CN112362993A - 基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，包括：S1.通过双脉冲物理测试平台试验，获取各器件开通、关断过程中的实测电压和电流波形，得到各器件单次开通、关断过程的能量，并进行额定电压和额定电流下的归一化处理；S2.测量不同电流水平下IGBT的通态电压和电流，通过线性拟合的方式得到器件的转折电压和斜率；S3.构造换流阀运行的模块仿真波形，计算得到各器件的损耗和模块总损耗；S4.进行多次测量，对测量结果通过GUM法进行不确定度分析，评估扩展不确定度区间。本发明采用实测参数代替手册中的参数，较为准确地反映模块真实工况下的损耗特性，并通过不确定度分析，评估扩展不确定度区间，较为科学地评估了测量结果。

Description

基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法

技术领域

本发明属于电气自动化设备技术领域，涉及一种基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法。

背景技术

柔性直流输电是新一代直流输电技术，其主要设备换流阀大多采用基于可关断器件的模块化多电平(Modular Multilevel Converter,MMC)的主电路形式，由多个柔直换流模块级联而成。设备的主要损耗在于柔直换流模块，因此对柔直换流模块进行准确的损耗测量、计算和评估可以指导效率优化、元器件选型和散热器设计，是成套换流阀设计中的一个重要环节。

专利CN201720535445中公开了一种新型MMC换流阀损耗检测装置，由电压互感器、电流钳、计量模块、减法器等构成，分别测量交流和直流侧的电能，并对两者进行差值得到换流阀的整体损耗，这种方法的测量精度受测量仪器的相位精度影响较大；专利CN201710802490中通过监控进风管和出风管的温度，用加热器功率等效的方式得到换流器的损耗功率，受测试环境影响大；专利CN201910585458.0中公开了一种基于仿真波形、数据手册参数和计算公式的损耗计算方法，该方法基于器件供应商提供的开关能量曲线，与变流器实际模块的损耗有一定的差别。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，可以更准确地反应换流器模块真实工作状态下的损耗，并评估其测量结果的不确定度和精度。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，具体包括：

S1.通过双脉冲物理测试平台试验，获取各器件开通、关断过程中的实测电压和电流波形，通过数字积分得到各器件单次开通、关断过程的能量，并进行额定电压和额定电流下的归一化处理；

S2.测量不同电流水平下IGBT的通态电压和电流，通过线性拟合的方式得到器件的转折电压和斜率；

S3.构造换流阀运行的模块仿真波形，包括电压、电流和开关数据，结合实测得到的器件参数进行计算，得到各器件的开通损耗、关断损耗、通态损耗，并将各器件的各部分损耗相加，得到模块总损耗；

S4.进行多次测量，对测量结果通过GUM法进行不确定度分析，评估扩展不确定度区间。

进一步的，双脉冲物理测试平台实验包括换流阀模块、可调直流电源和试验电抗，所述可调直流电源的输入侧连接到低压电网，输出侧连接到换流阀模块的直流输入侧，所述换流阀模块的输出侧连接试验电抗，通过控制软件控制换流阀模块的一个IGBT器件常开，另外一个IGBT输出两个连续的脉冲。

进一步的，步骤S1通过数字积分得到各器件单次开通、关断过程能量的具体方法为：

其中，Eon/off为器件单次开通或关断能量，Vce为器件上的电压，Ic为器件上的电流，t1为积分起始时刻，t2为积分结束时刻；

器件开通能量的积分起始时刻t1为Ic上升到稳态电流10％时刻，积分结束时间t2为Vce降低到稳态电压2％的时刻；

器件关断能量的积分起始时间为Vce上升到稳态电压的10％时刻，积分结束时间为Ic下降到关断前的2％的时刻。

进一步的，步骤S1归一化处理方法为：

其中，Eon/off为试验得到的开通或关断能量，Vdr和Icr分别为数据手册中额定的直流电压和器件电流，Vd和Ic分别为试验时刻的直流电压和器件电流，Eon/off1为归一化后的额定开通或关断能量参数。

进一步的，步骤S3中模块总损耗Pg包括开通损耗Pon、关断损耗Poff、通态损耗Pav、计算公式如下：

P_g＝P_on+P_off+P_av，

模块总损耗Pm包括各器件的损耗之和：

P_m＝P_G1+P_G2+P_D1+P_D1，

其中，PG1、PG2、PD1、PD2分别表示上管IGBT、下管IGBT、上管二极管、下管二极管的损耗。

进一步的，开通损耗Pon计算方法为：

其中，Eon1表示额定开通损耗，idn为当前器件工作电流，Icnom为器件额定电流，Vdn为当前器件工作电压，Vcnom为器件额定电压，N为该器件在1秒内开通次数；

