模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略

丁红旗; 马伏军; 徐千鸣; 韩蓉; 周发云; 郭鹏

doi:10.7500/AEPS20201102008

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略
- Loss Optimization Control Strategy for IGBT in Sub-module of Modular Multilevel Converter
- 电力系统自动化 2021年45卷第17期页码：143-152
- 作者机构：
  
  湖南大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市 410082
- 作者简介：
  
  丁红旗(1991—)，男，博士研究生，主要研究方向：大功率电力电子变换器控制、多端口直流变换器控制。E-mail：s150900718@hnu.edu.cn
  马伏军（1985—），男，通信作者，教授，主要研究方向：柔性交流输电技术和电力电子变换装置。E-mail：mafujun2004@163.com
  徐千鸣(1989—)，男，博士，副教授，主要研究方向：大功率电力电子装置控制、多电平变换器。E-mail：hnuxqm@foxmail.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金面上项目(51977067)
- DOI：10.7500/AEPS20201102008
  中图分类号：
- 收稿日期：2020-11-02，
  
  修回日期：2021-04-14，
  
  网络出版日期：2020-07-06，
  
  纸质出版日期：2021-09-10
- 稿件说明：
移动端阅览
丁红旗,马伏军,徐千鸣等.模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略[J].电力系统自动化,2021,45(17):143-152.

DING Hongqi,MA Fujun,XU Qianming,et al.Loss Optimization Control Strategy for IGBT in Sub-module of Modular Multilevel Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(17):143-152.
丁红旗,马伏军,徐千鸣等.模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略[J].电力系统自动化,2021,45(17):143-152. DOI： 10.7500/AEPS20201102008.

DING Hongqi,MA Fujun,XU Qianming,et al.Loss Optimization Control Strategy for IGBT in Sub-module of Modular Multilevel Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(17):143-152. DOI： 10.7500/AEPS20201102008.

摘要

模块化多电平换流器（MMC）因具备模块化、调度灵活等优势得到广泛应用。然而，逆变工况下，MMC子模块上下管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的损耗分布不一致，导致子模块内各器件的寿命差异大，而系统可靠性取决于寿命最低的器件，因此，子模块器件的可靠性将严重威胁到换流器的安全可靠运行。为此，文中提出了一种MMC子模块IGBT损耗优化控制策略。所提策略可以在不影响输出外特性的同时，改善子模块内部器件的损耗分布，提高系统的可靠性。具体而言，分析了模块内部损耗不平衡产生的机理，并通过在调制信号中叠加修正量的方式，减小子模块上下管IGBT的损耗偏差，实现了结温均衡。最后，通过损耗优化的数学证明及热-电联合仿真和器件寿命计算，验证了损耗分析的正确性及所提损耗优化控制策略的可行性。

Abstract

Modular multilevel converters (MMCs) are widely used because of their modularity and flexible management. However

there is inconsistency in the loss distribution of the upper and lower insulate-gate bipolar transistors (IGBTs) in the sub-module (SM) of MMC during the inverter operation condition

which results in a large difference in the lifetime of each device in the SM. Since the system reliability depends on the device with the lowest lifetime

the safe and reliable operation of the converter will be seriously threatened by the reliability of the device in the SM. Therefore

this paper proposes a loss optimization control strategy for IGBT in the SM of MMC. Moreover

the proposed strategy can improve the loss distribution of devices in the SM without affecting the external characteristics of the output

and enhance the reliability of the system. Specifically

the mechanism of the internal loss imbalance of the SM is analyzed. The loss deviation between the upper and lower IGBTs in the SM is reduced by superimposing the correction quantity in the modulation signal. Thus

the junction temperature equilibrium is realized. Finally

through the mathematical proof of loss optimization

the thermo-electric co-simulation and the device lifetime calculation

the correctness of the loss analysis and the feasibility of the proposed loss optimization control strategy are verified.

关键词

Keywords

references

赵成勇，宋冰倩，许建中 . 柔性直流电网故障电流主动控制典型方案综述［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 5 ）： 3 - 13 .

ZHAO Chengyong ， SONG Bingqian ， XU Jianzhong . Overview on typical schemes for active control of fault current in flexible DC grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 3 - 13 .

易灵芝，黄晓辉，黄守道，等 . 基于最近电平逼近调制的模块化多电平变换器中高压变频调速系统运行控制［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 6 ）： 1303 - 1315 .

