模塊化多電平換流器電熱耦合模型研究

張鷺 李潤秋

（國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 陜西省西安市 710075）

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）由A. Lesnicar和R. Marquardt于2003年首次提出，是一種非常有前途的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究和關(guān)注。與傳統(tǒng)的兩電平和三電平換流器相比，MMC具有模塊化，可擴(kuò)展性，高效率和卓越的諧波性能等顯著特征。因此，MMC在高壓和大功率的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，例如高壓直流輸電技術(shù)（HVDC），靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM），直流配電網(wǎng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等領(lǐng)域。

在過去的幾年中，許多關(guān)于MMC的研究主要集中在數(shù)學(xué)建模，控制策略，環(huán)流抑制和子模塊電容電壓平衡控制等方面。然而，在MMC運(yùn)行過程中，由于熱應(yīng)力的影響，功率半導(dǎo)體器件更容易失效，其壽命受結(jié)溫的影響。因此，功率半導(dǎo)體器件的功率損耗和結(jié)溫的信息對(duì)于研究MMC非常重要。值得一提的是，在MMC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其功率損耗的計(jì)算起著重要的作用，直接關(guān)系到MMC運(yùn)行期間的穩(wěn)定性和可靠性。組成MMC的子模塊結(jié)構(gòu)可分為三種類型：半橋，全橋和鉗位雙子模塊。MMC大多采用半橋子模塊，因此本文以半橋子模塊為主要研究對(duì)象。

文獻(xiàn)提出了一種基于新型PWM控制策略的功率損耗和結(jié)溫計(jì)算方法，分析了橋臂子模塊的功率損耗和負(fù)載相角對(duì)子模塊功率損耗分布的影響。文獻(xiàn)描述了MMC功率損耗的詳細(xì)計(jì)算方法，并分析了MMC和傳統(tǒng)的兩電平換流器之間的功率損耗情況。但是，該方法基于以下假設(shè)：MMC系統(tǒng)在最高溫度下運(yùn)行，并且開關(guān)頻率與流過MMC的電流成比例。文獻(xiàn)研究了MMC系統(tǒng)中各種因素對(duì)功率損耗的影響。文獻(xiàn)提出了一種新的快速穩(wěn)態(tài)模型來計(jì)算MMC的損耗，其中考慮了功率器件，電感和冷卻系統(tǒng)的溫度的影響。但是，此方法假定條件MMC中的子模塊相同，子模塊電容電壓平衡且等于額定電壓，并且不存在環(huán)流。這些假設(shè)將導(dǎo)致MMC系統(tǒng)的功率損耗計(jì)算不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)提出了一種基于平均功率損耗模型的MMC時(shí)間較短的計(jì)算方法，該方法也可以擴(kuò)展到不同的子模塊和不同的調(diào)制策略。考慮到電熱耦合效應(yīng)的影響，文獻(xiàn)提出損耗計(jì)算方法是基于MMC系統(tǒng)運(yùn)行期間的結(jié)溫反饋計(jì)算得出的，所提出的方法使功率損耗計(jì)算更加準(zhǔn)確，并確保子模塊在安全結(jié)溫下工作。

本文提出了一種電熱耦合模型來計(jì)算運(yùn)行期間的MMC系統(tǒng)子模塊中功率半導(dǎo)體的損耗和結(jié)溫。通過擬合功率半導(dǎo)體的特性曲線，根據(jù)其通態(tài)壓降，通態(tài)電流和開關(guān)能耗，以及從MMC仿真系統(tǒng)中測得的電流和電壓變量來計(jì)算半導(dǎo)體損耗。然后，基于給定的初始環(huán)境溫度，建立功率半導(dǎo)體的四屆Foster型電熱網(wǎng)絡(luò)模型以計(jì)算其結(jié)溫。提出的模型由MATLAB/Simulink建立。

1 MMC的基本結(jié)構(gòu)和控制策略

1.1 基本結(jié)構(gòu)

既有N+1個(gè)子模塊電壓電平的三相MMC拓?fù)淙鐖D1所示。MMC由三個(gè)相單元組成，每個(gè)相單元分為兩個(gè)橋臂，分別稱為上臂和下臂（用下標(biāo)u和l表示）。N個(gè)子模塊與電感串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)橋臂。其中，L表示抑制環(huán)流的電感。交流側(cè)MMC的j相（j=A，B，C）與電阻R和電感L連接。MMC的基本元件是子模塊，由兩個(gè)IGBT（以T和T表示）組成，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)二極管（由D和D表示）和一個(gè)直流存儲(chǔ)電容C。其輸出電壓為零或電容電壓U，由子模塊投入或切除決定。

