CN101997302A - 大功率变流器的电力电子器件温度过高的保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型的大功率变流器电力电子器件温度过高的保护方法，应用于风电变流器和船用变流器等领域。本发明通过对器件外壳经验温度和变流器器件外壳实测温度的比较来决定变流器保护动作。本发明解决了原有的模型计算法的高度依赖器件模型参数以及复杂度高使用困难的缺陷，具有更高的鲁棒性和可靠性。本发明的核心构思在于用经验实验数据合理表达了变流器电力电子器件结点温度和器件外壳温度的关系。
Description
技术领域：
本发明涉及一种新型的大功率变流器电力电子器件温度过高的保护方法，可以应用于包括风电变流器，船用推进变流器等领域，本保护方法可以在保证变流器全功率运行的同时，实时监测以保护避免变流器关键电力电子由于温度过高的原因而烧毁。
背景技术：
大功率电力电子变流器目前具有广阔的应用背景，并且已经成为多个产业中的核心设备之一。以风电变流器为例，变流器的成本约占整个风电机组成本的15％。变流器的可靠性是保障风机可靠运行的重要环节。
风电变流器的组成结构图1所示。整个变流器(2)由电机端全桥电路(3)和网络端全桥电路(5)组成。每一个桥式电流由三相六个绝缘栅双节型晶体管(IGBT)外加续流二极管(Diode)的电力电子开关模块(10)组成，这两个全桥电路和直流电压(4)共同完成了一个交流-直流-交流的变化。绝缘栅双节型晶体管(IGBT)以及续流二极管(Diode)是决定变流器可靠性的关键电力电子器件，变流器50％以上的故障是由于电力电子器件(IGBT+Diode)的故障所造成的。
温度过高是电力电子器件(IGBT+Diode)造成故障的重要原因之一。而器件中温度最高的器件结点处于器件封装内部，从而造成结温的测量造成困难。英飞凌(Infineon)等主流器件制造商根本没有给出器件结温测量接口。这些因素致使实时测量器件截温以避免其过温的方法在实际上并不可行。
目前业界内的主要的器件过温保护方法依赖器件的温度模型计算器件结温，以下称为模型计算法。器件结温计算主要原理如图2所示。
Tj_act＝Tfluid+ΔTfl_hs+ΔThs_cs+ΔTcs_jt
Tj_act为器件结温
为散热片到器件封装之间的温度差，
Ploss为器件损耗，Rth_flhs和τflhs为散热片热参数，Rhs_cs、τhscs、Rcs_jt、τcsjt均为电力电子器件参数。根据以上的描述可以看出，基于器件温度模型的结温计算法对于器件参数的依赖度极高。由于器件制造工艺上的原因，器件的实际参数和器件制造商给出的会有一定的偏差。在模型计算法使用上，器件温度模型 上必须留出很大的安全边际，以补偿器件参数的不稳定性。额外留出的安全边际，器件的实际运行的电流往往会低于其实际运行范围，从而降低了变流器的实际输出功率。
模型计算法涉及大量的数学计算以及参数，使得这种保护方法的实际使用难度上升。由于这种方法并不基于实时的温度监测反馈，如果使用模型计算法的方法错误或者输入模型的参数错误，会造成变流器器件损毁等严重后果。
虽然电力电子器件的结温测量无法实现，但是器件的外壳温度以及散热片温度的测量的实现相对简单。由图2以及以上公式可以看出，器件的外壳温度和电力电子器件结温有着非常直接并且稳定的联系。因此器件的外壳温度测量可以用于预测估算电力电子器件结温，但是这个过程中同样涉及并且依赖于器件的温度参数。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种基于历史实验数据和实时器件外壳测量温度比较的变流器电力电子器件(IGBT+DIODE)的温度过高的保护方法。这种方法消除了原来的模型计算保护方法对器件温度参数的依赖性，有助于更合理的使用电力电子器件，提高变流器的实际输出能力。同时，由于这种方法基于历史数据和实时测量数据的比较，整个保护方法涉及实时反馈过程，因此本方法的实时性和鲁棒性更高，当变流器发生故障时，本方法可以更快的发现故障，保护器件。
本方法可与模型计算法混合使用，给器件提供双重保护。模型保护法可以用于变流器的初步设计，而本方法可以在变流器的实际运行过程对器件给予实时保护。
为达到上述目的，本发明的构思是：
