IEC 62751-22014AMD22023 修改件2.高压直流（HVDC）系统用电压源换流器（VSC）阀的功率损失.第2部分模块化多电平换流器标准立项发展报告

修改件2.高压直流（HVDC）系统用电压源换流器（VSC）阀的功率损失第2部分：模块化多电平换流器标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Amendment2-Powerlossesinvoltagesourcedconverter(VSC)valvesforhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systems-Part2:Modularmultilevelconverters摘要关键词：高压直流输电；电压源换流器；模块化多电平换流器；功率损失；IEC标准；换流阀Keywords:HVDCtransmission;Voltagesourcedconverter;Modularmultilevelconverter;Powerlosses;IECstandard;Convertervalve1引言1.1标准修订背景在全球碳中和目标驱动下，高压直流输电技术正经历前所未有的发展机遇。据国际能源署（IEA）统计，全球在建及规划中的HVDC输电工程容量已超过300GW，其中基于电压源换流器技术的柔性直流输电工程占比持续攀升。模块化多电平换流器（MMC）凭借其模块化程度高、谐波特性优良、故障隔离能力强等突出优势，已成为当前VSC-HVDC工程的主流换流器拓扑。在中国，张北柔性直流电网示范工程、乌东德—广东特高压多端柔性直流工程等重大项目的相继投运，标志着我国在MMC-HVDC领域已处于国际领先地位。功率损失作为衡量换流阀性能的关键技术指标，直接关系到系统的输电效率、散热设计、设备选型及全生命周期运行成本。IEC62751-2:2014《高压直流（HVDC）系统用电压源换流器（VSC）阀的功率损失第2部分：模块化多电平换流器》自发布以来，为全球范围内MMC阀功率损失的统一计算提供了重要技术框架。然而，随着技术进步和工程实践的深入，该标准在使用过程中逐渐暴露出若干局限性：首先，在器件层面，以碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）为代表的宽禁带半导体器件开始进入中高压换流阀应用领域，其开关特性和导通特性与传统硅基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）存在显著差异，原有基于硅基器件的损耗计算模型难以直接适用。其次，在拓扑层面，混合型MMC、全桥子模块与半桥子模块混用等新型拓扑方案在工程中广泛应用，原有的损耗分类体系未能有效覆盖这些新型结构的计算需求。再次，在运行工况层面，随着新能源并网比例的不断提升，换流阀需要在更宽泛的功率波动范围和更复杂的谐波条件下运行，而原有标准的损耗计算条件设定相对理想化，与工程实际情况存在偏差。1.2修订目的与意义在上述背景下，IECSC22F（输配电系统电力电子设备分技术委员会）启动了IEC62751-2的修订工作，旨在：第一，更新完善功率损失计算方法，使其适应当前MMC技术发展的最新需求；第二，扩展标准的适用范围，涵盖新型功率半导体器件和拓扑结构；第三，修正原标准中存在的技术问题，提高计算结果的准确性和可比性；第四，与IEC62751-1:2014/AMD1:2018等系列标准的修订保持协调一致。本次修订对于规范全球MMC换流阀功率损失计算、促进技术创新和工程应用具有重要的现实意义。2标准概述2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IEC62751-2:2014/AMD2:2023||标准全称|修改件2.高压直流（HVDC）系统用电压源换流器（VSC）阀的功率损失.第2部分：模块化多电平换流器||英文名称|Amendment2-Powerlossesinvoltagesourcedconverter(VSC)valvesforhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systems-Part2:Modularmultilevelconverters||标准状态|现行||发布机构|国际电工委员会（IEC）||所属技术委员会|IECSC22F（输配电系统电力电子设备分技术委员会）||发布日期|2023年8月28日||发布年份|2023年||国别|国际组织||语言|英语+法语||分类号|其他有关输电网和配电网的设备||ICS分类|29.240.01（输电网和配电网综合）|2.2标准体系定位IEC62751系列标准为VSC阀功率损失计算提供统一方法论，其中第1部分（IEC62751-1）规定了通用要求，第2部分（IEC62751-2）专门针对MMC拓扑。