圖1：三相MMC拓?fù)鋱D

1.2 模型預(yù)測控制策略

在過去的幾年中，模型預(yù)測控制（MPC）由于具有多個(gè)控制目標(biāo)，包含約束和非線性以及快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于MMC控制。但是，傳統(tǒng)的MPC具有沉重的計(jì)算負(fù)擔(dān)，因此處理器難以實(shí)現(xiàn)。結(jié)果，提出了改進(jìn)的MPC來減少計(jì)算負(fù)擔(dān)。本文采用圖1所示的改進(jìn)MPC用于控制MMC，子模塊電容電壓平衡控制策略采用常規(guī)的排序算法。

使用子模塊電容電壓排序算法的MPC策略的框圖如圖2所示，改進(jìn)的MPC塊策略的步驟可總結(jié)如下：

圖2：模型預(yù)測控制框圖

（1）從MMC系統(tǒng)測量的電流和電壓變量。

（2）基于MMC離散時(shí)間模型預(yù)測的前一步變量。

（3）通過代價(jià)函數(shù)優(yōu)化獲得的插入或切除的子模塊。

（4）通過子模塊電容電壓排序算法獲得的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)來控制MMC系統(tǒng)。

2 電熱耦合模型

IGBT模塊是由不同成分的材料所構(gòu)成，而不同材料間的熱特性存在很大差異，最終導(dǎo)致IGBT模塊具有復(fù)雜的熱路。然而，為了獲得快速準(zhǔn)確的計(jì)算模型，為IGBT模塊建立一個(gè)四階Foster型電熱網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3所示。

圖3：半導(dǎo)體熱模型

根據(jù)功率損耗和Foster型電熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算半導(dǎo)體的結(jié)溫。如圖3所示，R和C（i=1、2、3、4）是IGBT與外殼的等效熱阻和熱容；R和C（i=1，2，3，4）是二極管中芯片到外殼的等效熱阻和熱容。R和C是IGBT外殼散熱的等效熱阻和熱容。T是環(huán)境溫度。

根據(jù)電熱比擬理論，半導(dǎo)體的熱特性可以用熱等效電路表示。半導(dǎo)體的結(jié)溫計(jì)算如下：

其中Z和Z是結(jié)到外殼的瞬態(tài)熱阻抗；Z和Z是外殼對(duì)散熱器的熱阻；T是散熱器的溫度。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)圖1，通過MATLAB/Simulink建立MMC仿真平臺(tái)。本文對(duì)MMC系統(tǒng)的兩種不同的運(yùn)行條件進(jìn)行了仿真。穩(wěn)態(tài)過程的有功功率的參考值設(shè)置為3MW，MMC系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運(yùn)行。MMC系統(tǒng)的仿真波形如圖4所示。

圖4：MMC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形

如圖4所示，子模塊中每個(gè)IGBT和二極管的損耗分布如圖4(a)所示。從圖中可以看出，IGBT和二極管的損耗分布不均勻。T2的損耗在1.1kW上下波動(dòng)，且遠(yuǎn)大于其他半導(dǎo)體，因此，在器件選取過程中要著重考慮。而D2的損耗最小，對(duì)器件選取影響不大。圖4(b)和(c)顯示了穩(wěn)態(tài)工作模式下子模塊中上，下IGBT模塊的結(jié)溫。上IGBT模塊中二極管D1溫度最大，在100℃附近波動(dòng)；下IGBT模塊中T2的溫度最高在125℃附近波動(dòng)。半導(dǎo)體的結(jié)溫都在安全允許范圍（150℃）內(nèi)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于電熱耦合模型的MMC功率損耗和結(jié)溫的仿真計(jì)算方法。通過擬合功率半導(dǎo)體器件的特性曲線，建立半導(dǎo)體器件的四階Foster型電熱網(wǎng)絡(luò)模型，可以實(shí)時(shí)計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)和瞬時(shí)狀態(tài)下基于模型預(yù)測控制的MMC仿真系統(tǒng)子模塊中IGBT和二極管的功率損耗和結(jié)溫，并能反映其動(dòng)態(tài)條件下的損耗和結(jié)溫的變化，為MMC的可靠性設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有效的參考。