本发明首先用长时间生存实验的方式，给出变流器在最差运行情况下的电力电子器件(IGBT+diode)的外壳温度曲线。该外壳温度曲线将作为经验温度曲线数据记录并输入变流器控制器。被记录下的经验温度曲线被认为是正常运行情况下最高的器件外壳温度曲线。如果实际运行过程中外壳工作曲线低于经验温度曲线，则认为运行过程中的器件结温不会高于之前实验时的结温。介于最差运行情况已经用长时间实验的方式验证过，因此只要实际运行过程中外壳测量曲线低于经验温度曲线，则可以保证器件的结温低于安全范围，可以正常工作。如果实际运行的器件外壳测量温度高于经验温度曲线，则认为变流器不处于安全工作范围，应当调整运行条件甚至进行停机保护。
根据上述的发明构思，本发明的技术方案由如下三个环节组成：
本发明的第一个环节在于长时间生存实验获得在最差运行条件下器件外壳的经验温度曲线。所谓的最差运行条件包含两方面的内容，第一是冷却流体以及变流器周围空气温度达到温度范围的最高值，第二是变流器的运行处于额定条件额定输出(额定开关频率，额定功率因数，额定输出频率，额定输出功率)。在最差运行条件下，可以通过传感器采样测量获得外壳经验温度曲线。经验温度曲线数据将输入变流器控 制器作为参考数据。
本发明的第二个环节在于实时测量器件的外壳温度并且经过信号滤波处理去除干扰信号产生可以使用的外壳实测温度曲线。信号滤波的截止频率应为变流器主频的4到6倍。
本发明的第三个环节在于比较外壳经验温度曲线以及外壳实测经验曲线，根据不同结果给出变流器保护动作，具体的保护动作由变流器控制器完成。如果实际测量数据达到并超出经验数据，保护程序启动，变流器降低开关频率以降低器件损耗；当实测数据超出经验数据一定范围达到安全边际线时，变流器实现停机过程以保护过温器件。
本发明于现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
·通过实时的温度检测保护，比普通的模型计算法更具实时性和鲁棒性。
·运用经验实验数据，不需要复杂的温度模型计算，对器件的温度参数准确性依赖降低。
·根据实时工况实现分级保护，有助于降低变流器的停机率。
·方法比模型计算法简单易用，降低了错误使用保护方法造成变流器损害的风险。
附图说明
图1是不同脉宽调制模型的波形示意图。
图2是风力发电机变流器模块构成图。
图3是本发明的模块实现图。
图4是脉宽调制模式性能计算模块信号流程图。
图5是电力电子器件截温计算原理图。
图6是电气系统谐波模型示例图。
图中1.发电机，2.风力发电机变流器，3.电机端IGBT桥式电路，4.直流电压，5.网络端IGBT桥式电路，6.电机端脉宽调制发生器，7.网络端脉宽调制发生器，8.正弦滤波器，9.网络端变压器，10.工况判断模块，11.脉宽调制模式性能预估模块，12.选择模块，13.模块调制波形发生模块，14.发电机控制器，15.电网端控制器，16.功率性能计算模块，17.谐波性能结算模块，18.电压输出特性模块，19.动态特性计算模块。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
本保护方法的实施的第一步在于选定正确条件，进行最差运行条件的长时间生存实验。实验平台选用通用的全电流实验结构，具体结构如图3所示。温度测量通过温度传感器(11)在网络桥(5)进行，温度传感需要紧贴电力电子器件的外壳。全负载电流通过电抗器(7)在网络桥和电机桥之间循环。二极管 整流器(2)则提供额定的直流电压。进水口加热器将冷却流体温度加热到冷却流体允许温度范围的最高值，空气加热器则将空气温度加热到空气允许温度范围的最高值，从而满足了最差运行条件中的第一条环境温度的要求。第二条就是通过控制器将变流器电流控制在额定范围内，同时保证额定的开关频率，如果变流器由超负荷运行的要求，变流器将同样经历超负荷运行。整个变流器的电流曲线如图4所示，t0之后变流器进入全电流运行，t1之后变流器进入超负荷运行。
本保护方法实施的第二步在如上描述的实验条件下，通过器件外壳上的PT100温度传感器采样测量得出在最差运行条件下得出经验外壳温度曲线。温度测量经过低通滤波之后得到如图5所示的温度曲线，推荐的滤波截至频率为主频的4到6倍左右。同样t0之后变流器进入全电流运行，t1之后变流器进入超负荷运行。得出的外壳经验温度曲线作为参考信号输入控制器。
本保护方法实施的第三步由控制器实时实现。控制器将实时测量获得的外壳温度曲线与之前录入的外壳经验温度曲线进行比较，根据比较结果进行保护动作。当变流器没有超负荷要求时，经验曲线以t0为起始点，当变流器进入超负荷状态则以t1为起始点。如图6所示，当外壳的实测温度低于外壳经验温度时，变流器出于正常工作状态，变流器运作一切正常。当外壳的实测温度高于外壳经验温度，但低于安全边际曲线时，变流器处于警告工作状态，在此状态中，变流器开关频率会下降30％以降低器件温度。当外壳的实测温度超出安全边际曲线时，变流器报错停机。
