CN105811771B - 一种基于mmc隔离型dc/dc变换器开关损耗的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MMC隔离型DC/DC变换器开关损耗的确定方法，该方法包括：对MMC中子模块功率器件的开关损耗特性曲线进行参数拟合；利用插值法计算工作结温下子模块功率器件的开关损耗能量；确定单个功率器件的平均开关损耗；确定MMC‑DC/AC/DC变换器交流周期内开关损耗类型的分布；确定输入端MMC换流器单相上、下桥臂的平均开关损耗；确定MMC‑DC/AC/DC变换器所有功率器件的开关损耗，本发明提供的技术方案采用开关损耗等效置换的方法，有效求解出基于模块化多电平换流器的隔离型DC/DC变换器开关损耗的解析表达式，公开了一种MMC‑DC/DC变换器开关损耗的数值计算方法。有助于MMC‑DC/DC变换器开关损耗的定量分析，便于***参数优化设计程序的实现与集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关损耗的确定方法，具体涉及一种基于MMC隔离型DC/DC变换器开关损耗的确定方法。
背景技术
传统能源的短缺和环境的日益恶化，极大推动了绿色可再生能源等清洁能源的开发与利用。但受限于局部电力***的消纳能力，大部分可再生能源未得到有效利用，甚至出现“弃风”、“弃光”现象，急需开展风、光电力大规模、高效率、安全外送研究。基于常规直流及柔性直流的直流电网技术是解决这一现状的有效技术手段之一。而阻碍直流电网形成的主要因素之一是高压大容量DC/DC变换器的缺失，使得各个电压等级不同的直流输电线路不能直接相连而形成大规模的直流输电***。目前，DC/DC变换器技术的研究主要集中在中小功率中低压电压等级，随着直流线路的不断建设以及直流电网需求的日益迫切，高压大容量DC/DC变换器技术亟待解决。
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的隔离型高压大容量DC/DC变换器由于其诸多优点成为了研究热点，该拓扑由两个MMC换流器经隔离变压器相连组成，如图1所式。输入和输出端的MMC换流器桥臂均采用子模块串联的方式，如图2所示，有效缓解了高压场合下大量功率器件直接串联所面临的驱动一致性和均压等硬性要求。该DC/DC变换器控制灵活，无需硬件电路和控制策略的改变即可实现能量的双向流动。输入输出侧通过隔离变压器进行电气隔离，有效防止***故障的蔓延。隔离变压器可工作在500Hz到1kHz，随着工作频率的上升，变换器中电容、电感等无源器件体积减小，但IGBT等功率器件的损耗上升，因此在***损耗和体积折中优化设计中MMC-DC/AC/DC变换器的损耗深入研究必不可少。
功率器件的损耗由通态损耗和开关损耗组成，其损耗的评估方法可分为试验检测、物理建模和数学分析三类。试验检测方法只适用于低压小功率场合，物理建模的方法要基于大量的器件制造参数，难以获得。目前MMC换流器损耗研究均采用数学分析法，根据制造厂商提供的一些器件特性参数，拟合功率器件的特性函数，进而开展基于功率器件平均电流和有效电流的损耗估算或在线损耗计算，均无法简单得到MMC开关损耗与电压调制度、桥臂子模块数量、变压器工作频率和有功传输功率等的定量关系，不便于进行开关损耗的定量分析与***优化设计。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于MMC隔离型DC/DC变换器开关损耗的确定方法，本发明采用开关损耗等效置换的方法，有效求解出基于模块化多电平换流器的隔离型DC/DC变换器开关损耗的解析表达式，公开了一种MMC-DC/DC变换器开关损耗的数值计算方法。有助于MMC-DC/DC变换器开关损耗的定量分析，便于***参数优化设计程序的实现与集成。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于MMC隔离型DC/DC变换器开关损耗的确定方法，所述隔离型DC/DC变换器包括隔离变压器及其两端连接的MMC；两个MMC均接入直流***中；模块化多电平换流器MMC由三相构成，每相由串联的结构相同的上、下两桥臂构成；上、下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；
所述上、下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成模块化多电平电压源型换流器直流端的正负极母线；所述子模块由半桥与其并联的电容器支路构成，所述半桥由上桥臂和下桥臂构成，所述上桥臂和下桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的续流二极管FWD组成；
