CN103828207B - 电力系统结温控制 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电力发电系统，包括发电装置，连接至发电装置的功率变换器，以及连接至功率变换器的电控制器。电控制器配置为通过应用至少一个结温降额函数限制功率变换器的峰值结温。
Description
技术领域
本公开的领域总体上涉及操作发电系统以控制峰值结温的系统和方法。更具体而言，本公开涉及包括限制峰值结温的控制器的光伏(例如太阳能)和风力(例如风力涡轮机)发电系统。
背景技术
通常，在发电系统中，太阳能模块和风力涡轮机产生的功率是直流(DC)功率，其必须被变换为交流(AC)以输出到电网。通常，变换器包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他功率半导体。半导体通常在额定操作温度范围内操作。根据IGBT的类型，IGBT结温通常额定在125℃、150℃、或175℃的最大值。半导体具有其能够可靠操作的上限结温。超过半导体的上限结温可能导致不期望的半导体操作效率降低和/或故障。
半导体结的温度升高可由各种因素导致。例如，用于半导体的制冷系统的空气过滤器可能变脏/堵塞，从而降低了冷却半导体可用的冷却介质的量。其他环境因素，例如高的室外温度、高海拔、湿度水平、阳光等也能不利地提高半导体的操作温度。操作因素，例如变换器的高输出功率和瞬态功率事件也可能提高半导体的结温等。这些因素的组合可能同时作用，导致更快以及更持久的高结温。
通常，当变换器中的半导体的结温达到上限时，可采用断路器使变换器跳闸(即关闭)以防止变换器故障。此外，在高温下操作变换器可能不利地降低变换器的寿命。如果变换器由于高结温被关闭，那么变换器可保持在断开状态，直到半导体结温已降至可接受的水平。通常不希望关闭变换器，因为这可降低或消除发电系统供电的能力。
发明内容
在一方面中，电力发电系统包括发电装置，连接至发电装置的功率变换器，以及连接至功率变换器的电控制器。电控制器配置为通过应用至少一个结温降额函数限制功率变换器的峰值结温。
在另一方面中，控制电力发电系统的功率变换器的方法包括感测温度，应用基于所感测的温度的至少一个结温降额函数，以限制功率变换器的功率输出，以及限制功率变换器的功率直到满足预定条件。
在又一方面中，非暂时性计算机可读存储介质存储用于控制电力发电系统的功率变换器的程序指令，所述程序指令包括以下指令：使用温度感测装置感测温度，应用基于所感测的温度的至少一个结温降额函数，以限制功率变换器的功率输出，以及限制功率变换器的功率直到满足预定条件。
附图说明
图1是本公开的示例性实施例的框图。
图2是本公开的第二实施例的框图。
图3是本公开的第三实施例的框图。
图4是本公开的示例性结温降额函数的图表。
具体实施方式
在此描述的方法和系统便于控制电力发电系统的功率变换器。本公开的方法和系统的技术效果是通过应用由结温降额函数导出的一个或多个功率限制系数来提供限制变换器的峰值结温的能力。
图1显示本公开的控制系统的示例性实施例的框图。控制系统包括控制器100，控制器100连接至发电系统(未显示)的功率变换器102。在一个实施例中，控制器100通过允许本公开的控制系统按本文描述作用的反馈回路设置或者其他设置连接至功率变换器102。
在功率变换器102的操作过程中，功率变换器102的半导体部件(或其他机械或电子部件)发热。功率变换器102具有功率变换器能够可靠操作的最大操作温度104(图4)。在实施例中，最大操作温度104例如是预定温度或者实验发现的功率变换器102能够可靠操作的最大操作温度。在此使用的可靠操作是指装置不出现永久性显著损坏的额定操作条件。在一个实施例中，功率变换器102在结温额定值以下以一定富余量操作。例如，额定在125℃的IGBT通常以90℃的IGBT结温操作，留下线路浪涌和过载的富余量，线路浪涌和过载导致IGBT结温瞬时升高指导浪涌或过载结束。在另一个实施例中，控制系统包括在该富余量以上以及最大结温以下的温度的过温警告指示，例如在115℃提供过温警告，在125℃触发过温电路跳闸。在其他实施例中，最大操作温度104是与功率变换器102的半导体的结温关联的温度值或者功率变换器102的一个或多个其他部件的最大操作温度。
例如通过接触功率变换器102或者以非接触方式感测功率变换器102的温度的温度传感器106确定功率变换器102的温度。温度传感器106将功率变换器102的温度输出至控制器100作为输入108。在一个实施例中，输出温度是单一部件或者多个部件的温度。在其他实施例中，温度传感器还感测环境温度，并将环境温度输出至控制器100。温度传感器106还可以感测并输出允许本公开的控制系统按本文描述进行操作的任何温度。在另一个实施例中，如果温度传感器106感测多个温度，则从温度传感器106输出最大感测温度作为控制器100的输入108。
输入108被传输至控制器100，作为用于降额函数110(例如结温降额函数)的输入值。在一个实施例中，降额函数110是单位函数，例如在垂直轴上的值的范围从0.0到1.0。在实施例中，水平轴例如代表温度值。
在一个实施例中，降额函数110用于计算与输入108关联的系统降额系数112(即垂直轴值)。如图1所示，降额函数110具有系数112保持恒定的温度范围，超出该温度范围系数112减小。在一个实施例中，系数值1.0代表与功率变换器102的额定操作温度关联的输入108值。