所述关断损耗Poff计算方法为：

Eoff1表示额定关断损耗。

进一步的，通态损耗Pav的计算方法为：将各开关器件的瞬时压降和瞬时电流相乘，得到通态瞬时功率，将一秒内的瞬时功率积分即得到通态损耗Pav，具体计算公式为：

其中，Vgn为器件上的通态电压，Icn为器件上的电流；

所述通态电压Vgn为：

V_gn＝V_g0+R_g×i_cn，

其中，Vg0为实验测定的转折电压，Rg为实验测定的斜率，icn为器件上的瞬时电流。

进一步的，步骤S4不确定度评估方法采用国际通用的GUM法对测量结果进行评估，通过采A类评定方法和B类评定方法，对各不确定分量进行不确定度合成，计算得到扩展不确定度：

A类评定包括计算由检测重复性引入的标准不确定度分量EA，根据多次独立检测得到标准差的计算方法如下：

其中，Eki为单次试验损耗数据，

为多次试验损耗的平均值，n为试验次数。

B类评定包括由测量仪器准确度引入的标准不确定度分量检测重复性引入的标准不确定度分量EB1，和由测量仪器时间分辨率和判据引起的不确定度分量EB2等。

进一步的，对各不确定分量进行不确定度合成采用均方根的方法，公式如下：

扩展不确定度为：

E_C1＝k*E_C，

其中k为包含因子。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法得到实测参数，采用实测参数代替手册中的参数，较为准确地反映了模块真实工况下的损耗特性，并通过不确定度分析，评估扩展不确定度区间，较为科学地评估了测量结果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明损耗测试和评估方法流程图；

图2是本发明上管双脉冲测试平台和测量点图；

图3是本发明下管双脉冲测试平台和测量点图；

图4是本发明双脉冲测试波形图；

图5是本发明积分计算开关能量过程图；

图6是本发明通态电压测试波形图；

图7是本发明仿真构造换流阀模块的运行波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-图7所示，本发明提供了一种基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，损耗测试和评估方法如图1所示，具体包括：

S1.通过双脉冲物理测试平台试验，获取各器件开通、关断过程中的实测电压和电流波形，通过数字积分得到各器件单次开通、关断过程的能量，并进行额定电压和额定电流下的归一化处理；

S2.测量不同电流水平下IGBT的通态电压和电流，通过线性拟合的方式得到器件的转折电压和斜率；

S3.构造换流阀运行的模块仿真波形，包括电压、电流和开关数据，结合实测得到的器件参数进行计算，得到各器件的开通损耗、关断损耗、通态损耗，并将各器件的各部分损耗相加，得到模块总损耗；

S4.进行多次测量，对测量结果通过GUM法进行不确定度分析，评估扩展不确定度区间。

本实施例双脉冲物理测试平台实验包括换流阀模块、可调直流电源和试验电抗，所述可调直流电源的输入侧连接到低压电网，输出侧连接到换流阀模块的直流输入侧，所述换流阀模块的输出侧连接试验电抗，通过控制软件控制换流阀模块的一个IGBT器件常开，另外一个IGBT输出两个连续的脉冲。

如图2和图3所示，本发明双脉冲测试平台分为上管测试和下管测试，通过控制软件控制换流阀模块的一个IGBT器件常开，另一个IGBT输出两个连续的脉冲，对上管施加双脉冲为上管测试，对下管施加双脉冲为下管测试。IGBT输出两个连续的脉冲，用示波器记录该IGBT器件开通、关断过程中的电压和电流。

本实施例中可调直流电源的规格为50kW/2500VDC，实际直流工作在2000V，试验电抗Lf为222uH，双脉冲宽度分别取为320us和45us。

本实施例通过双脉冲物理测试平台试验，获取各器件开通、关断过程中的实测电压和电流波形，通过数字积分得到各器件单次开通、关断过程的能量，并进行额定电压和额定电流下的归一化处理；测量不同电流水平下开通过程中IGBT的通态电压和电流和电压，通过线性拟合的方式得到器件的转折电压和斜率。

构造换流阀运行的模块仿真波形，包括电压、电流和开关数据，结合上述实测得到的器件参数进行计算，得到各器件的开通损耗、关断损耗、通态损耗，并将各器件的各部分损耗相加，得到模块总损耗。

进行多次测量，对测量结果通过GUM法进行不确定度分析，评估扩展不确定度区间。

如图4所示，本实施例对上管施加双脉冲，用示波器记录上管IGBT各器件开通、关断过程中的电压和电流，将示波器数据保存后导出到计算机，通过数字积分的方式得到上管IGBT单次开通能量、IGBT单次关断能量和下管二极管单次关断能量。通过双脉冲IGBT器件开通、关断过程中的电压和电流进行开通关断能量进行数字积分，积分公式为：