其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
步骤1：对MMC中子模块功率器件的开关损耗特性曲线进行参数拟合；
步骤2：利用插值法计算工作结温下子模块功率器件的开关损耗能量；
步骤3：确定单个功率器件的平均开关损耗；
步骤4：确定MMC-DC/AC/DC变换器交流周期内开关损耗类型的分布；
步骤5：确定输入端MMC换流器单相上、下桥臂的平均开关损耗；
步骤6：确定MMC-DC/AC/DC变换器所有功率器件的开关损耗。
进一步地，所述步骤1中，针对子模块中的功率器件开关损耗特性曲线，采用如下式(1)的二次多项式来拟合并提取开关损耗特性参数，求取在给定通态电流下一次开关动作的能量损耗：
其中：Esw_k表示结温为k℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗(Eon，Eoff或Erec)；idev表示流过功率器件的电流，对于IGBT为集电极电流iC，对于二极管为正向电流iF；asw_k、bsw_k、csw_k分别是通过25℃和125℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_k、bon_k、con_k，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_k、boff_k、coff_k，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到arec_k、brec_k、crec_k。
进一步地，所述步骤2中，根据25℃和125℃子模块中功率器件的能耗曲线拟合结果，利用插值法计算工作结温Tj℃下子模块中功率器件的开关损耗能量，如下式(2)所示；将式(1)带入式(2)进行化简，得到式(3)-(6)：
其中：EswTj表示结温为Tj℃下子模块中功率器件的开关损耗能量；aswTj、bswTj、cswTj分别为结温为Tj℃下子模块中功率器件的开关损耗表达式中的参数；Esw_125表示结温为125℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗；Esw_25表示结温为25℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗；asw_125、bsw_125、csw_125表示通过125℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_125、bon_125、con_125，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_125、boff_125、coff_125，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到arec_125、brec_125、crec_125；asw_25、bsw_25、csw_25表示通过25℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_25、bpn_25、con_25，，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_25、boff_25、coff_25，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到arec_25、brec_25、crec_25。
进一步地，所述步骤3中，根据子模块中功率器件的开通和关断的次数将相应的开关损耗能量进行累加，对其进行时间平均，即可获得各部分的平均开关损耗；子模块中IGBTT1的开通损耗PT1on和关断损耗PT1off以及二极管D1的反向阻断损耗PD1rec的计算公式如下：
其中：udc为子模块电容电压；vceref为厂家提供的用以计算开关损耗的参考电压基准值；EonTju为IGBT T1在工作结温Tj℃下第u次开通产生的损耗能量；EoffTju为IGBT T1在工作结温Tj℃下第u次关断产生的损耗能量；ErecTju为D1在工作结温Tj℃下第u次反向阻断产生的损耗能量；Ts为MMC-DC/AC/DC变换器交流侧工作周期；w为Ts周期时间内开关的次数。
进一步地，所述步骤4包括下述步骤：
步骤4.1：确定单个半桥子模块产生不同开关损耗类型的条件：
对于图2中的半桥子模块结构，桥臂电流方向以及子模块的投切转换顺序均影响开关损耗类型；当桥臂电流方向为正，子模块有投入状态变为切除状态过程中产生IGBT T2的开通损耗和二极管D1的反向阻断损耗；
