IEC 62751-2:2014
(Main)Power losses in voltage sourced converter (VSC) valves for high-voltage direct current (HVDC) systems - Part 2: Modular multilevel converters
Power losses in voltage sourced converter (VSC) valves for high-voltage direct current (HVDC) systems - Part 2: Modular multilevel converters
IEC 62751-2:2014 gives the detailed method to be adopted for calculating the power losses in the valves for an HVDC system based on the "modular multi-level converter", where each valve in the converter consists of a number of self-contained, two-terminal controllable voltage sources connected in series. It is applicable both for the cases where each modular cell uses only a single turn-off semiconductor device in each switch position, and the case where each switch position consists of a number of turn-off semiconductor devices in series (topology also referred to as "cascaded two-level converter"). The main formulae are given for the two-level "half-bridge" configuration but guidance is also given as to how to extend the results to certain other types of MMC building block configuration.
Pertes de puissance dans les valves à convertisseur de source de tension (VSC) des systèmes en courant continu à haute tension (CCHT) - Partie 2: Convertisseurs multiniveaux modulaires
L'IEC 62571-2:2014 donne la méthode détaillée à adopter pour calculer les pertes de puissance dans les valves d'un système CCHT doté d'un "convertisseur multiniveaux modulaire" dont chaque valve est composée d'un certain nombre de sources de tension indépendantes commandables à deux bornes connectées en série. Elle s'applique lorsque chaque cellule modulaire n'utilise qu'un seul dispositif à semi-conducteur blocable dans chaque position de commutation, et lorsque chaque position de commutation est composée d'un certain nombre de dispositifs à semi-conducteur blocables en série (cette topologie étant également appelée "convertisseur à deux niveaux monté en cascade"). Les principales formules sont données pour la configuration "en demi-pont" à deux niveaux. Des lignes directrices sont également données pour indiquer l'étendue des résultats de certains autres types de configurations de bloc module MMC.
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Partie 2: Convertisseurs multiniveaux modulaires
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– 2 – IEC 62751-2:2014 © IEC 2014
CONTENTS
FOREWORD . 5
1 Scope . 7
2 Normative references . 7
3 Terms, definitions, symbols and abbreviated terms . 7
3.1 Terms and definitions . 8
3.2 Symbols and abbreviated terms . 9
3.2.1 Valve and simulation data . 9
3.2.2 Semiconductor device characteristics . 10
3.2.3 Other component characteristics. 10
3.2.4 Operating parameters . 10
3.2.5 Loss parameters . 11
4 General conditions. 11
4.1 General . 11
4.2 Principles for loss determination . 12
4.3 Categories of valve losses . 12
4.4 Loss calculation method . 13
4.5 Input parameters . 13
4.5.1 General . 13
4.5.2 Input data for numerical simulations . 13
4.5.3 Input data coming from numerical simulations . 14
4.5.4 Converter station data . 14
4.5.5 Operating conditions . 15
5 Conduction losses . 15
5.1 General . 15
5.2 IGBT conduction losses . 16
5.3 Diode conduction losses . 17
5.4 Other conduction losses . 18
6 DC voltage-dependent losses . 19
7 Losses in d.c. capacitors of the valve . 19
8 Switching losses . 20
8.1 General . 20
8.2 IGBT switching losses . 20
8.3 Diode switching losses . 21
9 Other losses . 21
9.1 Snubber circuit losses . 21
9.2 Valve electronics power consumption. 22
9.2.1 General . 22
9.2.2 Power supply from off-state voltage across each IGBT . 23
9.2.3 Power supply from the d.c. capacitor . 23
10 Total valve losses per HVDC substation . 24
Annex A (informative) Description of power loss mechanisms in MMC valves . 26
A.1 Introduction to MMC Converter topology . 26
A.2 Valve voltage and current stresses . 29
A.2.1 Simplified analysis with voltage and current in phase . 29
A.2.2 Generalised analysis with voltage and current out of phase . 30
A.2.3 Effects of third harmonic injection . 31
A.3 Conduction losses in MMC building blocks . 32
A.3.1 Description of conduction paths . 32
A.3.2 Conduction losses in semiconductors . 38
A.3.3 MMC building block d.c. capacitor losses . 42
A.3.4 Other conduction losses . 42
A.4 Switching losses . 42
A.4.1 Description of state changes . 42
A.4.2 Analysis of state changes during cycle . 44
A.4.3 Worked example of switching losses . 44
A.5 Other losses . 47
A.5.1 Snubber losses . 47
A.5.2 DC voltage-dependent losses . 47
A.5.3 Valve electronics power consumption . 50
A.6 Application to other variants of valve. 52
A.6.1 General . 52
A.6.2 Two-level full-bridge MMC building block . 52
A.6.3 Multi-level MMC building blocks . 53
Bibliography . 55
Figure 1 – Two basic versions of MMC building block designs . 15
Figure 2 – Conduction paths in MMC building blocks .
...
