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IEC 62751-2-2014 HVDC 系统 VSC 阀的功率损耗 – 模块化多电平换流器
本标准规定了采用模块化多电平换流器（MMC）拓扑的电压源换流器（VSC）阀的功率损耗计算方法，涵盖传导损耗、开关损耗、直流电容器损耗、缓冲电路损耗和阀电子设备功耗。
1. MMC 阀损耗分类与计算原则
IEC 62751-2-2014 针对模块化多电平换流器（MMC）阀的独特损耗机制进行了详细规定，这与 IEC 62751-1 中涵盖的两电平 VSC 阀有根本区别。在 MMC 拓扑中，每个阀由多个构建块（子模块）组成，通常采用半桥或全桥配置，每个子模块包含自己的直流电容器。这种模块化结构形成了独特的损耗分布模式，需要仔细分析。
标准将阀损耗分为五个主要类别：
| 损耗类别 | 主要组成部分 | 典型占比（%） | 关键参数 |
|---|---|---|---|
| 传导损耗 | IGBT VCE(sat)、二极管 VF | 55–70 | 阀电流、调制系数、子模块数量 |
| 开关损耗 | IGBT Eon、Eoff、二极管 Erec | 20–30 | 开关频率、直流电压、结温 |
| 直流电容器损耗 | 电容器组的等效串联电阻 | 3–8 | 电容器纹波电流、ESR、子模块电压 |
| 缓冲电路损耗 | RCD 缓冲电路 | 1–3 | 缓冲电容器、开关频率 |
| 阀电子设备 | 门极驱动器、控制电路 | 1–5 | 断态电压、辅助电源拓扑 |
与两电平换流器中开关损耗占主导不同，MMC 阀通常以传导损耗为最大组成部分，因为任何时候电流路径中都有更多半导体器件。阀电流同时流经一个支路内的所有投入子模块，使传导损耗优化成为 MMC 效率的关键。
2. 详细损耗计算方法
IGBT 传导损耗通过在导通周期内对瞬时集电极-发射极电压（VCE）乘以集电极电流（IC）进行积分计算。标准考虑了 VCE(sat) 的温度依赖性，通常建模为 VCE(Tj) = VCE0 + rC · IC + kT · (Tj − 25 °C)。类似地，二极管传导损耗使用正向电压特性 VF(Tj) = VF0 + rF · IF。
开关损耗使用制造商提供的器件开关能量曲线（IGBT 的 Eon、Eoff，二极管的 Erec）进行计算。标准规定这些值必须根据实际工作点的直流电压、电流和门极电阻进行修正。对于 MMC 阀，由于多电平电压波形的原因，每个器件的开关频率可比等效两电平换流器显著降低，这是关键的效率优势。
直流电压相关损耗包括半导体器件断态漏电流和子模块电容器放电电阻的损耗。这些损耗与直流电压的平方成正比，在低负载或待机运行时尤为重要。
工程洞察：附录 A 中描述的三次谐波注入技术可以在不增加直流电压的情况下显著提高 MMC 换流器的交流电压利用率。通过在调制参考波中注入三次谐波分量，有效调制系数最高可提高 15%，从而在相同功率传输下降低阀电流，进而使传导损耗降低 5–10%。
3. 每座 HVDC 变电站的总阀损耗
标准要求在指定的运行条件下报告每座 HVDC 变电站的总阀损耗，包括满载、部分负载（通常为 50% 和 75%）和空载（待机）运行。计算必须考虑：
- MMC 配置中的所有六个阀支路（三相，每相两个臂）
- 每相上下臂之间流动的环流，这会产生超出基波交流电流分量的额外传导损耗
- 臂电抗器损耗，作为阀组件的组成部分，同样需要报告
- 阀电子设备的辅助功耗，包括门极驱动单元、子模块控制器和光纤通信接口
| 运行条件 | 传导损耗（MW） | 开关损耗（MW） | 其他损耗（MW） | 每站总计（MW） |
|---|---|---|---|---|
| 满载（100%） | 4.2 | 1.8 | 0.7 | 6.7 |
| 部分负载（75%） | 3.1 | 1.5 | 0.6 | 5.2 |
| 部分负载（50%） | 2.0 | 1.1 | 0.5 | 3.6 |
| 空载（待机） | — | — | 0.15 | 0.15 |
常见工程疏漏：将子模块损耗聚合到总阀损耗时，不应忽略环流贡献。尽管环流不参与有功功率传输，但它（通常为额定臂电流的 10–20%）流经臂中所有半导体器件，可使总传导损耗增加 3–7%。精确的损耗模型必须在调制策略中包含二次谐波环流抑制控制。
4. 常见问题
问：MMC 损耗分布与两电平 VSC 有何不同？
答：MMC 阀的每器件开关损耗较低（有效开关频率更低），但传导损耗较高（导电路径中的器件更多）。额定功率下的系统效率通常相当，但 MMC 在部分负载下表现更好，因为轻载时可以通过旁路子模块来提高效率。
问：子模块电容器电压纹波对损耗有何影响？
答：电容器电压纹波（通常为标称值的 5–10%）会影响直流电压相关损耗，并对半导体器件造成额外的电压应力。纹波增大提高了峰值阻断电压要求，并可能增加开关损耗。标准建议在损耗计算中包含 10% 的电压裕量。
问：本标准能否应用于全桥子模块的 HVDC 系统？
答：可以。附录 A.6.2 专门讨论了全桥 MMC 构建块，其每子模块的半导体器件数量是半桥配置的两倍。传导损耗计算需要扩展以考虑有功和无功功率运行期间电流路径中的额外器件。
问：阀电子设备的功耗如何测量或估算？
答：标准规定了两种方法：从每个 IGBT 的断态电压供电（通过漏电流和分压网络计算损耗）和从直流电容器供电（测量每个子模块控制器的静态功耗）。典型子模块电子设备功耗为 15–50 W，包括门极驱动、光通信和保护电路。