步骤4.2：确定MMC换流器上、下桥臂中开关损耗类型：
根据MMC-DC/AC/DC变换器运行机理，上、下桥臂电压和电流的表达式如式(10)-(13)所示；当桥臂输出电压上升时，部分桥臂子模块由切除状态转换为投入状态，根据桥臂电流方向产生相应的开关损耗；当桥臂输出电压下降时，部分桥臂子模块由切除状态转换为投入状态：
其中：Uup为上桥臂输出电压；Udown为下桥臂输出电压；Ud为直流侧电压；Um为MMC-DC/AC/DC变换器交流侧输出电压峰值；θ为交流电压的相角；m为电压调制度；iup为上桥臂电流，Id为MMC换流器直流侧电流；Im为交流侧电流峰值；为交流侧电压与电流的相角差；k为电流调制度。
进一步地，所述步骤5包括下述步骤：
步骤5.1：将开关损耗进行等效置换，使得上、下桥臂在同一时刻产生的开关类型一致；
经步骤4.2分析表明同一时刻上、下桥臂产生的开关损耗类型不一定相同，导致***开关损耗计算求解复杂。保证***总开关损耗不变的前提下，通过开关损耗的等效置换，使得上、下桥臂在同一时刻产生的开关类型一致，极大简化了运算。
步骤5.2：计算输入端MMC换流器单相上、下桥臂的平均开关损耗：
求解出基波周期内的开关损耗，如下式(14)所示：
aonrecTj＝aonTj+arecTj (15)；
bonrecTj＝bonTj+brecTj (16)；
conrecTj＝conTj+crecTj (17)；
其中：Psw_1为MMC换流器单相上、下桥臂中功率器件的开关损耗；N1表示[0，π/2)内桥臂子模块投切转换的次数；N2表示[π/2，π)内桥臂子模块投切转换的次数；N3表示[π，3π/2)内桥臂子模块投切转换的次数；N4表示[3π/2，2π)内桥臂子模块投切转换的次数；iuph和idownh为[0，π/2)内桥臂第h次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupi和idowni为[π/2，π)内桥臂第i次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupj和idownj为[π，3π/2)内桥臂第j次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupk和idownk为[3π/2，2π)内桥臂第k次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；Ucap为子模块电容额定电压；aonrecTj、bonrecTj、conrecTj分别表示Tj结温下IGBT开通损耗曲线和二极管反向截止损耗曲线拟合参数的和；Ts为MMC-DC/AC/DC变换器交流侧工作周期；
步骤5.3：将上、下桥臂电流表达式(12)和(13)带入式(14)简化得：
步骤5.4：利用调制策略对应的定量关系简化平均开关损耗：
假设半桥子模块中上、下桥臂中子模块个数为n，由最近电平逼近调制策略得，上、下桥臂参考电压与门槛电压值比较，生成相应的调制信号；门槛电压分别为：0、共n+1个，θ1h表示桥臂电压调制波在(0,π/2]内第h次与门槛电压相交处对应的角度；θ2i表示桥臂电压调制波在(π/2，π]内第i次与门槛电压相交处对应的角度；θ3j表示桥臂电压调制波在[π，3π/2)内第j次与门槛电压相交处对应的角度；θ4k表示桥臂电压调制波在[3π/2，2π)内第k次与门槛电压相交处对应的角度；得到解析表达式(19)-(22)，并将式(19)-(22)带入式(18)得关系式(24)，经数列求和得到公式(25)：
aonoffrecTj＝aonTj+aoffTj+arecTj (26)；
bonoffrecTj＝bonTj+boffTj+brecTj (27)；
conoffecTj＝conTj+coffTj+crecTj (28)；
其中：[]为取整算法，Q表示取整函数，反应不同电压调制度对损耗的影响；h表示在(0,π/2]内的桥臂电压调制波与门槛电压相交的次数；aonoffrecTj、bonoffrecTj、conoffrecTj分别表示结温为Tj时IGBT开通损耗、关断损耗以及二极管反向截止损耗曲线拟合参数的和。
进一步地，所述步骤6包括下述步骤：
步骤6.1：计算输入端MMC换流器三相功率器件的开关损耗；
MMC换流器对称运行，根据步骤5求解输入端MMC换流器三相功率器件的开关损耗，如下式(29)所示：
Psw_3＝3*Psw_1 (29)；
步骤6.2：计算输出端MMC换流器三相功率器件的开关损耗：如下式(30)所示：
P′sw_3＝3*P′sw_1 (30)；
步骤6.2：计算MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗
