(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210955352.7 (22)申请日 2022.08.10 (71)申请人 芜湖明远电力工程咨询设计有限公 司 地址 241000 安徽省芜湖市镜湖区北京路2 号 (72)发明人 夏友斌　夏民　李升　柯倩雯　 李妮　丁营　杨玉金　 (74)专利代理 机构 南京匠桥专利代理有限公司 32568 专利代理师 徐尼云 (51)Int.Cl. H02J 3/38(2006.01) H02J 3/48(2006.01) H02J 3/50(2006.01)H02J 3/32(2006.01) H02M 7/5387(2007.01) H02M 1/088(2006.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/06(2020.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 一种基于环流注入的多电平储能变换器寿 命优化控制方法 (57)摘要 本发明涉及多电平储能变换器技术领域， 尤 其涉及一种基于环流注入的多电平储能变换器 寿命优化控制方法， 通过向各个相中注入最优的 二次谐波环流来优化桥臂电流在同一个模块中 四个功率器件中的分布， 达到提高子模块中四个 功率器件中循环失效周期数最低的功率器件的 循环失效周期数， 进而达到提高多电平储能变换 器寿命的目的， 本发明的子模块寿命优化算法不 需要对硬件电路做任何改动， 没有造成系统的硬 件复杂性和系统成本的增加， 同时， 可 以保证不 影响电能质量输出性能的前提下实现多电平储 能变换器的安全可靠运行。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115333147 A 2022.11.11 CN 115333147 A 1.一种基于环流注入的多电平储能变换器寿命优化控制方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S1、 以多电平储能变换器子模块中循环失效周期数最低的功率器件循环失效周期数最 大化为目标， 根据给定的有功功率和无功功率， 结合多电平储能变换器的功率平衡关系和 功角关系得到网侧电流ia和直流侧电流idc， 根据环流、 网侧电流、 直流侧电流和环 流的数学 模型得到桥臂电流的表达式， 获取桥臂电流； S2、 在二次环流注入的幅值和相位的约束条件下， 根据获取的桥臂电流， 通过损耗模 型、 结温模型和寿命 模型得到每种环流下子模块中四个功率器件的循环失效周期数； S3、 选取每种环流下四个功率器件中循环失效周期数最小的值， 构建各个环流情况下 循环失效周期数最小值的数据集； S4、 在数据集中寻找最大的循环失效周期数， 选取该循环失效周期数对应的二次谐波 幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位， 将对应的最优二次环流注入到三相桥臂中， 提高子模块中循环失效周期数最小的功 率器件的循环失效周期数， 提高多电平储能变换器 中功率器件的寿命。 2.根据权利要求1所述的基于环流注入的多电平储能变换器寿命优化控制方法， 其特 征在于， 在步骤S1中， 多电平储能变换器桥臂电流的获取， 具体子步骤如下： S101、 忽略多电平储能变换器的损耗， 由多电平储能变换器交直流有功功率相等法则， 得到直流侧电流 idc： idc＝P/Vdc， 式中， P和Vdc分别为多电平储能变换器传输的有功功率和多电平储能变换器直流侧电 压； S102、 根据网侧有功、 无功、 网侧交流电压幅值、 功率因数之间的数学关系， 得到 网侧电 流幅值Im和功率因数角 式中， Q和Em分别为多电平储能变换器传输的无功 功率和电网侧电压幅值； S103、 将A相桥臂的二次谐波环流 i2fa表示为： i2fa＝I2msin(2ωt+θ ) 式中， Im和θ分别为二次谐波环流的幅值和相位， ω为电网角频率， t为时间域里面的时 刻； 进而得到A相上 下桥臂电流： 式中， iau和ial分别为A相上、 下桥臂电流， ia为A相电流。 3.根据权利要求1所述的基于环流注入的多电平储能变换器寿命优化控制方法， 其特权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115333147 A 2征在于， 多电平储能变换器的每个桥臂上包含了n个相同的子模块以及一个桥臂电感， 子模 块采用半桥结构， 每 个子模块由两个IGBT， 两个二极管和一个直 流电容组成。 4.根据权利要求1所述的基于环流注入的多电平储能变换器寿命优化控制方法， 其特 征在于， 步骤S2中， 在二次环 流注入的幅值和相位的约束 条件下， 通过寿命模型得到各个桥 臂电流下子模块中四个功率器件的不同的循环失效周期数为： 式中Nf_T1、 Nf_T2、 Nf_D1和Nf_D2分别为子模块1号IGBT  T1、 子模块1号二极管器件D1、 子模块 2号IGBT T2和子模块2号二极管器件D2的循环失效周期数； A， β1， β2和β3是拟合参数， A＝1.42 ×1012， β1＝‑7.14， β2＝5154， β3＝‑0.3， ttest＝1s； ΔTj_T1、 ΔTj_T2、 ΔTj_D1和ΔTj_D2分别为T1、 T2、 D1和D2的结温波动值； Tjmax_T1、 Tjmax_T2、 Tjmax_D1和Tjmax_D2分别为T1、 T2、 D1和D2的功率器件结 温的最大值。 5.根据权利要求4所述的基于环流注入的多电平储能变换器寿命优化控制方法， 其特 征在于， 平均结温Tjm和波动ΔTj可分别表示 为： 式中Th表示散热器温度， Rthi_T(i＝1， 2， 3， 4)表示IGBT从结到壳的各阶热阻， Rthi_D(i＝ 1， 2， 3， 4)表示二极管从结到壳的各阶热阻， τthi_T(i＝1， 2， 3， 4)表示IGBT从结到壳的各阶热 时间常数， τthi_D(i＝1， 2， 3， 4)表示二极管从结到壳的各阶热时间常数， Rthch表示功率模块 从壳到散热片的热阻， τthch表示功率模块从壳到散热片的热时间常数， PT/D表示功率器件 IGBT和二极管的损耗， ton表示IGBT或二极管每 个基波周期的导 通时间。 6.根据权利要求5所述的基于环流注入的多电平储能变换器寿命优化控制方法， 其特 征在于， 功率器件IGBT和二极管的平均功率损耗PT/D可表示为： PT/D＝Pcon_T/D+Psw_T/D 式中Pcon_T/D和Psw_T/D分别为功率器件的平均导通损耗和平均开 关损耗， 其详细表 达式分 别如下： 式中， uceo_T/D和rc_T/D分别是功率器件IGBT和二极管零电流下的集射电压和导通电阻,T 为基波周期， T＝2 π/ω； Esw_T/D是测试电压下的开关能量损耗， Uref和Usm分别是数据表中的测 试电压和子模块的平均电容电压 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115333147 A 3