基于数学模型的MMC阀损耗计算方法研究

刘苏锋，郝振莉

(黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004)

MMC阀损耗是评估其性能优劣的重要指标[1-2]。文献[3]提出全桥型模块化多电平换流器损耗简化计算模型，采用最佳电平逼近调制方法，分析MMC阀脉冲、电流及电压影响快速阀损耗计算准确性的因素，基于此，文章提出基于数学模型的MMC阀计算方法。分析了影响MMC阀损耗的关键类型，提出以GBT和二极管为主的损耗计算模型，引入温度因素作用强度，对模型参数进行调整，提高计算精度。通过试验，验证了所提方法的有效性，为实际应用提供有价值的参考。

1 MMC换流器损耗分析

MMC在子模块结构及器件分布上存在较大不同。根据不同子模块的拓扑和损耗占比情况，参考相关国际标准，将 MMC 阀损耗分为主要损耗和其他损耗[4]。其中，主要损耗是由MMC 换流器主要器件导通及反向恢复引起的损耗，占整体损耗的90%以上。其他损耗是由于连接各器件之间的电路导致的损耗，此研究重点是对该类损耗的计算。

2 MMC阀损耗计算方法

2.1 MMC阀损耗计算模型

在接通和断开瞬间易产生主要损耗，即GBT和二极管损耗。为计算平均开关损耗，采用单位时间累计开关能量损失的计算方法，计算开关损耗。因二极管的特性，导电损耗仅比其导电性导致的关断损耗低2%。根据其开关能量与导通电流试验曲线，判断二者之间不存在线性关系，而是具有一定的拟合关系，且器件开关能量与端口电压之间呈近似相关性。

运行过程中，每相阀损耗分为两部分，即上桥臂子模块损耗和下桥臂子模块损耗，其分别表示为：

(1)

(2)

其中，κ1、κ2分别表示上下桥臂子模块的损耗系数。可以得出MMC换流阀稳定运行状态下，其损耗计算数学模型为：

PMMC-S=3(PSdown+PSup)

(3)

2.2 模型系数修正

由于MMC阀的各器件参数均与其温度有关，运行过程中容易受到损耗功率的影响，温度与损耗功率之间存在一定的热路关系，故以器件运行时的温度作为研究阀损耗的关键因素[5]。通常情况下，MMC阀供货厂商会提供器件的标准温度曲线即25℃及器件额定运行温度曲线，对于器件参数与温度变化之间的关系并未给出。基于此，采用线性插值方法，获得器件参数与温度的关系，以此对MMC阀损耗计算模型进行参数修正，以提高计算精度。

IGBT 导通电压、导通电阻与实际器件工作温度T的关系可以表示为：

(4)

(5)

其中，U0和R0分别表示厂家提供的参数拟合表中标准温度25℃下的电压和电阻参数。

由于器件运行过程中，其损耗功率与温度存在耦合关系，需要绘制热路图，包括元器件、底板和散热器。将MMC阀中的GBT和二极管安置在底板上，将底板与散热器相连接，通过散热器散发能量，在此基础上，可以得出参数修正后的MMC阀损耗为：

(6)

3 试验

3.1 试验环境

为验证所提方法的有效性，进行仿真试验。为提高试验结果的可靠性，分别采用文献[2]和文献[3]提出的损耗计算方法进行对比。

3.2 试验结果与分析

在上述试验环境下，在额定参数下分别采用三种方法对MMC阀的损耗情况进行计算，并与MMC 电磁暂态仿真模型输出结果进行对比，结果如图1所示。

图1 不同方法损耗计算结果

图1给出了利用三种计算所得的MMC阀平均损耗。由图1可知，本文方法计算得到的损耗结果与实际损耗最为接近，误差在0.05 MW以内，误差率不超过10%。而文献[2]和文献[3]提出的损耗计算方法误差都在10%以上，表明本文损耗计算方法具有较高的计算精度。

对不同频率和功率下的MMC阀损耗情况进行分析。设置MMC阀无功功率为0，有功功率分别为-1.0 pu，0 pu，1.0 pu，采用三种方法进行计算，其结果如表1所示。

表1 不同运行频率下损耗计算与实际损耗的拟合度

从表1可以看出，在交流功率值相同时，文章提出的MMC 损耗计算方法与实际损耗拟合度较高。从整体上看，此方法计算结果的拟合度始终在90%以上，这也与试验结果相契合。文章提出的计算方法在对不同模块损耗进行分别统计的同时，考虑了温度因素对器件参数的影响，并将其插入到损耗计算过程中，提高了计算精度。

4 结语

换流器损耗作为输电工程参数设计及器件选择的主要依据，快速准确地降低阀损耗，对工程设计非常重要。提出了基于数学模型的MMC阀损耗计算方法，以期为该领域研究提供参考。