一種全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法技術

本發明專利技術是一種全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法，全橋型模塊化多電平換流器由六只橋臂組成，每兩只橋臂串聯形成一個相單元，每只橋臂由全橋型級聯子模塊和橋臂電抗器串聯組成，子模塊包括若干絕緣柵雙極型晶閘管及續流二極管以及電容，每只絕緣柵雙極型晶閘管與續流二極管反向并聯構成開關器件支路，每兩個開關器件支路級聯并與電容并聯，功率器件損耗計算方法包括以下步驟：1）獲得橋臂電流、當前環境工作溫度t及每個功率模塊中絕緣柵雙極型晶閘管的柵極電壓及通態損耗和二極管的通態損耗；2）根據功率器件開關損耗曲線進行高次曲線擬合，計算出各個絕緣柵雙極型晶閘管和二極管的開關損耗。本發明專利技術原理明確，計算結果正確可靠。

【技術實現步驟摘要】
一種全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法
本專利技術涉及一種全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法，屬于輸配電

技術介紹
柔性直流輸電技術是采用全控型電力電子器件的新一代直流輸電技術。相對于常規直流輸電技術而言，因采用了先進的大功率電力電子器件組成的電壓源換流器，可依據電網需要，靈活快捷地改變電能輸送的大小和方向，并提供更優質的電能質量。基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術將是未來高壓直流輸電的發展方向，輸出諧波少、能獨立控制有功無功，可增強電網安全穩定性，在新能源入網、電網互聯等方面具有巨大的應用潛力。目前柔性直流輸電工程中使用的模塊化多電平換流器，其功率模塊均為半橋結構，該結構不具備阻斷直流故障的能力，需搭配直流斷路器(仍處于研發階段)才能用于遠距離架空線路直流輸電。基于全橋結構功率模塊的多電平換流器尚為在柔性直流輸電工程中應用，目前是研究的熱點之一，也是未來遠距離柔性直流輸電換流器可采用的重要拓撲之一。針對高電壓、大容量、遠距離的柔性直流輸電工程，全橋型模塊化多電平換流器每個橋臂上需要級聯數量巨大的功率模塊，單個功率模塊中通常包含8個以上的功率器件，且不同子模塊中的功率器件狀態往往是相互獨立的，如此多的功率器件在導通和關斷的過程中將產生較大的損耗。因此，全橋型模塊化多電平換流器功率器件的損耗特性研究也成為柔性直流輸電技術的重要研究內容之一，現有的損耗計算方法大都針對兩電平電壓源換流器、三電平電壓源換流器、半橋型模塊化多電平換流器損耗，全橋型模塊化多電平換流器損耗計算的研究非常少。與半橋型換流器相比，全橋型拓撲的功率模塊結構及運行方式都存在一定的差異，現有的半橋型模塊化多電平換流器損耗計算方法只有一部分能運用到全橋型模塊化多電平換流器的損耗計算中。
技術實現思路
本專利技術提出一種原理明確，計算結果正確可靠，方便實用的全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法。本專利技術的全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法，所述全橋型模塊化多電平換流器由A、B、C三相共六只橋臂組成，每兩只橋臂串聯形成一個相單元，每只橋臂由全橋型級聯子模塊和橋臂電抗器L串聯組成，其中子模塊包括有絕緣柵雙極型晶閘管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，續流二極管VD1、VD2、VD3、VD4以及電容，每只絕緣柵雙極型晶閘管IGBT與一只續流二極管反向并聯構成一個開關器件支路，每兩個開關器件支路級聯并與電容相并聯，該功率器件損耗計算方法包括以下步驟：1)通過測量獲得A、B、C三相上下橋臂電流、當前環境的工作溫度t、以及每個功率模塊中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4的柵極電壓VGE，采用曲線擬合，擬合出IGBT的輸出特性曲線VCE＝g(IC)及轉移特性曲線IC＝f(VGE)，以及二極管的導通特性曲線VD＝g(IF)，再引入插值、占空比、結溫系數等，計算出各個IGBT和二極管的通態損耗；2)根據功率器件開關損耗曲線進行高次曲線擬合，得到EswT＝g(IC)及EswD＝g(IF)，另外，由于門極電阻RG變化時，功率器件的開關損耗會產生相應的變化，故引入門極電阻校正系數，再結合結溫系數及開關頻率，計算出各個IGBT和二極管的開關損耗。