将步骤6.1和6.2中输入端和输出端MMC的开关损耗相加得MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗，如下式(31)所示：
Ptotal＝Psw_3+P′sw_3 (31)；
其中：Ptotal为MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1、本发明所提供的MMC-DC/AC/DC变换器开关损耗计算方法基于各功率器件每个开通和关断瞬间，采用损耗等效置换的方法推倒而来，物理意义明确；
2、本发明所提供的MMC-DC/AC/DC变换器开关损耗计算方法可以计算得到变换器中各功率器件开关损耗的解析表达式，包括IGBT的开通和关断通态损耗及二极管反向阻断损耗，能够实现各损耗之间的对比分析；
3、本发明所提供的MMC-DC/AC/DC变换器开关损耗计算表达式可以得到变换器开关损耗与电压调制度、桥臂子模块数量、变压器工作频率、功传输功率的定量关系，便于***参数优化设计和损耗抑制措施研究。
附图说明
图1是基于MMC的隔离型DC/DC变换器拓扑图；
图2是本发明提供的模块化多电平换流器电路拓扑图；
图3是本发明提供的IGBT开通和关断损耗的特性曲线图；
图4是本发明提供的二极管反向阻断的特性曲线图；
图5是本发明提供的MMC换流器桥臂电流波形图，其中：虚线为上桥臂电流波形图，实线为下桥臂电流波形图；
图6是本发明提供的MMC换流器桥臂电压波形图；其中：虚线为上桥臂电压波形图，实线为下桥臂电压波形图；
图7是本发明提供的等效置换后MMC换流器损耗分布图；其中：虚线为上桥臂损耗图，实线为下桥臂损耗图；
图8是本发明提供的最近电平逼近调制策略对应的定量关系图；
图9是本发明提供的基于MMC隔离型DC/DC变换器开关损耗的确定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供一种基于模块化多电平换流器MMC的隔离型DC/DC变换器开关损耗的计算方法，其中：隔离型DC/DC变换器包括隔离变压器及其两端连接的MMC；两个MMC均接入直流***中；模块化多电平换流器MMC由三相构成，每相由串联的结构相同的上、下两桥臂构成；上、下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；
所述上、下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成模块化多电平电压源型换流器直流端的正负极母线；所述子模块由半桥与其并联的电容器支路构成，所述半桥由上桥臂和下桥臂构成，所述上桥臂和下桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的续流二极管FWD组成；计算方法的流程图如图9所示，包括下述步骤：
步骤1：根据功率器件的开关损耗特性曲线进行参数拟合：
针对厂家提供的功率器件(IGBT和二极管)开关损耗特性曲线，采用如式(1)的二次多项式来拟合并提取开关损耗特性参数，从而求取在给定通态电流下一次开关动作的能量损耗。开关损耗特性曲线可参考图3和图4。
其中：Esw_k表示结温为k℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗能量(Eon，Eoff或Erec)；idev表示流过功率器件的电流，对于IGBT为集电极电流iC，对于二极管为正向电流iF)。asw_k、bsw_k、csw_k是通过25℃和125℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_25、bon_25、con_25，，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_25、boff_25、coff_25，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到arec_25、brec_25、crec_25。
步骤2：利用插值法计算工作结温下开关损耗能量
根据25℃和125℃能耗曲线拟合结果，利用插值法计算工作结温Tj℃下开关损耗能量，如式(2)所示。将式(1)带入式(2)进行化简，得到式(3)-(6)。