其中，Eon/off为器件单次开通或关断能量，Vce为器件上的电压，Ic为器件上的电流，t1为积分起始时刻，t2为积分结束时刻。

IGBT开通能量的积分起始时刻t1为Ic上升到稳态电流10％时刻，积分结束时间t2为Vce降低到稳态电压2％的时刻；IGBT关断能量的积分起始时间为Vce上升到稳态电压的10％时刻，积分结束时间为Ic下降到关断前的2％的时刻。二极管关断能量的计算积分同上管IGBT开通定义得到的起止时间点。

本实施例上管IGBT关断能量计算的过程如图5所示，器件上的电压Vce和电流Ic相乘得到器件上的实时功率，对该功率在相应的起始时间和结束时间内积分得到单次关断的能量，同理可得到单次开通的能量。

按上述同样的方法进行下管测试，得到下管的单次开通能量和关断能量，对上述开通或关断能量进行归一化处理，得到额定电压和电流下的单次开通或关断能量。

开通或关断能量的归一化处理方法为：

其中，Eon/off为试验得到的开通或关断能量，Vdr和Icr分别为数据手册中额定的直流电压和器件电流，Vd和Ic分别为试验时刻的直流电压和器件电流，Eon/off1为归一化后的额定开通或关断能量参数。

本实施例测试得到上管IGBT在2000V/3000A时刻的开通和关断能量分别为9.191J和8.803J，按额定2800V/2000A归一化后为8.578J和8.516J；下管IGBT在2100V/3300A时刻的开通和关断能量分别为11.287J和9.868J，按额定2800V/2000A归一化后为9.12J和8.223J。

用高精度探头测量不同电流水平下开通过程中IGBT的通态电压和电流和电压，如图6所示，通过测量500A，800A，1000A不同电流下的Vce，通过线性拟合的方式得到转折电压VT0和斜率R，得VT0＝1.4V，R＝0.0012；

通过时域仿真软件构造换流阀运行的模块仿真波形，如图7所示，包括电压、电流和开关数据，结合上述实测得到的器件参数进行计算，得到各器件的开通损耗、关断损耗、通态损耗。

开通损耗计算方法为：

其中，Eon1表示额定开通损耗，idn为当前器件工作电流，Icnom为器件额定电流，Vdn为当前器件工作电压，Vcnom为器件额定电压，N为该器件在1秒内开通次数。

关断损耗计算方法为：

Eoff1表示额定关断损耗，其余量的含义同上式。

上述通态损耗的计算方法为：将各开关器件的瞬时压降和瞬时电流相乘，得到通态瞬时功率，将一秒内的瞬时功率积分即得到通态损耗Pav，计算方法如下所示：

其中，Vgn为器件上的通态电压，Icn为器件上的电流。

通态电压Vgn由下式确定：

V_gn＝V_g0+R_g×i_cn，

其中，Vg0为上述实验测定的转折电压，Rg为上述实验测定的斜率，icn为器件上的瞬时电流。

单个器件的总损耗Pg包括开通损耗Pon、关断损耗Poff、通态损耗Pav、计算公式如下：

P_g＝P_on+P_off+P_av。

本实施例计算上管IGBT的开关总损耗为170W，通态损耗为1298W；上管二极管的开关总损耗为150W，通态损耗为850W；下管IGBT的开关总损耗为870W，通态损耗为2112W；下管二极管的开关总损耗为31W，通态损耗为60W。

模块总损耗Pm包括各器件的损耗之和：

P_m＝P_G1+P_G2+P_D1+P_D1，

其中，PG1、PG2、PD1、PD2分别表示上管IGBT、下管IGBT、上管二极管、下管二极管的损耗。

将各器件的各部分损耗相加，得到模块总损耗，得总损耗为5543W，相当于损耗率为0.83％。

本实施例不确定度评估方法采用国际通用的GUM法对测量结果进行评估，包括A类评定和B类评定，对各不确定分量进行不确定度合成，计算得到扩展不确定度。

A类评定包括计算由检测重复性引入的标准不确定度分量EA，根据多次独立检测得到标准差的计算方法如下：

其中，Eki为单次试验损耗数据，

为多次试验损耗的平均值，n为试验次数。

B类评定包括由测量仪器准确度引入的标准不确定度分量检测重复性引入的标准不确定度分量EB1，和由测量仪器时间分辨率和判据引起的不确定度分量EB2。

采用均方根的方法对各不确定度进行合成，公式如下：

扩展不确定度为：

E_C1＝k*E_C，

其中k为包含因子。

本实施例取5次测量结果进行A类评定，得不确定度分量为435.7W；评估测量仪器准确度引入的标准不确定度分量为115.4W；评估测量仪器时间分辨率和判据引起的不确定度分量为43.2W；合成不确定度为：454.2W；取包含因子k＝2，扩展不确定度为：908.5W。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，具体包括：