上述步驟1)中，引入柵極電壓VGE計算IGBT的通態損耗，根據擬合所得轉移特性曲線IC＝f(VGE)，計算IGBT的通態電壓VCE＝g[f(VGE)]和通態電阻RT＝VCE/IC＝g[f(VGE)]/IC。上述步驟2)中，引入柵極電壓VGE計算IGBT的開關損耗，根據曲線擬合所得EswT＝g(IC)及步驟1)中所得轉移特性曲線IC＝f(VGE)，得到EswT＝g[f(VGE)]。上述步驟2)中，引入IGBT的門極電阻修正系數θswT，根據IGBT的生產說明書，查得曲線Eon-RG和Eoff-RG，選取曲線中可查得的門極電阻最大值RG1及額定工況下的門極電阻值RG2分別對應的Eon1和Eon2，以及Eoff1和Eoff2，從而得出相應的EswTR1＝Eon1+Eoff1，和EswTR2＝Eon2+Eoff2，結合當前的RG，插值得出修正系數θswT，計算公式為本專利技術提出了一種基于橋臂電流、柵極電壓和門極電阻的全橋型模塊化多電平換流器功率器件通態損耗和開關損耗的計算方法，本專利技術的方法根據功率器件絕緣柵雙極型晶閘管IGBT的輸出特性與轉移特性，采用曲線擬合與插值的方式，引入門極電阻校正系數和結溫系數，實現全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗的仿真計算。本專利技術方法的原理明確，計算結果正確可靠。附圖說明圖1是全橋型模塊化多電平換流器的電路結構；圖2為圖1中功率模塊的電路結構圖；圖3是IGBT通態電壓和通態電阻生成原理圖；圖4是二極管通態電壓和通態電阻生成原理圖；圖5是功率器件通態損耗計算流程圖；圖6是功率器件開關損耗計算流程圖；圖7是全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算原理圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細說明。本專利技術的全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法，所述全橋型模塊化多電平換流器的電路結構如圖1所示，A、B、C三相每相由上下兩只橋臂串聯而成，每只橋臂由若干個級聯的功率模塊以及橋臂電抗L串聯組成。其中功率模塊的結構如圖2所示，包括有絕緣柵雙極型晶閘管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，二極管VD1、VD2、VD3、VD4以及電容C，每只絕緣柵雙極型晶閘管IGBT與一只二極管反向并聯構成一個開關器件支路，每兩個開關器件支路級聯并與電容C相并聯，其特征在該損耗計算方法包括以下步驟：1)通過測量獲得A、B、C三相上下橋臂電流、當前環境的工作溫度t、以及每個功率模塊中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4的柵極電壓VGE，采用曲線擬合，擬合出IGBT的輸出特性曲線VCE＝g(IC)及轉移特性曲線IC＝f(VGE)，以及二極管的導通特性曲線VD＝g(IF)，再引入插值、占空比、結溫系數等，計算出各個IGBT和二極管的通態損耗；2)根據功率器件開關損耗曲線，在MATLAB中進行高次曲線擬合，得到EswT＝g(IC)及EswD＝g(IF)，另外，由于門極電阻RG變化時，功率器件的開關損耗會產生相應的變化，故引入門極電阻校正系數，再結合結溫系數及開關頻率，計算出各個IGBT和二極管的開關損耗。上述步驟1)具體包括以下步驟：11)由于IGBT的通態電壓VCE和柵極電壓VGE隨集電極電流IC的變化而變化，需根據IGBT的生產說明書，通過描點法在MATLAB中高次擬合出IGBT的輸出特性曲線：VCE＝g(IC)＝amICm+am-1ICm-1+am-2ICm-2+am-3ICm-3+......