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FOREWORD . 5
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3.2 Symbols and abbreviated terms . 9
3.2.1 Valve and simulation data . 9
3.2.2 Semiconductor device characteristics . 10
3.2.3 Other component characteristics. 10
3.2.4 Operating parameters . 10
3.2.5 Loss parameters . 11
4 General conditions. 11
4.1 General . 11
4.2 Principles for loss determination . 12
4.3 Categories of valve losses . 12
4.4 Loss calculation method . 13
4.5 Input parameters . 13
4.5.1 General . 13
4.5.2 Input data for numerical simulations . 13
4.5.3 Input data coming from numerical simulations . 14
4.5.4 Converter station data . 14
4.5.5 Operating conditions . 15
4.6 Contents and structure of valve loss determination report . 15
5 Conduction losses . 16
5.1 General . 16
5.2 IGBT conduction losses . 18
5.3 Diode conduction losses . 19
5.4 Other conduction losses . 20
6 DC voltage-dependent losses . 20
7 Losses in d.c. capacitors of the valve . 21
8 Switching losses . 21
8.1 General . 21
8.2 IGBT switching losses . 22
8.3 Diode switching losses . 22
9 Other losses . 23
9.1 Snubber circuit losses . 23
9.2 Valve electronics power consumption. 23
9.2.1 General . 23
9.2.2 Power supply from off-state voltage across each IGBT . 24
9.2.3 Power supply from the d.c. capacitor . 25
10 Total valve losses per HVDC substation . 25
Annex A (informative) Description of power loss mechanisms in MMC valves . 27
A.1 Introduction to MMC Converter topology . 27
A.2 Valve voltage and current stresses . 30
A.2.1 Simplified analysis with voltage and current in phase . 30
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A.2.2 Generalised analysis with voltage and current out of phase . 31
A.2.3 Effects of third harmonic injection . 32
A.3 Conduction losses in MMC building blocks . 33
A.3.1 Description of conduction paths . 33
A.3.2 Conduction losses in semiconductors . 39
A.3.3 MMC building block d.c. capacitor losses . 43
A.3.4 Other conduction losses . 44
A.4 Switching losses . 44
A.4.1 Description of state changes . 44
A.4.2 Analysis of state changes during cycle . 45
A.4.3 Worked example of switching losses . 46
A.5 Other losses . 49
A.5.1 Snubber losses . 49
A.5.2 DC voltage-dependent losses . 49
A.5.3 Valve electronics power consumption . 52
A.6 Application to other variants of valve. 54
A.6.1 General . 54
A.6.2 Two-level full-bridge MMC building block . 54
A.6.3 Multi-level MMC building blocks . 55
Annex B (informative) Recommended data to be supplied with the loss calculation
report .
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CONTENTS
FOREWORD . 5
1 Scope . 7
2 Normative references . 7
3 Terms, definitions, symbols and abbreviated terms . 7
3.1 Terms and definitions . 8
3.2 Symbols and abbreviated terms . 9
3.2.1 Valve and simulation data . 9
3.2.2 Semiconductor device characteristics . 10
3.2.3 Other component characteristics. 10
3.2.4 Operating parameters . 10
3.2.5 Loss parameters . 11
4 General conditions. 11
4.1 General . 11
4.2 Principles for loss determination . 12
4.3 Categories of valve losses . 12
4.4 Loss calculation method . 13
4.5 Input parameters . 13
4.5.1 General . 13
4.5.2 Input data for numerical simulations . 13
4.5.3 Input data coming from numerical simulations . 15
4.5.4 Converter station data . 15
4.5.5 Operating conditions . 16
4.6 Contents and structure of valve loss determination report . 16
5 Conduction losses . 16
5.1 General . 16
5.2 IGBT conduction losses . 18
5.3 Diode conduction losses . 19
5.4 Other conduction losses . 20
6 DC voltage-dependent losses . 21
7 Losses in d.c. capacitors of the valve . 21
8 Switching losses . 22
8.1 General . 22
8.2 IGBT switching losses . 22
8.3 Diode switching losses . 23
9 Other losses . 23
9.1 Snubber circuit losses . 23
9.2 Valve electronics power consumption. 24
9.2.1 General . 24
9.2.2 Power supply from off-state voltage across each IGBT . 25
9.2.3 Power supply from the d.c. capacitor . 25
10 Total valve losses per HVDC substation . 26
Annex A (informative) Description of power loss mechanisms in MMC valves . 28
A.1 Introduction to MMC Converter topology . 28
A.2 Valve voltage and current stresses . 31
A.2.1 Simplified analysis with voltage and current in phase . 31
A.2.2 Generalised analysis with voltage and current out of phase . 32
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A.2.3 Effects of third harmonic injection . 33
A.3 Conduction losses in MMC building blocks . 34
A.3.1 Description of conduction paths . 34
A.3.2 Conduction losses in semiconductors . 40
A.3.3 MMC building block d.c. capacitor losses . 44
A.3.4 Other conduction losses . 45
A.4 Switching losses . 45
A.4.1 Description of state changes . 45
A.4.2 Analysis of state changes during cycle . 46
A.4.3 Worked example of switching losses . 47
A.5 Other losses . 50
A.5.1 Snubber losses . 50
A.5.2 DC voltage-dependent losses . 50
A.5.3 Valve electronics power consumption . 53
A.6 Application to other variants of valve. 55
A.6.1 General . 55
A.6.2 Two-level full-bridge MMC building block . 55
A.6.3 Multi-level MMC building blocks . 56
Annex B (informative) Recommended data to be supplied with the loss calculation
report . 58
Annex C (informative) Loss measurement . 60
Bibliography .
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.