其中：EswTj表示结温为Tj℃下功率器件的开关损耗能量；aswTj、bswTj、cswTj为结温为Tj℃下功率器件的开关损耗表达式中的参数；Esw_125表示结温为125℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗；Esw_25表示结温为25℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗；asw_125、bsw_125、csw_125表示通过125℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_125、bon_125、con_125，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_125、boff_125、coff_125，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到arec_125、brec_125、crec_125；asw_25、bsw_25、csw_25表示通过25℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_25、bon_25、con_25，，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_25、boff_25、coff_25，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到arec_25、brec_25、crec_25。
步骤3：计算单个功率器件的平均开关损耗：
根据开关动作的次数将相应的开关损耗能量进行累加，然后对其进行时间平均，即可获得各部分的平均开关损耗。例如，如图2所示的子模块中T1的开通损耗和关断损耗、D1的反向阻断损耗的计算公式如下：
其中：udc为子模块电容电压；vceref为厂家提供的用以计算开关损耗的参考电压基准值；EonTju为T1在工作结温Tj℃下第u次开通产生的损耗能量；EoffTju为T1在工作结温Tj℃下第u次关断产生的损耗能量；ErecTju为D1在工作结温Tj℃下第u次反向阻断产生的损耗能量；Ts为MMC-DC/AC/DC变换器交流侧工作周期；w为Ts周期时间内开关的次数。
步骤4：确定MMC-DC/AC/DC变换器交流周期内开关损耗类型的分布情况
步骤4.1：确定单个半桥子模块产生不同开关损耗类型的条件：
半桥子模块结构如图2所示，桥臂电流方向以及子模块的投切转换顺序均影响开关损耗情况。例如，当桥臂电流方向为正，子模块有投入状态变为切除状态过程中会产生T2的开通损耗和D1的反向阻断损耗。列举所有情况如表1所示。
表1单个半桥子模块的开关损耗情况
步骤4.2：确定MMC换流器上、下桥臂的开关损耗类型：
根据MMC-DC/AC/DC变换器运行机理，上、下桥臂电压和电流的表达式如式(10)-(13)所示，考虑到DC/AC/DC变换器中传递的无功功率很小，输入输出端MMC的功率因数均可以达到很高，即图5和6为上、下桥臂电流和电压的波形图。当桥臂输出电压上升时，部分桥臂子模块由切除状态转换为投入状态，根据桥臂电流方向产生相应的开关损耗；当桥臂输出电压下降时，部分桥臂子模块由切除状态转换为投入状态。结合表1、图5和图6，可得到上、下桥臂的开关损耗的分布情况，如表2和图6所示。由于T1和T2，D1和D2型号一致，所产生的开关损耗大小仅与桥臂电流有关，此处不再细分具体由哪个开关器件产生的开关损耗。
表2上下桥臂开关损耗分布情况
其中：Uup为上桥臂输出电压；Udown为下桥臂输出电压；Ud为直流侧电压；Um为MMC-DC/AC/DC变换器交流侧输出电压峰值；θ为交流电压的相角；m为电压调制度；iup为上桥臂电流；idown为下桥臂电流；Id为MMC换流器直流侧电流；Im为交流侧电流峰值；为交流侧电压与电流的相角差；如图5虚线所示，其中θ1、θ2为上桥臂电流的过零点；idown为下桥臂电流，如图5实线所示，其中θ′1、θ′2为下桥臂电流的过零点；
步骤5：计算输入端MMC换流器单相上、下桥臂的平均开关损耗
步骤5.1：将开关损耗进行等效置换
以输入端MMC换流器中A相为例。图6中曲线A1A2内下桥臂产生开通损耗和反向阻断损耗，曲线A5A6内下桥臂产生关断损耗。由于曲线A1A2和A5A6对应桥臂电流的大小相同且桥臂输出电压相同，在保证基波周期内开关损耗总和不变的情况下，可以认为曲线A1A2对应下桥臂A5A6时间段内产生的关断损耗，曲线A5A6对应下桥臂A1A2时间段内产生的开通损耗和反向阻断损耗。同理，将曲线A2A3和A4A5内的损耗进行置换，将曲线B1A2和A5B6内的损耗置换，将曲线A2B3和B4A5内的损耗进行置换。等效置换后的损耗分布如图7所示。
步骤5.2：计算输入端MMC换流器单相上、下桥臂的平均开关损耗
根据图7可以求解出基波周期内的开关损耗，如式(14)所示。
aonrecTj＝aonTj+arecTj (15)；
bonrecTj＝bonTj+brecTj (16)；
conrecTj＝conTj+crecTj (17)；
