郭明珠，白睿航，唐博進(jìn)，趙彪，周興達(dá)，余占清，曾嶸

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院，北京100038；2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué))，北京100084)

0 引言

可再生能源利用是未來(lái)能源領(lǐng)域發(fā)展的大勢(shì)所趨。有預(yù)測(cè)指出，到2050年，中國(guó)可再生能源將占能源消費(fèi)50%以上[1]。高壓直流電壓源型換流器(high voltage direct current voltage source converter，HVDC-VSC)以其調(diào)節(jié)靈活、諧波低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于可再生能源并網(wǎng)[2 - 3]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)是HVDC-VSC技術(shù)的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一[4 - 5]。目前，絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)以其高耐壓、高通流、高開(kāi)關(guān)頻率、較低的開(kāi)關(guān)損耗以及尚可接受的通態(tài)損耗等優(yōu)勢(shì)，在MMC中得到廣泛應(yīng)用[6 - 7]。

集成門(mén)極換流晶閘管(integrated gate-commutated thyristor，IGCT)是從門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(gate turn-off Thyristor，GTO)發(fā)展而來(lái)的大功率全控型電力電子器件，由ABB公司于1996年首先成功研制[8 - 9]。相比于IGBT，IGCT器件具有流控器件的優(yōu)勢(shì)，例如通流能力更強(qiáng)、阻斷電壓更高、通態(tài)壓降更低，且存在進(jìn)一步發(fā)展?jié)摿10]。

MMC采用模塊化設(shè)計(jì)，依靠高模塊數(shù)量而非高調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)低諧波的電壓輸出，這規(guī)避了IGCT開(kāi)關(guān)頻率低的不足，為IGCT應(yīng)用于柔性直流輸電領(lǐng)域帶來(lái)了契機(jī)。MMC的低開(kāi)關(guān)頻率特性導(dǎo)致其運(yùn)行時(shí)，器件的通態(tài)損耗占比相對(duì)更高，使用IGCT代替IGBT則有助于減小該部分損耗。目前，商品化的IGCT阻斷電壓已達(dá)6.5 kV，而IGBT僅為5.2 kV，基于IGCT器件的MMC有可能提高單模塊電壓等級(jí)，從而減少模塊數(shù)量，降低占地面積。此外，IGCT以其高浪涌電流耐受能力，還為半橋MMC的故障穿越提供了新的可能方案[11 - 12]。

文獻(xiàn)[13]對(duì)IGCT在柔性直流輸電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[14]對(duì)IGCT-MMC半橋子模塊拓?fù)?、電路特性等進(jìn)行了分析，搭建仿真模型進(jìn)行損耗分析，并搭建了對(duì)沖平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[15]同樣通過(guò)搭建仿真模型的方式分析了IGCT-MMC的損耗。事實(shí)上，由于MMC子模塊數(shù)量巨大，通過(guò)仿真分析損耗運(yùn)算量大，較為繁瑣。文獻(xiàn)[16]提出了一種通過(guò)平均值等效的方式計(jì)算子模塊各器件電流并分析損耗的方法，據(jù)此分析了基于IGBT的MMC器件損耗與結(jié)溫，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

針對(duì)以上研究現(xiàn)狀，本文基于平均值等效的方法，分析了IGCT-MMC中的IGCT器件、緩沖電路、取能電源等各部分損耗的計(jì)算原理，給出了計(jì)算方法。結(jié)合具體工程參數(shù)，通過(guò)MATLAB編程給出了算例，并與模擬實(shí)際投切過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 基于平均值等效的IGCT-MMC損耗分析方法

1.1 基于IGCT的MMC子模塊

IGCT與IGBT同為全控型功率半導(dǎo)體器件，IGCT-MMC子模塊和IGBT-MMC子模塊在主電路拓?fù)渖舷嗤GBT為壓控器件，可通過(guò)控制其柵極觸發(fā)信號(hào)上升陡度來(lái)控制開(kāi)通速率。而IGCT的開(kāi)通過(guò)程類(lèi)似于晶閘管，為正反饋過(guò)程，無(wú)法通過(guò)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路控制其開(kāi)通速率，因此，IGCT開(kāi)通時(shí)，功率半導(dǎo)體器件中會(huì)產(chǎn)生很大的di/dt。

