模块化多电平换流器损耗特性研究

刘利渊，史海丽

(1．东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012;2．东北电力大学信息工程学院，吉林 吉林 132012)

柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技术，具有易实现有功无功快速独立控制、方便快捷潮流翻转、向无源系统供电、谐波水平低等优点，在电力系统中有着广阔的应用前景。但其相对的较高功率损耗是应用于大容量功率传输的主要障碍之一，损耗占比中，换流器损耗是最重要的组成成分。目前，模块化多电平换流器(MMC)典型的调制方式是载波移相调制方式［1－5］。因此，对典型调制方式下模块化多电平换流器的损耗进行准确估算及详细分析，对于寻找合适有效的降损方法及整体的系统设计有着重要的意义。

本文对MMC损耗进行理论分析，采用曲线拟合理论对厂商提供的参数及特性曲线进行预处理，在考虑结温、死区时间、驱动电阻等影响因素下，讨论损耗组成与计算方法。同时，通过MATLAB编程及算例，对换流器损耗进行了量化分析。

1 MMC损耗的构成

三相结构MMC的主电路拓扑如图1所示，一个换流器有6个桥臂，每个桥臂均由n个相同结构的子模块(SM)和1个阀电抗器L串联组成，每个子模块由2个IGBT、2个续流二极管和1个电容器组成。换流器功率损耗主要由IGBT及其反并联的二极管造成，主要包括:IGBT的通态损耗Pcon_T、开关损耗Psw_T、二极管的通态损耗Pcon_D及反向恢复损耗Prec_D。二极管的开关损耗、驱动回路损耗在总的损耗中占比很少，可以忽略不计［6］。由此，MMC的总损耗可以表示为

式中:n为MMC每个桥臂的子模块个数;PTtot为子模块中IGBT的总损耗;PDtot为子模块中续流二极管的总损耗。

2 MMC损耗计算

2.1 MMC各器件通态损耗

图1 三相结构MMC的主电路拓扑Fig.1 Main circuit topology of three-phase MMC structure

IGBT和二极管的通态损耗由工作电流流过各器件时的正向导通压降和导通电阻引起，取决于各器件的有效电流和功率因数。因此，任意器件的通态损耗可以表示为

式中:T0为工频周期;Ton为各器件在一个工频周期里的有效导通时间;u(t)为工作电流是i(t)时各器件的导通压降;τ(t)为脉冲函数。

对厂商提供的器件电压饱和特性曲线进行二次多项式拟合，可以得到通态压降和工作电流的关系为

式中A、B、C为拟合系数，是与结温有关的参数，可以通过插值法得到［7－8］。

载波移相SPWM调制是通过N条同频率、等幅值、相位依次相差360°/N的三角载波与调制波比较后，产生触发信号来对应各子模块的开关状态和输出电平，是MMC的典型调制方式之一。在该调制方式下，a相上桥臂第i个子模块(1≤i≤n)各器件的脉冲函数可以表示为［9－12］

式中:k为电压调制比，k=Uam/(Udc/2)，其中Uam为MMC输出交流电压峰值;λ为载波移相角度，λ=TS/n;td为死区时间;TS为开关周期。

综上，结合器件导通规律，以a相上桥臂第i个子模块中T1为例，通态损耗可表示为

同理，可得到T2、D1、D2的通态损耗Pcon_T2、Pcon_D1、Pcon_D2 。

2.2 MMC各器件开关损耗

IGBT的每次开通和关断都伴随着功率的损耗，且相应的二极管关断时也会产生反向恢复损耗。由器件厂商提供的用户手册可以得到在额定电压uref和额定电流iref时IGBT的开通损耗Eon、关断损耗Eoff以及二极管的反向恢复损耗Erec，因此，以a相上桥臂第i个子模块中T1、D1为例，一个工频周期里的损耗可表示为

式中:fs为开关频率;为工作电压有效值;Ia为工作电流有效值。

同理，可得到T2、D2的开关损耗Psw_T2和反向恢复损耗Prec_D2。综合考虑结温、驱动电阻对开关损耗的影响，引入温度系数和驱动电阻系数，分别用插值法和一次函数拟合得到

式中:Esw1、Esw2为IGBT额定电压、额定电流下结温125°和25°时的开关损耗;Erec1、Erec2为相应条件下的反向恢复损耗。

综上，a相上桥臂第i个子模块中IGBT的开关损耗和二极管的反向恢复损耗可表示为

2.3MMC的总损耗

由以上讨论分析可知，MMC中a相上桥臂第i个子模块的总损耗可表示为

3 算例分析

算例参数:MMC额定容量200 MVA;直流侧额定电压150 kV;子模块额定电压1500 V;每个桥臂串联子模块数量100;IGBT类型CM800HC_66H;开关频率300 Hz;功率因数0.95;死区时间5;驱动电阻 3.8 Ω;结温 90°。

基于上述参数，编写MATLAB程序来计算该参数下MMC的损耗，结果如表1所示。

表1 MMC损耗计算结果Tab.1 Calculation results of MMC loss

从表1可以看出:二极管通态损耗和IGBT损耗是MMC损耗的主要来源，特别是二极管通态损耗占总损耗约50%，MMC的损耗率约为1%左右。下面分析各因素对MMC损耗的影响。

1)传输功率对MMC损耗的影响。可以用换流器传输效率形象描述传输功率对MMC损耗的影响，如图2所示。

图2 传输功率对换流器传输效率的影响曲线Fig.2 Effect of transmission power on converter transmission efficiency

随传输功率的增加，换流器效率先增加后降低，在160 MW附近取得极值，这表明MMC损耗随传输功率的增加，先降低后增加，在极值点处损耗最小。

2)功率因数对MMC损耗的影响。功率因数的变化反映MMC运行状态的变化，功率因数小于零，MMC处于整流状态，大于零，MMC处于逆变状态，如图3所示。

整流运行中，二极管的损耗占据主要部分，随功率因数的增大，二极管损耗增加，IGBT损耗减小，MMC总损耗增大;逆变运行中，IGBT部分的损耗占主要部分，随功率因数的增大，IGBT损耗增加，二极管损耗减小，MMC总损耗减小。

图3 功率因数对换流器功率损耗的影响曲线Fig.3 Effect of power factor on converter power loss

3)开关频率对MMC损耗的影响。在其他条件不变的情况下，MMC损耗随开关频率变化的曲线如图4所示。

图4 开关频率对换流器功率损耗的影响曲线Fig．4 Effect of switching frequency on converter power loss

由图4可知，随开关频率的增加，二极管损耗和IGBT损耗都有不同程度的增加，MMC总损耗增大。

4 结语

对MMC损耗的构成做了理论分析，提出了一种计算MMC损耗的方法，而且根据厂商提供的参数和特性曲线易获得初始参数，简单实用。通过算例给出的参数编写了相应的MATLAB程序，计算了MMC的损耗。结果表明:MMC的损耗主要来源是二极管通态损耗和IGBT损耗，特别是二极管通态损耗占总损耗约50%。同时，也分析了不同因素对MMC损耗的影响特性，对于进一步寻找合适有效的降损方法及整体的系统设计有着重要的意义。

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