该系列标准与IEC62501（VSC阀电气试验）、IEC60700（HVDC晶闸管阀）等标准共同构成了HVDC换流阀的标准体系。本次修订件是对原标准的技术更新与补充，涵盖了对原标准中部分条款的修正、技术内容的更新以及新增附录等内容。2.3标准主要内容框架IEC62751-2:2014/AMD2:2023在保持原标准整体框架的基础上，对以下关键内容进行了修订和补充：（1）术语定义的更新与补充：增加了针对新型子模块拓扑和器件的术语定义，明确了混合型MMC相关概念，使标准术语体系更加完善。（2）损耗分量计算方法的修正：对IGBT和二极管开关损耗的计算模型进行了修正，优化了损耗计算中的关键参数取值方法。特别针对SiCMOSFET器件的损耗计算，引入了新的计算方法。（3）附加损耗的精确化：优化了电容器损耗、电抗器损耗等附加损耗的计算方法，增加了汇流母线杂散损耗的估算方法，提高附加损耗计算精度。（4）工况适应性修正：修正了不同运行工况（如功率因数变化、无功补偿运行、谐波条件下的运行）下的损耗修正系数，使其与实际工程运行条件更加吻合。（5）计算精度与不确定度：增加了损耗计算结果不确定度的评估方法，明确了计算输入参数、数值算法等因素对结果精度的影响。由于损耗机理的复杂性和部分参数获取条件限制，对计算结果准确度的评估更为审慎。3标准修订的技术要点3.1开关器件损耗模型的更新3.1.1硅基IGBT损耗模型的修正原标准中的IGBT损耗模型主要基于早期器件技术数据，其开关损耗与电流、电压的拟合关系在不同工况下的适用性存在局限。本次修订在大量实测数据基础上，建立了更适应现有主流商用IGBT器件特性的损耗计算方法。通态损耗方面，修订件明确提出采用分段线性化的方法对IGBT输出特性曲线进行逼近处理，要求制造商提供至少三个温度点下的输出特性数据，以提高不同结温条件下通态损耗的计算精度。在导通压降的温度系数处理上，修订件改进了原有的平均温度系数法，推荐采用基于器件物理模型的温度修正公式，该公式可更精确地反映IGBT在额定电流附近的温度非线性特性。开关损耗方面，修订件细化了开关损耗与门极电阻、母线杂散电感等驱动电路参数的关联关系。针对高压大功率IGBT器件在实际应用中常采用不同门极电阻来优化开通与关断过程这一工程实践，修订件要求分别测量和计算开通损耗与关断损耗，并考虑它们对门极电阻变化的不同敏感度。在续流二极管反向恢复损耗建模方面，修订件改进了原有的简化模型，引入了与di/dt相关的动态修正因子，从而更准确地反映实际工况下的反向恢复特性。3.1.2SiCMOSFET器件损耗计算方法的引入随着SiCMOSFET在中压换流阀中的应用逐步走向工程化，本次修订首次将SiCMOSFET的损耗计算纳入标准框架。SiCMOSFET在器件结构和开关机理上与硅基IGBT存在本质差异，主要表现为：-导通特性：SiCMOSFET为单极性器件，其通态电阻具有正温度系数，不存在IGBT的PN结导通压降，在轻载工况下通态损耗远低于同等级的IGBT。-开关特性：SiCMOSFET开关速度极快，其开关损耗对寄生参数更加敏感，且在宽温度范围内具有优异的稳定性。-体二极管特性：SiCMOSFET的体二极管反向恢复电荷极小，反向恢复损耗可忽略。针对上述特性，修订件专门建立了SiCMOSFET的分段损耗计算模型，该模型考虑了SiCMOSFET在不同漏极电流、漏源电压及结温条件下的损耗特性，并适配了SiC器件典型的高频PWM运行工况。由于SiCMOSFET的开关损耗随电流变化呈现不同于IGBT的非线性特征，修订件在开关损耗拟合公式中引入了高阶非线性修正项，提高了计算精度。3.1.3器件特性参数的温度修正修订件进一步完善了器件损耗的温度修正方法。要求损耗计算应基于器件实际运行结温（Tj）而非额定结温，并给出了结温迭代求解的计算流程。该流程首先假定初始结温并计算相应的损耗值，再根据热阻网络计算稳态结温，将计算结果与假定值比较，若偏差超出允许范围则更新结温值并重新计算，直至收敛。这一迭代算法有效提高了变工况条件下损耗计算的准确性。3.2子模块拓扑的扩展3.2.1全桥子模块损耗计算全桥子模块（FBSM）在直流故障清除能力方面优势突出，近年来在架空线柔性直流输电工程中得到广泛应用。全桥子模块在一个周期内需要经历多个开关状态组合，其功率器件的导通路径和开关动作次数与半桥子模块存在明显差异。