盡管當(dāng)前快恢復(fù)二極管和新型IGCT器件有較好的di/dt耐受能力，但過(guò)高的di/dt仍會(huì)導(dǎo)致其損壞，因而需要在換流回路中串入陽(yáng)極電抗以限制電流變化速率[17 - 18]。陽(yáng)極電抗會(huì)導(dǎo)致投切瞬態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生振蕩，這可能引起器件過(guò)壓擊穿，故還需設(shè)置箝位電路以保護(hù)器件。陽(yáng)極電抗與箝位電路統(tǒng)稱(chēng)緩沖電路。一種設(shè)置了緩沖電路的IGCT-MMC子模塊拓?fù)淙鐖D1所示。

此外，IGCT通態(tài)中需要持續(xù)向門(mén)極注入電流，關(guān)斷時(shí)需要從門(mén)極抽出上千安培的電流，這使得其門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率可達(dá)數(shù)十瓦甚至上百瓦，大于IGBT的驅(qū)動(dòng)功率。

由于評(píng)估IGCT-MMC子模塊損耗時(shí)，需要考慮緩沖電路與門(mén)極驅(qū)動(dòng)損耗，因而其分析與計(jì)算過(guò)程更加復(fù)雜。

1.2 平均值等效模型

子模塊電流方向、投切狀態(tài)不同時(shí)，橋臂電流會(huì)流經(jīng)不同功率半導(dǎo)體器件，因而各半導(dǎo)體器件損耗存在差異。為計(jì)算損耗，需要分析流經(jīng)各器件的電流。橋臂電流方向決定了電流流經(jīng)的功率器件對(duì)(T2/D2或T2/D1)，投切狀態(tài)又進(jìn)一步確定了通流器件。具體情況如表1所示。選取電流流入子模塊為橋臂電流參考方向。

表1 不同狀態(tài)下電流流經(jīng)的功率器件Tab.1 Power devices with current passed in different states

以下橋臂為例(上橋臂類(lèi)同)，定義瞬時(shí)調(diào)制比k為當(dāng)前該橋臂中投入模塊的數(shù)量在橋臂總模塊數(shù)中占比，可根據(jù)參考電壓算出。

(1)

式中：uacφ(t)為系統(tǒng)級(jí)控制在t時(shí)刻需要某一橋臂輸出的電壓值；udc(t)為此時(shí)該橋臂所有子模塊電容電壓之和。

在平均值等效模型中，認(rèn)為一個(gè)橋臂中，每一時(shí)刻下，所有子模塊被投入或切除的機(jī)會(huì)均等。在該前提下，任一時(shí)刻，各子模塊電流并非按照表3的規(guī)律全部流經(jīng)一個(gè)器件，而是“同時(shí)”流經(jīng)電流方向所決定的一對(duì)功率器件。電流在兩個(gè)功率器件間的分配由投切概率決定。若橋臂電流為iarm，定義sgn(x)為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)x>0時(shí)為1，否則為0，abs(x)為絕對(duì)值函數(shù)，則平均值等效意義下，通流期間流經(jīng)器件對(duì)T1/D2的電流iT1-D2、流經(jīng)器件T1的平均電流IT1mean與均方根電流IT1rms可由下式計(jì)算。

iT1-D2=abs{sgn[-iarm(t)]×iarm}

(2)

iT1(t)=k(t)iT1-D2(t)

(3)

(4)

(5)

式(4)—(5)中，ti<0為1個(gè)基波周期內(nèi)橋臂電流小于0，也即電流流經(jīng)器件對(duì)T1/D2的時(shí)間段。使用該方法還可以得到流經(jīng)其他功率器件的電流。同理，也可得到全周期內(nèi)流經(jīng)陽(yáng)極電抗的電流均方根值ILrms。

(6)

平均值等效模型還忽略了子模塊電容電壓波動(dòng)。由于工程中通常要求子模塊電容電壓波動(dòng)不超過(guò)10%，且子模塊電容電壓并非存在固定偏置，而是隨著電容充放電在額定電壓附近波動(dòng)，因此，這樣的簡(jiǎn)化不會(huì)給分析帶來(lái)過(guò)大誤差。

由于高壓大容量MMC中的模塊數(shù)通常有數(shù)百個(gè)，模擬各子模塊投切過(guò)程，進(jìn)而通過(guò)器件實(shí)際電流波形仿真計(jì)算其損耗的方法所需計(jì)算量大，特別是需要頻繁優(yōu)化電路參數(shù)并估算子模塊損耗時(shí)，所需的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。平均值等效模型只需要對(duì)單子模塊進(jìn)行計(jì)算，即可得到各個(gè)器件的損耗功率，適合于在換流器設(shè)計(jì)與優(yōu)化階段用以評(píng)估損耗。此外，平均值等效模型可以給出平均值意義下流經(jīng)器件的電流波形，從而直觀看出器件損耗差異的原因。

