

PMMC-S=3(PSdown+PSup)

(3)

2.2 模型系數修正

由于MMC閥的各器件參數均與其溫度有關，運行過程中容易受到損耗功率的影響，溫度與損耗功率之間存在一定的熱路關系，故以器件運行時的溫度作為研究閥損耗的關鍵因素[5]。通常情況下，MMC閥供貨廠商會提供器件的標準溫度曲線即25℃及器件額定運行溫度曲線，對于器件參數與溫度變化之間的關系并未給出。基于此，采用線性插值方法，獲得器件參數與溫度的關系，以此對MMC閥損耗計算模型進行參數修正，以提高計算精度。

IGBT 導通電壓、導通電阻與實際器件工作溫度T的關系可以表示為：

(4)

(5)

其中，U0和R0分別表示廠家提供的參數擬合表中標準溫度25℃下的電壓和電阻參數。

由于器件運行過程中，其損耗功率與溫度存在耦合關系，需要繪制熱路圖，包括元器件、底板和散熱器。將MMC閥中的GBT和二極管安置在底板上，將底板與散熱器相連接，通過散熱器散發能量，在此基礎上，可以得出參數修正后的MMC閥損耗為：

(6)

3 試驗

3.1 試驗環境

為驗證所提方法的有效性，進行仿真試驗。為提高試驗結果的可靠性，分別采用文獻[2]和文獻[3]提出的損耗計算方法進行對比。

3.2 試驗結果與分析

在上述試驗環境下，在額定參數下分別采用三種方法對MMC閥的損耗情況進行計算，并與MMC 電磁暫態仿真模型輸出結果進行對比，結果如圖1所示。

圖1 不同方法損耗計算結果

圖1給出了利用三種計算所得的MMC閥平均損耗。由圖1可知，本文方法計算得到的損耗結果與實際損耗最為接近，誤差在0.05 MW以內，誤差率不超過10%。而文獻[2]和文獻[3]提出的損耗計算方法誤差都在10%以上，表明本文損耗計算方法具有較高的計算精度。

對不同頻率和功率下的MMC閥損耗情況進行分析。設置MMC閥無功功率為0，有功功率分別為-1.0 pu，0 pu，1.0 pu，采用三種方法進行計算，其結果如表1所示。

表1 不同運行頻率下損耗計算與實際損耗的擬合度

從表1可以看出，在交流功率值相同時，文章提出的MMC 損耗計算方法與實際損耗擬合度較高。從整體上看，此方法計算結果的擬合度始終在90%以上，這也與試驗結果相契合。文章提出的計算方法在對不同模塊損耗進行分別統計的同時，考慮了溫度因素對器件參數的影響，并將其插入到損耗計算過程中，提高了計算精度。

4 結語

換流器損耗作為輸電工程參數設計及器件選擇的主要依據，快速準確地降低閥損耗，對工程設計非常重要。提出了基于數學模型的MMC閥損耗計算方法，以期為該領域研究提供參考。