其中：Psw_1为MMC换流器单相上、下桥臂中功率器件的开关损耗；N1表示[0，π/2)内桥臂子模块投切转换的次数；N2表示[π/2，π)内桥臂子模块投切转换的次数；N3表示[π，3π/2)内桥臂子模块投切转换的次数；N4表示[3π/2，2π)内桥臂子模块投切转换的次数；iuph和idownh为[0，π/2)内桥臂第h次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupi和idowni为[π/2，π)内桥臂第i次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupj和idownj为[π，3π/2)内桥臂第j次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupk和idownk为[3π/2，2π)内桥臂第k次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；Ucap为子模块电容额定电压。
步骤5.3：将上、下桥臂电流表达式带入化简
将上、下桥臂电流表达式(12)和(13)带入简化得：
步骤5.4：利用调制策略对应的定量关系简化平均开关损耗的解析表达式
假设上、下桥臂中子模块数较多，且个数为n，由最近电平逼近调制策略得，上、下桥臂参考电压与一系列门槛电压值比较，生成相应的调制信号。门槛电压分别为：0、共n+1个。每个θ1h、θ2i、θ3j、θ4k为桥臂电压调制波与门槛电压相交处对应的角度，可得到解析表达式为(19)-(22)，示意如图8所示。并将式(19)-(22)带入式(18)得关系式(24)，经数列求和得到公式(25)。
aonoffrecTj＝aonTj+aoffTj+arecTj (26)；
bonoffrecTj＝bonTj+boffTj+brecTj (27)；
conoffrecTj＝conTj+coffTj+crecTj (28)；
其中：[]为取整算法，Q表示取整函数，反应不同电压调制度对损耗的影响；h表示在(0,π/2]内的桥臂电压调制波与门槛电压相交的次数；aonoffrecTj、bonoffrecTj、conoffrecTj分别表示结温为Tj时IGBT开通损耗、关断损耗以及二极管反向截止损耗曲线拟合参数的和。
步骤6：计算MMC-DC/AC/DC变换器所有功率器件的开关损耗
步骤6.1：计算输入端MMC换流器三相功率器件的开关损耗
由于MMC换流器对称运行，可根据步骤5求解到输入端MMC换流器三相功率器件的开关损耗，如式(29)所示。
Psw_3＝3*Psw_1 (29)；
步骤6.2：计算输出端MMC换流器三相功率器件的开关损耗
采用步骤5和6.1同样的方法，可以求取输出端MMC换流器三相功率器件的开关损耗，如式(30)所示。
P′sw_3＝3*P′sw_1 (30)；
步骤6.2：计算MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗
将步骤6.1和6.2中输入端和输出端MMC的开关损耗相加得MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗，如式(31)所示。
Ptotal＝Psw_3+P′sw_3 (31)；
其中：Ptotal为MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于MMC隔离型DC/DC变换器开关损耗的确定方法，所述隔离型DC/DC变换器包括隔离变压器及其两端连接的MMC；两个MMC均接入直流***中；模块化多电平换流器MMC由三相构成，每相由串联的结构相同的上、下两桥臂构成；上、下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；
所述上、下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成模块化多电平电压源型换流器直流端的正负极母线；所述子模块由半桥与其并联的电容器支路构成，所述半桥由上桥臂和下桥臂构成，所述上桥臂和下桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的续流二极管FWD组成；
其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤1：对MMC中子模块功率器件的开关损耗特性曲线进行参数拟合；
步骤2：利用插值法计算工作结温下子模块功率器件的开关损耗能量；
步骤3：确定单个功率器件的平均开关损耗；
步骤4：确定MMC-DC/AC/DC变换器交流周期内开关损耗类型的分布；