S1.通过双脉冲物理测试平台试验，获取各器件开通、关断过程中的实测电压和电流波形，通过数字积分得到各器件单次开通、关断过程的能量，并进行额定电压和额定电流下的归一化处理；

S2.测量不同电流水平下IGBT的通态电压和电流，通过线性拟合的方式得到器件的转折电压和斜率；

S3.构造换流阀运行的模块仿真波形，包括电压、电流和开关数据，结合实测得到的器件参数进行计算，得到各器件的开通损耗、关断损耗、通态损耗，并将各器件的各部分损耗相加，得到模块总损耗；

S4.进行多次测量，对测量结果通过GUM法进行不确定度分析，评估扩展不确定度区间。

2.根据权利要求1所述的基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，所述双脉冲物理测试平台实验包括换流阀模块、可调直流电源和试验电抗，所述可调直流电源的输入侧连接到低压电网，输出侧连接到换流阀模块的直流输入侧，所述换流阀模块的输出侧连接试验电抗，通过控制软件控制换流阀模块的一个IGBT器件常开，另外一个IGBT输出两个连续的脉冲。

3.根据权利要求1所述的基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，所述步骤S1通过数字积分得到各器件单次开通、关断过程能量的具体方法为：

其中，Eon/off为器件单次开通或关断能量，Vce为器件上的电压，Ic为器件上的电流，t1为积分起始时刻，t2为积分结束时刻；

器件开通能量的积分起始时刻t1为Ic上升到稳态电流10％时刻，积分结束时间t2为Vce降低到稳态电压2％的时刻；

器件关断能量的积分起始时间为Vce上升到稳态电压的10％时刻，积分结束时间为Ic下降到关断前的2％的时刻。

4.根据权利要求1所述的基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，所述步骤S1归一化处理方法为：

其中，Eon/off为试验得到的开通或关断能量，Vdr和Icr分别为数据手册中额定的直流电压和器件电流，Vd和Ic分别为试验时刻的直流电压和器件电流，Eon/off1为归一化后的额定开通或关断能量参数。

5.根据权利要求1所述的基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，所述步骤S3中模块总损耗Pg包括开通损耗Pon、关断损耗Poff、通态损耗Pav、计算公式如下：

P_g＝P_on+P_off+P_av，

模块总损耗Pm包括各器件的损耗之和：

P_m＝P_G1+P_G2+P_D1+P_D1，

其中，PG1、PG2、PD1、PD2分别表示上管IGBT、下管IGBT、上管二极管、下管二极管的损耗。

6.根据权利要求5所述的基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，所述开通损耗Pon计算方法为：

其中，Eon1表示额定开通损耗，idn为当前器件工作电流，Icnom为器件额定电流，Vdn为当前器件工作电压，Vcnom为器件额定电压，N为该器件在1秒内开通次数；

所述关断损耗Poff计算方法为：

Eoff1表示额定关断损耗。

7.根据权利要求5所述的基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，所述通态损耗Pav的计算方法为：将各开关器件的瞬时压降和瞬时电流相乘，得到通态瞬时功率，将一秒内的瞬时功率积分即得到通态损耗Pav，具体计算公式为：

其中，Vgn为器件上的通态电压，Icn为器件上的电流；

所述通态电压Vgn为：

V_gn＝V_g0+R_g×i_cn，

其中，Vg0为实验测定的转折电压，Rg为实验测定的斜率，icn为器件上的瞬时电流。

8.根据权利要求1所述的基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，所述步骤S4不确定度评估方法采用国际通用的GUM法对测量结果进行评估，通过A类评定方法和B类评定方法，对不确定分量进行不确定度合成，计算得到扩展不确定度：

A类评定方法包括计算由检测重复性引入的标准不确定度分量EA，根据多次独立检测得到标准差的计算方法如下：

其中，Eki为单次试验损耗数据，

为多次试验损耗的平均值，n为试验次数；

B类评定包括由测量仪器准确度引入的标准不确定度分量检测重复性引入的标准不确定度分量EB1，和由测量仪器时间分辨率和判据引起的不确定度分量EB2。

9.根据权利要求8所述的基于器件参数实测的柔直换流模块损耗测试和评估方法，其特征在于，所述对各不确定分量进行不确定度合成采用均方根的方法，公式如下：

扩展不确定度为：

E_C1＝k*E_C，

其中k为包含因子。

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