CN109742961A

CN109742961A - 一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法

Info

Publication number: CN109742961A
Application number: CN201811458959.4A
Authority: CN
Inventors: 邢作霞; 王鸿毅; 赵盈洁; 赵海川; 王湘明; 张超
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-05-10

Abstract

一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法，该方法创新性的提出：模块化多电平存在子模块间热不平衡现象，利用主动热平衡控制来平衡子模块间的热不平衡问题；（1）采用本方法所提出的主动热平衡控制来平衡子模块之间的结温，子模块之间温度不平衡的现象可以得到改善；（2）子模块之间对应的功率半导体的温度分布及结温的不平衡性可以降低，温度变化次数和达到高温的次数也可以有相对改善。（3）并且热平衡算法能够在电容电压平衡的基础上降低子模块之间的结温差，而不会降低系统的性能。（4）此平衡方法也能够降低功率半导体的最高温度，从而使功率半导体的寿命增加。

Description

一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法

技术领域

本发明内容涉及一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法，解决电力电力变压器中多电平换流器的热不平衡问题，是一种嵌入在电容电压平衡算法中的热平衡方法。

背景技术

模块化多电平换流器作为一种新型的多电平电压源换流器(voltage-sourcedconverter,VSC)，由于其非常适合用于直流输电场合，得到了国际学术界和工业界的高度关注。模块化多电平换流器(MMC)，凭借其自身损耗低、谐波畸变小、可扩展性高、易于构建多端直流网络等显著优势，逐渐取代了两电平/三电平换流器在高压大容量柔性直流领域中的应用。MMC为了稳定运行要对桥臂上子模块间的电容电压进行平衡，而未考虑子模块中功率器件的损耗和结温之间的平衡。在实际应用中，子模块中电容的大小不同，而电容电压的平衡作用在低电容值的子模块中通态损耗和开关损耗较高，导致子模块中的半导体器件的温度也升高，引起了不同子模块之间温度的不平衡。承受更多损耗的子模块会产生更多的温度，温度过高将造成器件的损坏及寿命的降低。而温度多次变化会产生热机械应力，会导致子模块中功率器件连接材料的损伤，长期温度变化以后可能会导致器件失效。国内外学者一直致力于模块化多电平的热平衡控制方法研究中。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种基于模块化多电平换流器的热平衡控制方法，其目的是解决个子模块间温度不平衡对换流器的最大负荷运行以及寿命的影响。其可在电容电压平衡控制的基础上控制子模块(Sub-module,SM)之间的热平衡；引入各子模块间温度变化影响变量，保证不改变子模块输出电压波形及波形质量的基础上均衡各子模块之间的温度差，防止子模块中的半导体器件由于高温或频繁的温度变化造成老化或损坏。可实现不同子模块之间的热应力分布，延长各子模块的使用寿命。

技术方案：

一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法，其特征在于：该方法创新性的提出：模块化多电平存在子模块间热不平衡现象，利用主动热平衡控制来平衡子模块间的热不平衡问题；在热平衡控制方法中设定了在各个子模块之间允许的最大温度差值，在各组子模块的m_i值中挑出最大和最小值m_max、m_min，两者之间的差就是组间最大差值Δm，设定了一个最大差值允许值m_ref来维持平衡各个子模块间的温度平衡；该方法设计子模块分配流程当m_ref小于Δm时，根据臂电流方向对子模块进行排序，臂电流为正时，将子模块按m值的大小升序排列。当m_ref大于Δm时，将子模块按m值的大小降序排列。该分配流程将子模块之间的温度通过嵌入电容电压平衡方法中从而得到平衡。可以实现电容器电压Vcu和器件结温T_j的平衡；该方法中根据模块化多电平换流器的运行数据，计算需导通的子模块的个数，然后根据已投入子模块的充放电情况决定需要投入或切除的子模块，即若已投入的子模块处于充电状态，且需投入子模块时，则在尚未投入的子模块中选取电容电压、子模块温度最小的子模块投入；若已投入的子模块处于充电状态，且需切出子模块时，则在已投入的子模块中选取电容电压最大、子模块温度较大的子模块切出；若已投入的子模块处于放电状态，且需投入子模块时，则在尚未投入的子模块中选取电容电压最大、子模块温度较大的子模块投入；若已投入的子模块处于放电状态，且需切出子模块时，则在已投入的子模块中选取电容电压最小的子模块切出。