YI Lingzhi ， HUANG Xiaohui ， HUANG Shoudao ， et al . A medium-voltage motor drive with modular multilevel converter based on nearest level modulation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 1303 - 1315 .

陈铮，陈武，刘忠，等 . 具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC ［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 4 ）： 106 - 114 .

CHEN Zheng ， CHEN Wu ， LIU Zhong ， et al . Active current-transferring modular multilevel converter with DC fault blocking capability ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 4 ）： 106 - 114 .

张建坡，崔涤穹，田新成，等 . 自阻自均压模块化多电平换流器子模块拓扑及控制［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 18 ）： 3917 - 3926 .

ZHANG Jianpo ， CUI Diqiong ， TIAN Xincheng ， et al . Self-block and voltage balance modular multilevel converter sub module topology and control ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 18 ）： 3917 - 3926 .

BLAABJERG F . Design for reliability in power electronic systems ［C］// 20th European Conference on Power Electronics and Applications （EPE’18 ECCE Europe）， September 17-21 ， 2018 ， Riga， Latvia .

张哲任，徐政，薛英林 . 基于分段解析公式的MMC-HVDC阀损耗计算方法［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 15 ）： 109 - 116 .

ZHANG Zheren ， XU Zheng ， XUE Yinglin . Valve loss calculation of MMC-HVDC based on piecewise analytical formula ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 15 ）： 109 - 116 .

王海田，汤广福，贺之渊，等 . 模块化多电平换流器的损耗计算［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 2 ）： 112 - 118 .

WANG Haitian ， TANG Guangfu ， HE Zhiyuan ， et al . Power losses calculation of modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 2 ）： 112 - 118 .

李强，庞辉，贺之渊 . 模块化多电平换流器损耗与结温的解析计算方法［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 4 ）： 85 - 91 .

LI Qiang ， PANG Hui ， HE Zhiyuan . Analytic calculating method for loss and junction temperature of modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 4 ）： 85 - 91 .

李玲玲，许亚恵，李志刚 . 基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法［J］. 电源学报， 2016 ， 14 （ 6 ）： 23 - 28 .

LI Lingling ， XU Yahui ， LI Zhigang . Calculation method of IGBT module junction temperature based on electro-thermal coupling model ［J］. Journal of Power Supply ， 2016 ， 14 （ 6 ）： 23 - 28 .

周莹坤，齐磊，姜舒婷，等 . 采用最近电平控制的模块化多电平换流器损耗一致性分析［J］. 电网技术， 2015 ， 39 （ 9 ）： 2490 - 2497 .

ZHOU Yingkun ， QI Lei ， JIANG Shuting ， et al . Loss consistency analysis of modular multi-level converter using nearest level control ［J］. Power System Technology ， 2015 ， 39 （ 9 ）： 2490 - 2497 .

赵聪，李耀华，李子欣，等 . 模块化多电平变流器开环环流抑制策略的渐进稳定性分析［J］. 电工电能新技术， 2016 ， 35 （ 10 ）： 1 - 8 .

ZHAO Cong ， LI Yaohua ， LI Zixin ， et al . Asymptotic stability analysis of open-loop circulating current suppression of modular multilevel converter ［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ， 2016 ， 35 （ 10 ）： 1 - 8 .

刘焕，岳伟，张一工，等 . 基于准比例-谐振控制的MMC-HVDC环流抑制策略［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 12 ）： 146 - 151 .

LIU Huan ， YUE Wei ， ZHANG Yigong ， et al . Circuiting current restraining strategy based on quasi proportional-resonance control in MMC-HVDC ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 12 ）： 146 - 151 .

苑宾，许建中，赵成勇，等 . 模块化多电平换流器PR环流抑制器优化设计［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 10 ）： 2567 - 2575 .

YUAN Bin ， XU Jianzhong ， ZHAO Chengyong ， et al . Optimal design of PR circulating current suppressing controllers for modular multilevel converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 10 ）： 2567 - 2575 .

YANG L M ， LI Y H ， LI Z X ， et al . Loss optimization of MMC by second-order harmonic circulating current injection ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 7 ）： 5739 - 5753 .

岳雨霏，徐千鸣，郭鹏，等 . 考虑损耗优化的多电平铁路功率调节器的混合环流注入策略［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 24 ）： 7311 - 7324 .

YUE Yufei ， XU Qianming ， GUO Peng ， et al . Hybrid circulating current injection strategy of multilevel railway power conditioner considering optimized power loss ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 24 ）： 7311 - 7324 .