2 IGCT器件損耗分析

2.1 通態(tài)損耗

與IGBT器件通態(tài)損耗分析類(lèi)似，導(dǎo)通的IGCT器件上存在壓降，這一壓降與IGCT通流為非線性關(guān)系，可以通過(guò)線性關(guān)系進(jìn)行擬合，即將器件導(dǎo)通壓降vX1分為門(mén)檻電壓vX0，以及斜率電阻rX乘以通流iX兩部分，其中X代表任一IGCT器件。

vX1=vX0+rXiX

(7)

進(jìn)而可得到器件通態(tài)損耗功率計(jì)算公式為：

(8)

第一部分可等效為電流向一個(gè)恒壓源充電，第二部分可看作電流流經(jīng)固定阻值的電阻。以T1為例，可以用其平均電流代替上式電流一次項(xiàng)，用均方根電流代替電流二次項(xiàng)，進(jìn)而得到通流時(shí)間ti<0內(nèi)IGCT通態(tài)損耗平均功率為：

(9)

在整個(gè)工作周期T內(nèi)，器件T1的通態(tài)損耗平均功率為：

(10)

2.2 開(kāi)關(guān)損耗

IGCT開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程非理想過(guò)程，存在電壓、電流重合的時(shí)間區(qū)段，這會(huì)引起開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)損耗包括IGCT開(kāi)通損耗、IGCT關(guān)斷損耗和二極管反向恢復(fù)損耗。通常，器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了特定電壓、電流下的開(kāi)關(guān)損耗數(shù)據(jù)，在分析時(shí)需要將其折算至實(shí)際工況下的具體值Eb。

(11)

式中：下標(biāo)b代表IGCT開(kāi)通、關(guān)斷、二極管反向恢復(fù)等行為；EbN為電壓VN；電流IN下行為b的損耗能量，由數(shù)據(jù)手冊(cè)給出；vb為開(kāi)通前/關(guān)斷后器件電壓；ib為開(kāi)關(guān)行為發(fā)生時(shí)開(kāi)通/關(guān)斷的電流大小。若器件在固定電壓、電流下以固定頻率f開(kāi)關(guān)，則其開(kāi)通、關(guān)斷損耗功率Pb為：

(12)

對(duì)于MMC子模塊而言，vb為子模塊額定電壓VSM。在平均值等效模型下，以電流負(fù)向、將投入的子模塊切除為例，這一過(guò)程會(huì)關(guān)斷T1，電流轉(zhuǎn)移至D2。由于投切時(shí)刻隨機(jī)，T1關(guān)斷電流大小可以看作對(duì)于流經(jīng)T1-D2器件對(duì)電流的一次隨機(jī)采樣。從統(tǒng)計(jì)意義而言，T1關(guān)斷電流的大小即為T(mén)1-D2器件對(duì)通流時(shí)間內(nèi)的平均電流。僅當(dāng)電流為負(fù)向時(shí)，子模塊切除動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致T1關(guān)斷，因而T1的關(guān)斷頻率為：

(13)

進(jìn)而有：

(14)

3 緩沖電路損耗分析

3.1 陽(yáng)極電抗直阻損耗

由于陽(yáng)極電抗具有直流電阻，MMC運(yùn)行時(shí)，流經(jīng)陽(yáng)極電抗的電流會(huì)因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生損耗PL，其計(jì)算公式為：

(15)

式中：RL為陽(yáng)極電抗直流電阻?？梢源氲?.2節(jié)的陽(yáng)極電抗電流均方根值進(jìn)行計(jì)算，則：

PL=ILrms2RL

(16)

3.2 箝位電路動(dòng)作損耗

箝位電路僅在子模塊投切的瞬態(tài)過(guò)程中動(dòng)作，箝位電阻焦耳效應(yīng)、箝位二極管反向恢復(fù)均會(huì)導(dǎo)致能量損耗。文獻(xiàn)[19]指出箝位電路單次動(dòng)作時(shí)，陽(yáng)極電抗能量的70%耗散于箝位電路。則單次動(dòng)作時(shí)箝位電路能量損耗Wcl為：

(17)