具体的说：该方法分别将IGBT和二极管的功率损耗等值为两个电流源来向外输出功率，而PN结与器件外壳之间的热传递过程则用热电阻R_thc-sT和R_thc-sD表示，其中下标T表示IGBT的热电阻，下标D表示反并联二极管的热电阻；同样，器件外壳与散热器之间的热传递过程可以用热电阻R_thc-sT和R_thc-sD表示，具体的热电阻参数从厂商提供的数据表中查到，之后得出：

T_{j_T}＝P_T(R_thc-sT+R_thCH-T)+θ (6)

T_{j_D}＝P_D(R_thc-sD+R_thCH-D)+θ (7)

其中T_{j_T}表示为IGBT部分的结温，T_{j_D}表示二极管部分的结温；P_T为IGBT的总损耗，P_D为反并联二极管的总损耗，θ表示散热器温度。具体来说，假设每个桥臂有n个子模块，n通常为偶数，则将子模块平均分成n/2组，每组包含2个子模块；同时，各组的编号也因此确定下来，即1到n/2组；先测量子模块电容电压、IGBT温度和反并联二极管的温度，温度由热模型估计。然后将分组内的两个子模块的电压和温度进行归一计算。

a_i＝V_c,i＝∑V_c/2(i＝1,2) (8)

m_i＝a_i+b_i+c_i (11)

其中i为子模块之间的自由选择；a_i为每组子模块的电压平均值；b_i为IGBT的损耗产热温度叠加值；c_i为反并联二极管的损耗产热叠加值；在各组子模块的m_i值中挑出最大和最小值m_max、m_min，两者之间的差就是组间最大差值Δm,需设定一个最大差值允许值m_ref来维持平衡,需导通的子模块数除以组数得到的商即为各组需开通的基数，对余数进行分配时，需根据Δm和m_ref来分配，当m_ref大于Δm时不需要对子模块的排序结果进行调整，即可以使用最初始的排序结果依次分配给1到n/2组。当m_ref小于Δm时，需要根据臂电流方向对子模块进行排序，臂电流为正时，将子模块按m值的大小升序排列，反之则降序排列。通过使用所提出的解决方案，子模块之间的温度通过嵌入电容电压平衡方法中从而得到平衡。热平衡控制原理图如图4所示。因此，可以实现电容器电压V_cu和器件结温T_j的平衡。

优点效果：

本发明提供一种基于模块化多电平换流器的热平衡控制方法，MMC由于具有输出电平数高、开关频率低、波形质量好等优点，因此有良好的工程应用前景，也是目前电压源型换流器研究的热点。本方法对MMC子模块间热不平衡的问题提出了热平衡控制策略，(1)采用本方法所提出的主动热平衡控制来平衡子模块之间的结温，子模块之间温度不平衡的现象可以得到改善；(2)子模块之间对应的功率半导体的温度分布及结温的不平衡性可以降低，温度变化次数和达到高温的次数也可以有相对改善。(3)并且热平衡算法能够在电容电压平衡的基础上降低子模块之间的结温差，而不会降低系统的性能。(4)此平衡方法也能够降低功率半导体的最高温度，从而使功率半导体的寿命增加。

附图说明

图1：MMC的基本拓扑结构

图2：半桥中子模块中功率器件的热模型

图3：热平衡控制流程图

图4：热平衡控制的原理图

具体实施方式：

1)MMC的模型分析

三相MMC系统由三个相桥臂组成，每个相桥臂由上半桥臂和下半桥臂两部分构成，每个半桥臂分别由N个子模块和桥臂电感L_a依次串联而成，各相桥臂的输出端从两个桥臂电感的连接点引出。其子模块串联的个数由变换器的额定功率、电压等级和开关器件的通流能力与耐压强度决定。典型N+1电平的三相拓扑结构如图1所示。换流器由3个相单元组成，每相上、下桥臂各有N个子模块配合投切，任意时刻保持同时投入的子模块总数为N，可维持直流电压U_dc的恒定。

