基于數(shù)學(xué)模型的MMC閥損耗計(jì)算方法研究

劉蘇鋒，郝振莉

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004)

MMC閥損耗是評(píng)估其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)[1-2]。文獻(xiàn)[3]提出全橋型模塊化多電平換流器損耗簡(jiǎn)化計(jì)算模型，采用最佳電平逼近調(diào)制方法，分析MMC閥脈沖、電流及電壓影響快速閥損耗計(jì)算準(zhǔn)確性的因素，基于此，文章提出基于數(shù)學(xué)模型的MMC閥計(jì)算方法。分析了影響MMC閥損耗的關(guān)鍵類型，提出以GBT和二極管為主的損耗計(jì)算模型，引入溫度因素作用強(qiáng)度，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高計(jì)算精度。通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性，為實(shí)際應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 MMC換流器損耗分析

MMC在子模塊結(jié)構(gòu)及器件分布上存在較大不同。根據(jù)不同子模塊的拓?fù)浜蛽p耗占比情況，參考相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)通及反向恢復(fù)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(dǎo)致的損耗，此研究重點(diǎn)是對(duì)該類損耗的計(jì)算。

2 MMC閥損耗計(jì)算方法

2.1 MMC閥損耗計(jì)算模型

在接通和斷開瞬間易產(chǎn)生主要損耗，即GBT和二極管損耗。為計(jì)算平均開關(guān)損耗，采用單位時(shí)間累計(jì)開關(guān)能量損失的計(jì)算方法，計(jì)算開關(guān)損耗。因二極管的特性，導(dǎo)電損耗僅比其導(dǎo)電性導(dǎo)致的關(guān)斷損耗低2%。根據(jù)其開關(guān)能量與導(dǎo)通電流試驗(yàn)曲線，判斷二者之間不存在線性關(guān)系，而是具有一定的擬合關(guān)系，且器件開關(guān)能量與端口電壓之間呈近似相關(guān)性。

運(yùn)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(shù)。可以得出MMC換流閥穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，其損耗計(jì)算數(shù)學(xué)模型為：

PMMC-S=3(PSdown+PSup)

(3)

2.2 模型系數(shù)修正

由于MMC閥的各器件參數(shù)均與其溫度有關(guān)，運(yùn)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(guān)系，故以器件運(yùn)行時(shí)的溫度作為研究閥損耗的關(guān)鍵因素[5]。通常情況下，MMC閥供貨廠商會(huì)提供器件的標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線即25℃及器件額定運(yùn)行溫度曲線，對(duì)于器件參數(shù)與溫度變化之間的關(guān)系并未給出。基于此，采用線性插值方法，獲得器件參數(shù)與溫度的關(guān)系，以此對(duì)MMC閥損耗計(jì)算模型進(jìn)行參數(shù)修正，以提高計(jì)算精度。

IGBT 導(dǎo)通電壓、導(dǎo)通電阻與實(shí)際器件工作溫度T的關(guān)系可以表示為：

(4)

(5)

其中，U0和R0分別表示廠家提供的參數(shù)擬合表中標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃下的電壓和電阻參數(shù)。

由于器件運(yùn)行過程中，其損耗功率與溫度存在耦合關(guān)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(fā)能量，在此基礎(chǔ)上，可以得出參數(shù)修正后的MMC閥損耗為：

(6)

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證所提方法的有效性，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。為提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，分別采用文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]提出的損耗計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述試驗(yàn)環(huán)境下，在額定參數(shù)下分別采用三種方法對(duì)MMC閥的損耗情況進(jìn)行計(jì)算，并與MMC 電磁暫態(tài)仿真模型輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法損耗計(jì)算結(jié)果

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

對(duì)不同頻率和功率下的MMC閥損耗情況進(jìn)行分析。設(shè)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(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表1所示。

表1 不同運(yùn)行頻率下?lián)p耗計(jì)算與實(shí)際損耗的擬合度

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

4 結(jié)語

換流器損耗作為輸電工程參數(shù)設(shè)計(jì)及器件選擇的主要依據(jù)，快速準(zhǔn)確地降低閥損耗，對(duì)工程設(shè)計(jì)非常重要。提出了基于數(shù)學(xué)模型的MMC閥損耗計(jì)算方法，以期為該領(lǐng)域研究提供參考。