LI J K ， SHI E Z ， WU X Z ， et al . Optimized device loss and capacitor voltage reduction of MMC-HVDC for offshore wind farms ［C］// 2019 IEEE Sustainable Power and Energy Conference （iSPEC）， November 21-23 ， 2019 ， Beijing， China ： 119 - 124 .

SANGWONGWANICH A ， MATHE L ， TEODORESCU R ， et al . Two-dimension sorting and selection algorithm featuring thermal balancing control for modular multilevel converters ［C］// 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications （EPE’16 ECCE Europe）， September 5-9 ， 2016 ， Karlsruhe， Germany .

HAHN F ， BUTICCHI G ， LISERRE M . Active thermal balancing for modular multilevel converters in HVDC applications ［C］// 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications （EPE’16 ECCE Europe）， September 5-9 ， 2016 ， Karlsruhe， Germany .

WANG D ， LIU J J ， CAO R ， et al . An improved active thermal balancing algorithm for modular multilevel converter in HVDC applications ［C］// 2020 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）， March 15-19 ， 2020 ， New Orleans， USA ： 351 - 357 .

赵盈洁 . 固态变压器中MMC的热平衡分析及控制方法研究［D］. 沈阳：沈阳工业大学， 2019 .

ZHAO Yingjie . Research on thermal balance analysis and control method of MMC in solid state transformer ［D］. Shenyang ： Shenyang University of Technology ， 2019 .

WANG Z X ， WANG H ， ZHANG Y ， et al . Submodule level power loss balancing control for modular multilevel converters ［C］// 2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， September 23-27 ， 2018 ， Portland， USA ： 5731 - 5736 .

GONCALVES J ， ROGERS D J ， LIANG J . Submodule temperature regulation and balancing in modular multilevel converters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 9 ）： 7085 - 7094 .

WANG Z X ， WANG H ， ZHANG Y ， et al . Balanced conduction loss distribution among SMs in modular multilevel converters ［C］// 2018 International Power Electronics Conference （IPEC-Niigata 2018-ECCE Asia）， May 20-24 ， 2018 ， Niigata， Japan ： 3123 - 3128 .

董玉斐 . 模块化多电平换流器的主动热控制研究［D］. 杭州：浙江大学， 2018 .

DONG Yufei . Research on active thermal control of modular multilevel inverter ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2018 .

许彬，李景波，宁志彦，等 . 高压大容量MMC子模块下部IGBT损耗优化方法［J/OL］. 电网技术： 1 - 12 ［ 2021-01-30 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2410.TM.20210107.0915.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2410.TM.20210107.0915.002.html .

XU Bin ， LI Jingbo ， NING Zhiyan ， et al . Loss optimization for the bottom IGBT of submodule in high-voltage and large-capacity modular multilevel converter ［J］. Power System Technology： 1 - 12 ［ 2021-01-30 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2410.TM.20210107.0915.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2410.TM.20210107.0915.002.html .

RYCHLIK I . A new definition of the rainflow cycle counting method ［J］. International Journal of Fatigue ， 1987 ， 9 （ 2 ）： 119 - 121 .

周雒维，王博，张益，等 . 非平稳工况下功率半导体器件结温管理技术综述［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 8 ）： 2394 - 2407 .

ZHOU Luowei ， WANG Bo ， ZHANG Yi ， et al . Review on junction temperature management of power semiconductor devices under power fluctuation condition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 8 ）： 2394 - 2407 .

HEO D ， KANG F ， SONG S . Failure-rate analysis considering operational condition of half-bridge submodule in HVDC system ［C］// 2019 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering （ISEE）， October 10-12 ， 2019 ， Ho Chi Minh， Vietnam ： 252 - 256 .

熊桥坡，罗安，帅智康，等 . 级联型SVG单载波调制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 24 ）： 74 - 81 .

XIONG Qiaopo ， LUO An ， SHUAI Zhikang ， et al . A single-carrier modulation strategy for cascade SVG ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 24 ）： 74 - 81 .

FALCK J ， BUTICCHI G ， LISERRE M . Thermal stress based model predictive control of electric drives ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2018 ， 54 （ 2 ）： 1513 - 1522 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

低频工况下基于桥臂能量补偿的MMC模型预测控制策略

MMC电容能量对交流系统惯量支撑能力分析

用于大规模新能源架空线路送出的储能型柔性直流输电系统