2)损耗评估

在损耗的计算中IGBT的功率损耗主要由通态损耗、截止损耗、开关损耗和驱动损耗四部分构成，因截止损耗与驱动损耗占总损耗的比例极小，产生的温度影响可以忽略。所以仅计算IGBT的通态损耗及开关损耗。在反并联二极管的损耗计算中，仅对通态损耗及反向恢复损耗进行叠加计算即可。

为了估算热平衡控制策略中使用的器件结温，需要计算功率损耗。对于半桥SM，功率损耗可以简单地分为两部分：通态损耗和开关损耗(或二极管的反向恢复损耗)。IGBT和二极管的正向导通电压主要与导通电流和结温有关，计算一个完整工频周期内的通态损耗需要对其电压电流乘积进行积分。IGBT和二极管的通态损耗为：

其中，P_con,VT和P_con,VD为IGBT和二极管的通态损耗，t为时间，θ_j代表结温，单位为℃；T_c为一个完整工频周期，U_VT为IGBT导通时集射级之间的电压，i_VT为IGBT集电极电流；U_VD为二极管正向压降，i_VD为二极管正向平均电流。

计算IGBT的开关损耗以及二极管的反向恢复损耗，根据开关次数的累加可以得到IGBT相应的开关损耗，对时间求其均值即可获得各个子模块的平均开关损耗功率，同理也可得到二极管反向恢复损耗，计算过程如下：

其中，P_on,T、P_off,T和P_rec,D分别代表IGBT的开通损耗和关断损耗以及反并联二极管的反向恢复损耗，单位为W；t₀为计算损耗的初始时刻；t_α、t_β、t_γ分别表示IGBT的开通、关断时刻以及二极管的反向恢复时刻；U_CE,on表示IGBT开通前的阻断电压；U_CE,off表示IGBT关断后的阻断电压，单位为V；U_F,ref表示二极管反向恢复后的阻断电压，单位为V；U_CE,ref为生产商所提供计算开关损耗中集电极与发射极之间的参考电压基准值，单位为V。

3)结温反馈

为了观察子模块中功率器件的温度分布及热性能，需要对IGBT器件的温度进行测量，而功率器件内部的结温无法直接测量得到，因此需要通过对功率器件建立热模型利用散热器表面温度来估计其结温。因此建立如图2所示的等值热电路模型。分别将IGBT和二极管的功率损耗等值为两个电流源来向外输出功率，而PN结与器件外壳之间的热传递过程则用热电阻R_thc-sT和R_thc-sD表示，其中下标T表示IGBT的热电阻，下标D表示反并联二极管的热电阻。同样，器件外壳与散热器之间的热传递过程可以用热电阻R_thc-sT和R_thc-sD表示，具体的热电阻参数可以从厂商提供的数据表中查到。由图2可以得出：

T_{j_T}＝P_T(R_thc-sT+R_thCH-T)+θ (6)

T_{j_D}＝P_D(R_thc-sD+R_thCH-D)+θ (7)

其中T_{j_T}表示为IGBT部分的结温，T_{j_D}表示二极管部分的结温；P_T为IGBT的总损耗，P_D为反并联二极管的总损耗，θ表示散热器温度。

具体来说，假设每个桥臂有n个子模块(n通常为偶数)，则将子模块平均分成n/2组，每组包含2个子模块。同时，各组的编号也因此确定下来，即1到n/2组。先测量子模块电容电压、IGBT温度和反并联二极管的温度，温度由热模型估计。然后将分组内的两个子模块的电压和温度进行归一计算。

a_i＝V_c,i＝∑V_c/2(i＝1,2) (8)

m_i＝a_i+b_i+c_i (11)

其中i为子模块之间的自由选择；a_i为每组子模块的电压平均值；b_i为IGBT的损耗产热温度叠加值；c_i为反并联二极管的损耗产热叠加值；如图3流程图所示，在各组子模块的m_i值中挑出最大和最小值m_max、m_min，两者之间的差就是组间最大差值Δm,需设定一个最大差值允许值m_ref来维持平衡,需导通的子模块数除以组数得到的商即为各组需开通的基数，对余数进行分配时，需根据Δm和m_ref来分配，当m_ref大于Δm时不需要对子模块的排序结果进行调整，即可以使用最初始的排序结果依次分配给1到n/2组。当m_ref小于Δm时，需要根据臂电流方向对子模块进行排序，臂电流为正时，将子模块按m值的大小升序排列，反之则降序排列。通过使用所提出的解决方案，子模块之间的温度通过嵌入电容电压平衡方法中从而得到平衡。热平衡控制原理图如图4所示。因此，可以实现电容器电压V_cu和器件结温T_j的平衡。