本大功率变流器的电力电子温度过高保护方法的原理简述如下：
本保护方法的原理基于电力电子器件外壳温度和电力电子器件结温直接相关的物理关系。由于电力电子器件的损耗发热最终将通过器件外壳导入散热片，因此如图2所示，散热片-外壳-器件结点形成了一个稳定的递增关系。
这种递增关系可以用数学模型表达，但是准确的将数学模型应用于器件保护对于器件参数和模型复杂度都有相当高的要求。这些因素构成了传统的模型计算法的准确性不够，鲁棒性低等缺陷。而本方法利用经验实验法获得具体数据并作为参考值，这种方法不需要依赖器件参数的数学模型，用最差运行条件下的外壳经验温度曲线来描述器件外壳温度和器件结温范围之间的关系。本保护方法依赖于长时间生存测试，减少了保护方法的复杂度和误操作的可能性。
长时间生存实验是获得本保护方案中的外壳经验温度曲线的关键步骤。如上述实施方案所示，本保护方案运用实验平台中的冷却进水口的加热器和处于变流器开关柜内的空气加热器对冷却水流以及变流器的空气环境进行加热，保证变流器在长时间生存实验中能够处于变流器要求中的最恶劣的温度环境。只有在最恶劣温度环境中得出的经验温度曲线才能有效保护所有工作环境中的电力电子器件。长时间生存实验本身具备一定的风险性，需要和模型计算法共同使用来界定合理的额定电流。在这个过程中，模型计算法依赖器件参数以及复杂度高的缺陷仍然存在，但是模型计算法失败的结果仅仅是损坏实验平台，而不是损坏实际运行中的变流器产品，从而提高了实际产品的可靠性。
本保护方法运用经验温度曲线而不是经验温度阈值的方法作为保护参考温度。这种方法增加了保护的实时性，由于器件结温温度上升速度比器件外壳温度更快，本保护方法可以在变流器外壳温度上升过程中及时发现运行异常，达到提前保护的效果。本保护方法需要存入整个经验温度曲线，并且要求变流器控制器能够将如图6中所示的t0和t1和实际变流器的满负载起始点以及超负荷起始点一一对应。这一点造成了本保护方法的复杂度有所提高。本保护方法可以简化为经验温度阈值法，具体方法在于提取经验温度曲线t0到t1的最高温度值作为经验外壳温度阈值，当实测外壳温度达到并超过经验外壳温度阈值时，变流器采取如上述实施方案同样的方法保护电力电子器件。
Claims (5)
1.一种大功率变流器的电力电子器件温度过高的保护方法，其特征在于：长时间生存实验获得在最差运行条件下的器件外壳经验温度曲线，以作为保护操作的参考基准，实时测量器件的外壳温度并且经过信号滤波后作为变流器运行的外壳实测温度曲线，保护动作取决于外壳经验温度曲线和外壳实测温度曲线的比较结果，根据不同结果变流器控制器给出不同的变流器保护动作。
2.按照权利要求1所述的大功率变流器的电力电子器件温度过高的保护方法，其特征在于，外壳经验曲线必须在最差运行条件下长时间测试获得，最差运行条件包括两个条件，第一是冷却流体以及变流器周围空气温度达到温度范围的最高值，第二是变流器的运行处于额定条件额定输出(额定开关频率，额定功率因数，额定输出频率，额定输出功率)，在以上给出的最差运行条件下，可以通过传感器采样测量获得外壳经验温度曲线，经验温度曲线数据将输入变流器控制器作为保护操作的参考基准。
3.按照权利要求1所述的大功率变流器的电力电子器件温度过高的保护方法，其特征在于，实时测量器件的外壳温度并且经过信号滤波后作为变流器运行的实测外壳温度曲线，信号滤波的截止频率应为变流器主频的4到6倍。
4.按照权利要求1所述的大功率变流器的电力电子器件温度过高的保护方法，其特征在于，选择模块(12)选定脉宽调制综合性能因数最高的一种脉宽调制模式输出给脉宽调制波形发生环节。如果最终选定的调制模式综合性能因数小于等于零或者大于1，选择模块(12)将输出报错信息。
5.按照权利要求1所述的大功率变流器的电力电子器件温度过高的解决方案，其特征在于，控制器将实时获得的外壳测量温度曲线与之前录入的外壳经验温度曲线进行比较，根据比较结果进行保护动作。当器件外壳的测量温度低于外壳经验温度曲线时，变流器处于正常工作状态，变流器运作一切正常。当器件的外壳测量温度高于外壳经验温度但是低于安全边际曲线时，变流器出于警告工作状态，在此状态中，变流器开关频率会下降30％以降低器件温度。当器件外壳的实时测量温度达到安全边际曲线，变流器报错停机。
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