+a0：及轉移特性曲線：IC＝f(VGE)＝bnVGEn+bn-1VGEn-1+bn-2VGEn-2+bn-3VGEn-3+......+b0，其中，m和n為高次擬合的次數；am、am-1……a0，bn、bn-1……b0為各次擬合系數；從而得到VCE＝g[f(VGE)]；進而得到IGBT的通態電阻RT＝VCE/IC＝g[f(VGE)]/IC；IGBT通態電壓和通態電阻生成的原理如圖3所示。12)由于二極管的通態電壓VD隨電流IF的變化而變化，需本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法，所述全橋型模塊化多電平換流器由A、B、C三相共六只橋臂組成，每兩只橋臂串聯形成一個相單元，每只橋臂由全橋型級聯子模塊和橋臂電抗器L串聯組成，其中子模塊包括有絕緣柵雙極型晶閘管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，續流二極管VD1、VD2、VD3、VD4以及電容，每只絕緣柵雙極型晶閘管IGBT與一只續流二極管反向并聯構成一個開關器件支路，每兩個開關器件支路級聯并與電容相并聯，其特征在于該功率器件損耗計算方法包括以下步驟：1)通過測量獲得A、B、C三相上下橋臂電流、當前環境的工作溫度t、以及每個功率模塊中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4的柵極電壓VGE，采用曲線擬合，擬合出IGBT的輸出特性曲線VCE＝g(IC)及轉移特性曲線IC＝f(VGE)，以及二極管的導通特性曲線VD＝g(IF)，再引入插值、占空比、結溫系數等，計算出各個IGBT和二極管的通態損耗；2)根據功率器件開關損耗曲線進行高次曲線擬合，得到EswT＝g(IC)及EswD＝g(IF)，另外，由于門極電阻RG變化時，功率器件的開關損耗會產生相應的變化，故引入門極電阻校正系數，再結合結溫系數及開關頻率，計算出各個IGBT和二極管的開關損耗。...

【技術特征摘要】
1.一種全橋型模塊化多電平換流器功率器件損耗計算方法，所述全橋型模塊化多電平換流器由A、B、C三相共六只橋臂組成，每兩只橋臂串聯形成一個相單元，每只橋臂由全橋型級聯子模塊和橋臂電抗器L串聯組成，其中子模塊包括有絕緣柵雙極型晶閘管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，續流二極管VD1、VD2、VD3、VD4以及電容，每只絕緣柵雙極型晶閘管IGBT與一只續流二極管反向并聯構成一個開關器件支路，每兩個開關器件支路級聯并與電容相并聯，其特征在于該功率器件損耗計算方法包括以下步驟：1)通過測量獲得A、B、C三相上下橋臂電流、當前環境的工作溫度t、以及每個功率模塊中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4的柵極電壓VGE，采用曲線擬合，擬合出IGBT的輸出特性曲線VCE＝g(IC)及轉移特性曲線IC＝f(VGE)，以及二極管的導通特性曲線VD＝g(IF)，再引入插值、占空比、結溫系數等，計算出各個IGBT和二極管的通態損耗；2)根據功率器件開關損耗曲線進行高次曲線擬合，得到EswT＝g(IC)及EswD＝g(IF)，另外，由于門極電阻RG變化時，功率器件的開關損耗會產生相應的變化，故引入門極電阻校正系數，再結合結溫系數及開關頻率，計算出各個IGBT和二極管的開關損耗；上述步驟2)中，引入IGBT的門極電阻修正系數θswT，根據IGBT的生產說明書，查得曲線Eon-RG和Eoff-RG，選取曲線中可查得的門極電阻最大值RG1及額定工況下的門極電阻值RG2分別對應的Eon1和Eon2，以及Eoff1和Eoff2，從而得出相應的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊柳，羅雨，侯婷，黎小林，許樹楷，
申請(專利權)人：中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心，南方電網科學研究院有限責任公司，
類型：發明
國別省市：廣東;44