修订件对全桥子模块在各运行模式下的损耗计算给出了明确的方法：-闭锁模式：定义了闭锁状态下电流的流通路径和各器件承担的损耗分量；-投入模式：明确了正投入和负投入两种状态下电流路径与损耗分布；-旁路模式：定义了旁路状态下冗余器件的损耗计算方法。3.2.2混合型MMC损耗计算针对半桥与全桥子模块混合使用的拓扑方案，修订件给出了基于子模块类型比例的损耗加权计算方法。该方法要求分别计算各类子模块的损耗，然后根据系统运行策略和调制策略确定各类子模块的投入比例，进而得到换流阀总损耗。修订件还指出，由于混合型MMC中不同子模块的工作占空比可能非均匀分布，损耗计算需结合具体的电容电压均衡控制策略进行修正。3.2.3其他新型拓扑的适应性针对近年来出现的箱位二极管型子模块、双半桥子模块等新型拓扑，修订件建议参照全桥子模块的损耗计算方法，基于各器件的导通时序和电流路径建立损耗计算模型。这种基于开关状态组合的通用计算方法提升了标准的前瞻性和适应性。3.3附加损耗计算的细化3.3.1电容器损耗子模块电容器损耗主要来源于电容器等效串联电阻（ESR）上的能量损耗。修订件对电容器损耗的计算进行了两方面改进：一是将ESR按频率分为基波频率ESR和谐波频率ESR，分别计入电容纹波电流的各个频率分量；二是在电容器损耗角正切（tanδ）取值上，修订后的损耗计算方法和计算精度未变，但电容器损耗角正切值则按制造商提供的数据取值，增强了损耗数据的可靠性。3.3.2桥臂电抗器损耗桥臂电抗器损耗包括绕组损耗（铜损）和铁芯损耗（铁损）两部分。修订件细化了两种损耗的计算方法：-绕组损耗：考虑集肤效应和邻近效应的影响，要求对高频谐波分量下的绕组交流电阻进行修正。修正后的交流电阻值应通过实测或基于Bessel函数等理论公式计算获得。-铁芯损耗：推荐采用改进的Steinmetz方程（MSE）或其修正形式（iGSE）进行计算，并考虑直流偏磁对铁芯损耗的影响。3.3.3其他附加损耗修订件还增加了对功率模块内部汇流排杂散电阻损耗、均压电阻损耗、驱动电路功耗等附属组件损耗的估算方法，使损耗计算能够覆盖阀门内部的主要损耗源。这些以前未被标准覆盖的损耗在总损耗中占比虽小，但对大容量换流阀的精细化设计具有一定影响。3.4工况修正的完善修订件对工况修正系数进行了系统完善：-功率因数修正：修正系数涵盖范围扩展至超前功率因数0.9至滞后功率因数0.9的完整区间，更精确地反映了无功功率交换对器件通态损耗的影响。-低调制比运行：针对MMC在低调制比下（如启动阶段、降压运行模式）损耗增加的典型特征，增加了相应的损耗修正系数。该系数反映了低调制比下循环电流增大、开关次数增多等综合影响。-谐波影响：对于存在背景谐波的交流系统工况，给出了计入谐波影响的损耗修正计算方法。该方法基于叠加原理，对各次谐波分量下的附加损耗进行分别计算后累加。4标准修订的行业影响分析4.1对换流阀制造企业的影响IEC62751-2:2014/AMD2:2023的实施对换流阀制造企业提出了更高要求。制造企业需要：（1）更新损耗计算工具和设计流程，使之符合新标准的计算方法和技术要求；（2）对器件供应商提出更明确的参数数据需求，包括不同温度点下的输出特性、门极电阻影响的开关损耗数据等；（3）在型式试验中补充完善损耗相关试验项目的数据记录，为损耗计算提供更充分的试验验证依据。从积极角度看，新标准为各制造商提供了统一的损耗计算基准，有助于消除此前计算方法不统一导致的损耗数据可比性差的问题，为公平市场竞争创造了有利条件。4.2对电力设计单位和运行企业的影响对于电力设计单位，采用修订件规定的损耗计算方法可以在设计阶段更为精准地评估换流站损耗水平，优化散热系统设计和辅助设备选型。对于电网运行企业，统一规范的损耗计算方法有利于：-更准确地进行输电损耗核算和电价机制设计；-对换流阀运行效率进行更科学的监测与评估；-为多端直流电网中各换流站的运行方式优化提供更可靠的基础数据。4.3对HVDC标准体系的协同推动作用IEC62751-2:2014/AMD2:2023的发布与IEC62751-1:2014/AMD1:2018形成了更为协调的技术整体。新修订件中关于SiC器件损耗计算、工况修正等方法也与IEC62501（VSC阀电气试验）中相关试验方法形成了良好的技术衔接，共同促进了HVDC换流阀国际标准体系的完善。4.4对国内标准化工作的启示作为采用国际标准的重要领域，我国在HVDC技术标准化方面应关注以下方面：（1）在国家标准和行业标准制修订中积极采用本修订件的技术内容，保持与国际标准的技术同步；（2）结合我国MMC-HVDC工程实践的丰富经验，积极参与IEC相关标准的后续修订工作；（3）针对标准中涉及的新型器件（SiCMOSFET）损耗计算需求，加强国内器件厂家与科研机构的联合攻关。5标准主要参与单位介绍5.1IECSC22F技术