步骤5：确定输入端MMC换流器单相上、下桥臂的平均开关损耗；
步骤6：确定MMC-DC/AC/DC变换器所有功率器件的开关损耗；
所述步骤4包括下述步骤：
步骤4.1：确定单个半桥子模块产生不同开关损耗类型的条件：
对于半桥子模块结构，桥臂电流方向以及子模块的投切转换顺序均影响开关损耗类型；当桥臂电流方向为正，子模块有投入状态变为切除状态过程中产生IGBT T2的开通损耗和二极管D1的反向阻断损耗；
步骤4.2：确定MMC换流器上、下桥臂中开关损耗类型：
根据MMC-DC/AC/DC变换器运行机理，上、下桥臂电压和电流的表达式如式(10)-(13)所示；当桥臂输出电压上升时，部分桥臂子模块由切除状态转换为投入状态，根据桥臂电流方向产生相应的开关损耗；当桥臂输出电压下降时，部分桥臂子模块由切除状态转换为投入状态：
其中：Uup为上桥臂输出电压；Udown为下桥臂输出电压；Ud为直流侧电压；Um为MMC-DC/AC/DC变换器交流侧输出电压峰值；θ为交流电压的相角；m为电压调制度；iup为上桥臂电流，Id为MMC换流器直流侧电流；Im为交流侧电流峰值；为交流侧电压与电流的相角差；k为电流调制度。
2.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤1中，针对子模块中的功率器件开关损耗特性曲线，采用如下式(1)的二次多项式来拟合并提取开关损耗特性参数，求取在给定通态电流下一次开关动作的能量损耗：
其中：Esw_k表示结温为k℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗(Eon，Eoff或Erec)；idev表示流过功率器件的电流，对于IGBT为集电极电流iC，对于二极管为正向电流iF；asw_k、bsw_k、csw_k分别是通过25℃和125℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_k、bon_k、con_k，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_k、boff_k、coff_k，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到arec_k、brec_k、crec_k。
3.如权利要求2所述的确定方法，其特征在于，所述步骤2中，根据25℃和125℃子模块中功率器件的能耗曲线拟合结果，利用插值法计算工作结温Tj℃下子模块中功率器件的开关损耗能量，如下式(2)所示；将式(1)带入式(2)进行化简，得到式(3)-(6)：
其中：EswTj表示结温为Tj℃下子模块中功率器件的开关损耗能量；aswTj、bswTj、cswTj分别为结温为Tj℃下子模块中功率器件的开关损耗表达式中的参数；Esw_125表示结温为125℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗；Esw_25表示结温为25℃下IGBT的开通、关断或二极管的反向恢复损耗；asw_125、bsw_125、csw_125表示通过125℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_125、bon_125、con_125，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_125、boff_125、coff_125，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到arec_125、brec_125、crec_125；asw_25、bsw_25、csw_25表示通过25℃能耗曲线拟合确定的参数，对IGBT开通损耗曲线进行拟合得到aon_25、bon_25、con_25，对IGBT关断损耗曲线进行拟合得到aoff_25、boff_25、coff_25，对二极管反向恢复损耗曲线进行拟合得到brec_25、brec_25、crec_25。
4.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤3中，根据子模块中功率器件的开通和关断的次数将相应的开关损耗能量进行累加，对其进行时间平均，即可获得各部分的平均开关损耗；子模块中IGBT T1的开通损耗PT1on和关断损耗PT1off以及二极管D1的反向阻断损耗PD1rec的计算公式如下：
其中：udc为子模块电容电压；vceref为厂家提供的用以计算开关损耗的参考电压基准值；EonTju为IGBT T1在工作结温Tj℃下第u次开通产生的损耗能量；EoffTju为IGBT T1在工作结温Tj℃下第u次关断产生的损耗能量；ErecTju为D1在工作结温Tj℃下第u次反向阻断产生的损耗能量；Ts为MMC-DC/AC/DC变换器交流侧工作周期；w为Ts周期时间内开关的次数。