综上所述:

本发明通过供应商提供的换流器电压电流值，得到半导体器件在实际工作结温下的损耗，对模块化多电平换流器中各个子模块的损耗进行计算分析；通过半桥中子模块热模型对已有热平衡控制方法进行改进；在电容电压平衡算法的基础上提出热平衡控制算法，引入权重因子，将一定数量的子模块在考虑电容电压、IGBT温度和反并联二极管的温度的影响因素下进行有序排列。可以有效的降低各个子模块的运行温度，增大MMC的最大运行功率。

Claims

1.一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法，其特征在于：该方法利用主动热平衡控制来平衡子模块间的热不平衡问题；在热平衡控制方法中设定了在各个子模块之间允许的最大温度差值，在各组子模块的m_i值中挑出最大和最小值m_max、m_min，两者之间的差就是组间最大差值Δm，设定了一个最大差值允许值m_ref来维持平衡各个子模块间的温度平衡；该方法设计子模块分配流程当m_ref小于Δm时，根据臂电流方向对子模块进行排序，臂电流为正时，将子模块按m值的大小升序排列；当m_ref大于Δm时，将子模块按m值的大小降序排列；该分配流程将子模块之间的温度通过嵌入电容电压平衡方法中从而得到平衡；实现电容器电压V_cu和器件结温T_j的平衡；该方法中根据模块化多电平的运行数据，计算需导通的子模块的个数，然后根据已投入子模块的充放电情况决定需要投入或切除的子模块，即若已投入的子模块处于充电状态，且需投入子模块时，则在尚未投入的子模块中选取电容电压、子模块温度最小的子模块投入；若已投入的子模块处于充电状态，且需切出子模块时，则在已投入的子模块中选取电容电压最大、子模块温度较大的子模块切出；若已投入的子模块处于放电状态，且需投入子模块时，则在尚未投入的子模块中选取电容电压最大、子模块温度较大的子模块投入；若已投入的子模块处于放电状态，且需切出子模块时，则在已投入的子模块中选取电容电压最小的子模块切出。

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法，其特征在于：该方法分别将IGBT和二极管的功率损耗等值为两个电流源来向外输出功率，而PN结与器件外壳之间的热传递过程则用热电阻R_thc-sT和R_thc-sD表示，其中下标T表示IGBT的热电阻，下标D表示反并联二极管的热电阻；同样，器件外壳与散热器之间的热传递过程用热电阻R_thc-sT和R_thc-sD表示，具体的热电阻参数从厂商提供的数据表中查到，之后得出：

T_{j_T}＝P_T(R_thc-sT+R_thCH-T)+θ (1)

T_{j_D}＝P_D(R_thc-sD+R_thCH-D)+θ (2)

其中T_{j_T}表示为IGBT部分的结温，T_{j_D}表示二极管部分的结温；P_T为IGBT的总损耗，P_D为反并联二极管的总损耗，θ表示散热器温度。具体来说，假设每个桥臂有n个子模块，n通常为偶数，则将子模块平均分成n/2组，每组包含2个子模块；同时，各组的编号也因此确定下来，即1到n/2组；先测量子模块电容电压、IGBT温度和反并联二极管的温度，温度由热模型估计；然后将分组内的两个子模块的电压和温度进行归一计算；

m_i＝a_i+b_i+c_i (6)

其中i为子模块之间的自由选择；a_i为每组子模块的电压平均值；b_i为IGBT的损耗产热温度叠加值；c_i为反并联二极管的损耗产热叠加值；在各组子模块的m_i值中挑出最大和最小值m_max、m_min，两者之间的差就是组间最大差值Δm,需设定一个最大差值允许值m_ref来维持平衡,需导通的子模块数除以组数得到的商即为各组需开通的基数，对余数进行分配时，需根据Δm和m_ref来分配，当m_ref大于Δm时不需要对子模块的排序结果进行调整，即使用最初始的排序结果依次分配给1到n/2组；当m_ref小于Δm时，需要根据臂电流方向对子模块进行排序，臂电流为正时，将子模块按m值的大小升序排列，反之则降序排列。