上海交通大学：应用于直流电网的直接耦合式直流变压器-第5页-北极星输配电网

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4、损耗计算

直流变压器中开关管的损耗包括导通损耗和开关损耗两部分,下面分别计算这两部分的损耗值。损耗计算中子模块中的IGBT采用ABB公司的5SNA1000N330300IGBT模块。

4.1 导通损耗

变换器中子模块的导通损耗包括IGBT的导通损耗和二极管的导通损耗。根据1.2节的分析,当La较小时,换流过程较短,因此可忽略换流过程中的导通损耗。当链式模块1工作在高电平时,i1的值为

因此,这个阶段链式模块1中子模块的导通损耗较小,可忽略不计。

当链式模块1工作在低电平状态时,i1的值为

此时,链式模块1中子模块的下管S2均导通,若IGBT的导通压降为Vce,链式模块1的导通损耗为

同样地,若忽略滤波电感电流波动,当链式模块2工作在高电平状态时,由式(33)可知i2的值较小,因此它的导通损耗较小,可忽略不计。当链式模块2工作在低电平模式时,由式(32)可知,i2的值为

此时,链式模块2中所有子模块中上管反并联二极管D1均导通,若反并联二极管的导通压降为VF,链式模块2的导通损耗为

将式(45)和(47)求和可得直流变压器总导通损耗为：

4.2 开关损耗

根据图2,在t=0时,链式模块1从高电平状态切换到低电平状态,由于此时流过链式模块1的电流i1较小,因此开关管的开关损耗较小,可忽略不计。在t=DT时,链式模块1从低电平状态切换到高电平状态,此时流入链式模块1的电流约为P/Udc2。这里先单独分析链式模块中的一个子模块。为了防止子模块上下开关管S1和S2同时导通,需要设置一定的死区时间。因此,子模块下管S2先关断,流过它的电流下降为零,同时上管反并联二极管D1导通,电流上升为P/Udc2。死区时间之后上管S1开通,由于S1两端电压被反并联二极管钳为零,S1零电压开通,开关损耗为零,因此只需计算S2的关断损耗。若IGBT的关断损耗为Eoff,链式模块1的开关损耗为

同样地,链式模块2从高电平状态切换到低电平状态时,由于i2较小,开关管的开关损耗较小,可忽略不计。在链式模块2从低电平状态切换到高电平状态时,忽略滤波电感电流波动,i2P/Udc2。考虑死区时间,子模块上管S1先关断,由于电流从其反并联二极管D1中流过,S1零电压关断。死区时间后S2开通,流过D1的电流从P/Udc2下降到零,同时流过S2的电流从零上升到P/Udc2。若IGBT的开通损耗为Eon,二极管的反向恢复损耗为Erec,链式模块2的开关损耗为

将式(49)和(50)求和,可得直流变压器总开关损耗为

根据以上分析,图8给出了不同变比下,开关损耗和导通损耗占直流变压器总传输功率的百分比数(η1、η2)。其中,直流变压器的开关频率取200Hz。

图8 开关损耗与导通损耗所占百分比

4.3 效率对比

这里将本文提出的两电平调制直流变压器与文献[16]提出的基于正弦波调制的直流变压器和文献[5]提出的直流变压器在不同变比下的效率进行了对比。为便于比较,所有直流变压器拓扑的交流分量均取200Hz。正弦波调制的MMC损耗计算模型参照文献[20]提出的MMC损耗计算模型。采用正弦波调制时,开关管的开关频率一般为交流频率的2~3倍,这里取交流分量频率的2倍,即400Hz。文献[5]提出的直流变压器拓扑中的交流变压器效率按99%计算。图9给出了计算结果。从图9可以看到,由于需要交流变压器,文献[5]提出的直流变压器拓扑效率最低;本文提出的两电平调制的直接耦合式直流变压器与正弦波调制的直接耦合式直流变压器相比,交流环流更小,且开关频率更低,因此其效率最高。

图9 各拓扑效率比较

原标题：上海交通大学游洪程，蔡旭：应用于直流电网的直接耦合式直流变压器

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