5.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤5包括下述步骤：
步骤5.1：将开关损耗进行等效置换，使得上、下桥臂在同一时刻产生的开关类型一致；
步骤5.2：计算输入端MMC换流器单相上、下桥臂的平均开关损耗：
求解出基波周期内的开关损耗，如下式(14)所示：
aonrecTj＝aonTj+arecTj (15)；
bonrecTj＝bonTj+brecTj (16)；
conrecTj＝conTj+crecTj (17)；
其中：Psw_1为MMC换流器单相上、下桥臂中功率器件的开关损耗；N1表示[0，π/2)内桥臂子模块投切转换的次数；N2表示[π/2，π)内桥臂子模块投切转换的次数；N3表示[π，3π/2)内桥臂子模块投切转换的次数；N4表示[3π/2，2π)内桥臂子模块投切转换的次数；iuph和idownh为[0，π/2)内桥臂第h次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupi和idowni为[π/2，π)内桥臂第i次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupj和idownj为[π，3π/2)内桥臂第j次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；iupk和idownk为[3π/2，2π)内桥臂第k次投切转换时对应的上桥臂电流和下桥臂电流；Ucap为子模块电容额定电压；aonrecTj、bonrecTj、conrecTj分别表示Tj结温下IGBT开通损耗曲线和二极管反向截止损耗曲线拟合参数的和；Ts为MMC-DC/AC/DC变换器交流侧工作周期；
步骤5.3：将上、下桥臂电流表达式(12)和(13)带入式(14)简化得：
步骤5.4：利用调制策略对应的定量关系简化平均开关损耗：
假设半桥子模块中上、下桥臂中子模块个数为n，由最近电平逼近调制策略得，上、下桥臂参考电压与门槛电压值比较，生成相应的调制信号；门槛电压分别为：0、共n+1个，θ1h表示桥臂电压调制波在(0,π/2]内第h次与门槛电压相交处对应的角度；θ2i表示桥臂电压调制波在(π/2,π]内第i次与门槛电压相交处对应的角度；θ3j表示桥臂电压调
制波在[π，3π/2)内第j次与门槛电压相交处对应的角度；θ4k表示桥臂电压调制波在[3π/2，2π)内第k次与门槛电压相交处对应的角度；得到解析表达式(19)-(22)，并将式(19)-(22)带入式(18)得关系式(24)，经数列求和得到公式(25)：
aonoffrecTj＝aonTj+aoffTj+arecTj (26)；
bonoffrecTj＝bonTj+boffTj+brecTj (27)；
conoffrecTj＝conTj+coffTj+crecTj (28)；
其中：[]为取整算法，Q表示取整函数，反应不同电压调制度对损耗的影响；h表示在(0,π/2]内的桥臂电压调制波与门槛电压相交的次数；aonoffrecTj、bonoffrecTj、conoffrecTj分别表示结温为Tj时IGBT开通损耗、关断损耗以及二极管反向截止损耗曲线拟合参数的和。
6.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤6包括下述步骤：
步骤6.1：计算输入端MMC换流器三相功率器件的开关损耗；
MMC换流器对称运行，根据步骤5求解输入端MMC换流器三相功率器件的开关损耗，如下式(29)所示：
Psw_3＝3*Psw_1 (29)；
步骤6.2：计算输出端MMC换流器三相功率器件的开关损耗：如下式(30)所示：
P′sw_3＝3*P′sw_1 (30)；
步骤6.2：计算MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗
将步骤6.1和6.2中输入端和输出端MMC的开关损耗相加得MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗，如下式(31)所示：
Ptotal＝Psw_3+P′sw_3 (31)；
其中：Psw_1、P`sw_1分别表示输入侧和输出侧MMC的单相上、下桥臂功率器件的开关损耗；Ptotal为MMC-DC/AC/DC变换器中所有功率器件的开关损耗。
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