式中：La為陽(yáng)極電抗感值；IL為子模塊投切時(shí)刻其陽(yáng)極電抗的電流。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的分析，每次投切瞬態(tài)過(guò)程均會(huì)引起箝位電路動(dòng)作。因而箝位電路動(dòng)作頻率為子模塊投切頻率的2倍。平均值等效模型中，箝位電路單次動(dòng)作時(shí)陽(yáng)極電抗的電流變化是對(duì)子模塊電流的隨機(jī)采樣，且單次損耗中電流為二次項(xiàng)，則箝位電路損耗Pcl可以由式(18)計(jì)算。

(18)

4 取能電源損耗分析

取能電源消耗的功率取決于其輸出功率。在IGCT-MMC子模塊中，驅(qū)動(dòng)電源輸出功率大部分用于IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)。因此，需要準(zhǔn)確評(píng)估MMC工況中IGCT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率。

4.1 IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)原理與功耗分析

IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)主要包括開(kāi)通模塊、關(guān)斷模塊，以及控保與供電等輔助電路。為確保IGCT可靠、迅速開(kāi)通，開(kāi)通時(shí)需要向門(mén)極注入脈沖電流。導(dǎo)通狀態(tài)下，為避免電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)自然關(guān)斷，還需要注入穩(wěn)定的維持電流。關(guān)斷過(guò)程中，關(guān)斷模塊在門(mén)陰極間施加反壓，從而將陰極的工作電流抽出至門(mén)極，完成關(guān)斷。IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)原理示意如圖2所示。

圖2 IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)原理示意Fig.2 Principle of IGCT gate drive

根據(jù)原理分析，IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)功耗主要由以下5部分組成。

1)靜態(tài)功耗，即控制、檢測(cè)、保護(hù)等電路功耗，相對(duì)固定；

2)開(kāi)通行為中，向門(mén)極注入脈沖電流的功耗，與開(kāi)關(guān)頻率正相關(guān)；

3)導(dǎo)通狀態(tài)下，向門(mén)極注入穩(wěn)態(tài)電流的功耗，與占空比正相關(guān)；

4)關(guān)斷行為中，電容抽取門(mén)極電流產(chǎn)生的功耗，與開(kāi)關(guān)頻率、關(guān)斷電流正相關(guān)；

5)開(kāi)通電容充電電路、關(guān)斷電容充電電路、輸入穩(wěn)壓電路等產(chǎn)生的損耗，與以上4項(xiàng)均有關(guān)。

因此在忽略占空比因素的情況下，IGCT器件門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率與關(guān)斷電流、開(kāi)關(guān)頻率均呈線性關(guān)系。

4.2 恒定電流下門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算公式

子模塊選用國(guó)內(nèi)某半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，具有失電阻斷能力與高浪涌耐受能力的IGCT-Plus器件。該器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出不同開(kāi)關(guān)頻率下，門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率-關(guān)斷電流圖如圖3所示。

圖3 IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率-關(guān)斷電流Fig.3 Power of IGCT gate drive-turn-off current

從圖3可以看出，頻率給定時(shí)，IGCT器件門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率與關(guān)斷電流近似為線性關(guān)系。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，還可以作出關(guān)斷電流給定時(shí)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率PG與開(kāi)關(guān)頻率f關(guān)系如圖4所示。

圖4 IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率-開(kāi)關(guān)頻率Fig.4 Power of IGCT gate drive-switching frequency

可見(jiàn)，在固定關(guān)斷電流下，門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率與開(kāi)關(guān)頻率也為線性關(guān)系，這與理論分析相符。恒定通流下，IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率PG與關(guān)斷電流Ioff、開(kāi)關(guān)頻率f在空間直角坐標(biāo)系中所形成的曲面為直紋面，其解析式為：

PG=k1+k2f+k3Ioff+k4fIoff

(19)

為提高擬合精度，取相距較遠(yuǎn)的4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代入公式，求解線性方程組，即可得到4個(gè)常數(shù)值。最終擬合得到的門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算公式為：

PG=7.51+0.063 3f-0.005Ioff+0.086 7fIoff

(20)

式中：f單位為Hz；Ioff單位為kA；PG單位為W。

4.3 MMC工況中取能電源功率計(jì)算方法

根據(jù)第2.2節(jié)的分析，可以將IGCT對(duì)應(yīng)器件對(duì)的平均電流作為關(guān)斷電流，以及式(13)所確定的IGCT開(kāi)關(guān)頻率代入式(20)，進(jìn)而計(jì)算該器件門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率。

將兩個(gè)IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率相加，并考慮控制板卡功率、取能電源效率，可以得到取能電源損耗。

需要注意的是，若式(4)、式(5)是對(duì)整個(gè)基波周期進(jìn)行積分與平均，得到器件電流平均值與均方根值，則在計(jì)算器件通態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)損耗時(shí)，不再需要進(jìn)行式(10)、(13)的折算，可直接在整個(gè)基波周期內(nèi)積分得到通態(tài)損耗、以子模塊投切頻率代替器件開(kāi)關(guān)頻率計(jì)算開(kāi)關(guān)損耗，這在IGBT-MMC中是可行的。但是，由于IGCT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算公式(20)中含有獨(dú)立的f項(xiàng)與I項(xiàng)，這樣的方式會(huì)導(dǎo)致門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算不準(zhǔn)確。

5 IGCT-MMC損耗分析算例

5.1 損耗分析依據(jù)

本文基于表2所示的數(shù)據(jù)開(kāi)展分析。

表2 某直流背靠背項(xiàng)目參數(shù)Tab.2 Parameters of a DC back-to-back project

所選用的IGCT器件為國(guó)內(nèi)某半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CAC5000- 45Plus，反并聯(lián)二極管為德國(guó)某公司生產(chǎn)的D4600U，相關(guān)參數(shù)分別如表3—4所示。

表3 所用IGCT的特性參數(shù)Tab.3 Characteristic values of IGCT used

表4 所用二極管的特性參數(shù)Tab.4 Characteristic parameters of FWD used

為充分保護(hù)功率半導(dǎo)體器件，選用了0.6 μH感值的陽(yáng)極電抗，以將IGCT開(kāi)通過(guò)程的di/dt降至4 kA/μs以下，該電抗直流電阻40 mΩ。計(jì)算中，控制板卡功率取5 W，取能電源轉(zhuǎn)換效率取80%。

5.2 損耗分析結(jié)果

采用平均值等效的方法，用MATLAB編程計(jì)算IGCT-MMC子模塊損耗，計(jì)算結(jié)果如表5所示。為驗(yàn)證基于平均值等效的損耗分析方法的可靠性，表中還將平均值等效計(jì)算與模擬實(shí)際投切過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算得到的器件損耗結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并以仿真計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)計(jì)算了相對(duì)誤差。

表5 不同算法損耗計(jì)算結(jié)果與比較Tab.5 Loss calculation results by different algorithms and their comparison

MMC的橋臂電流存在直流偏置，且特定功率因數(shù)下，橋臂電流、電壓相位差固定，這導(dǎo)致各器件通流情況差異較大。以MMC逆變工況為例，橋臂電壓、電流如圖5所示?？梢钥闯?，橋臂電流直流分量為正，而電流正向時(shí)又對(duì)應(yīng)較低的投入占比，這使得T2器件電流很大，從而其損耗顯著偏高。

圖5 MMC逆變工況下橋臂電壓、電流示意Fig.5 Voltage and current of bridge arms in MMC inverter mode

與仿真計(jì)算相比，平均值等效計(jì)算的各項(xiàng)結(jié)果誤差均在4%以?xún)?nèi)，而模塊總損耗誤差不到1%，這是由于仿真計(jì)算中，投切過(guò)程并不隨機(jī)，導(dǎo)致模擬出的器件投切時(shí)刻較理想模型有所偏差，又因?yàn)楦鱾€(gè)器件特性參數(shù)相近，這種偏差在計(jì)算總損耗時(shí)部分抵消了。對(duì)于不涉及具體投切時(shí)刻，僅根據(jù)電流計(jì)算的項(xiàng)目，如陽(yáng)極電抗損耗、取能電源損耗，平均值等效模型都有較低的誤差，

總體看來(lái)，平均值等效模型具有很好的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

本文基于平均值等效模型，對(duì)IGCT-MMC運(yùn)行過(guò)程中子模塊IGCT器件、緩沖電路、取能電源等損耗進(jìn)行了評(píng)估，并與模擬實(shí)際投切過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，平均值等效模型得到的各項(xiàng)損耗與仿真計(jì)算結(jié)果誤差不超過(guò)4%，模塊總損耗誤差不超過(guò)0.5%。

本文采用的平均值等效的電流計(jì)算方法具有原理直觀，編程簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)，為IGCT-MMC子模塊設(shè)計(jì)與整機(jī)損耗評(píng)估提供了更加簡(jiǎn)便準(zhǔn)確的方式。