然后，控制器100使用系数112控制功率变换器102的功率输出量。在一个实施例中，系数1.0用于控制功率变换器102在最大功率下操作，系数0.0用于控制功率变换器102关闭或者在最小操作功率下操作。在另一个实施例中，系数0.5用于指示功率变换器102在50％的功率下操作。系数112可用于指示功率变换器102在允许本公开的控制系统按本文描述作用的任何功率水平下操作。
在实施例中，系数112被直接输入和用于控制功率变换器102。在其他实施例中，系数112首先被传输和用于其他计算，例如功率/无功功率限值计算114和限流计算116。在其他实施例中，功率/无功功率限值计算114和/或限流计算116的输出作为系数112被输入和用于控制功率变换器102。
这样，系数112可用于控制功率变换器102的功率输出。例如，功率变换器102最初可在100％的功率输出下操作。通过温度传感器106感测功率变换器102的温度，该温度被输出至控制器100作为输入108。控制器100使用降额函数110处理输入108。如果输入108在功率变换器102的额定操作范围内，那么例如所计算的降额系数112的值是1.0。这样，将指示功率变换器102例如继续在100％的功率输出下操作。
但是，如果输入108在功率变换器102的额定操作范围以外(即值在降额函数110中指示的垂直虚线的右侧)，那么所计算的降额系数小于1.0。在一个实施例中，如果功率变换器102在最大操作温度或者最大操作温度附近的高温下操作，输入108就在额定操作范围以外。这样，降额函数110使用输入108输出小于1.0的降额系数112。然后降额系数112用于指示/控制功率变换器102在小于100％的功率水平下操作。
在一个实施例中，指示功率变换器102在给定的功率水平下操作，直到满足预定条件，例如直到预定时间已经过去或者直到温度传感器106感测到功率变换器102正在额定操作温度下操作。例如，温度传感器106连续或者以增量方式监测功率变换器102的温度，并且连续或者以增量方式将该温度输出至控制器100作为输入108。这样，可以实时或者以离散的时间间隔控制功率变换器102。
在一个实施例中，如此控制功率变换器102在减小的功率水平下操作。例如根据温度范围控制功率变换器102在减小的功率水平下操作。这样，当功率变换器102处于额定操作范围以外的温度时，本公开的控制系统允许在减小的功率水平下操作功率变换器102，从而避免功率变换器102的不必要关闭，使其正常运行时间最大化。
图2显示了采用多个降额函数的本公开的控制系统的第二示例性实施例的框图。例如，在一个实施例中，控制器100包括第一降额函数118和第二降额函数120。向第一降额函数118提供第一输入122，其例如可以是功率变换器102的温度或者功率变换器102的操作环境的环境温度。第一输入122可以是允许本公开的控制系统按本文描述作用的任何输入值。
向第二降额函数120提供第二输入124。在实施例中，第二输入124和第三输入126被输入选择模块128。选择模块128选择第二输入124和第三输入126的最大或最小值，用作第二降额函数120的输入。第二输入124和第三输入126例如是功率变换器102的第一温度和在与第一温度不同的位置取得的功率变换器102的第二温度。但是，第二输入124和第三输入126可以是允许本公开的控制系统按本文描述作用的任何输入值。
在一个实施例中，第一降额函数118输出第一降额系数130，第二降额函数120输出第二降额系数132。在另一个实施例中，第一降额系数130和第二降额系数132被传输到降额系数选择模块134中，降额系数选择模块134选择和/或比较第一降额系数130和第二降额系数132的最小降额系数。降额系数选择模块134输出所选择的降额系数作为降额系数136。
然后降额系数136被直接或者通过功率/无功功率限值计算114和/或限流计算116传输至功率变换器102，用作上述控制值。
在第三示例性实施例中，如图3所示，本公开的控制系统包括三个或更多个降额函数118、120和136。
根据第三实施例的控制系统的操作可与上述操作类似。但是，在第三实施例中，第三降额函数136与第一降额函数118和第二降额函数120结合使用。在实施例中，第三降额函数136接收第四输入138。在一个实施例中，第四输入138是功率变换器102的基板温度、功率变换器102的温度、功率变换器102的操作环境的环境温度等。第四输入138可以是允许本公开的控制系统按本文描述作用的任何输入值。
第三降额系数140被计算并从降额函数136输出。第一降额系数130、第二降额系数132和第三降额系数140可以被输入降额系数选择模块134。降额系数选择模块134比较和/或选择例如第一降额系数130、第二降额系数132和第三降额系数140的最小降额系数。降额系数选择模块134输出所选择的降额系数作为降额系数136。
然后降额系数136被直接或者通过功率/无功功率限值计算114和/或限流计算116传输至功率变换器102，用作上述控制值。
在一些实施例中，本文公开的系统和方法可包含在计算机中或者存储在计算机可读介质上。
本文描述的实施例不限于执行本文描述的处理任务的任何特定系统控制器或处理器。在此使用的术语控制器或处理器用于代表能够执行运算或计算的任何机器，这些运算或计算是执行本文描述的任务所必需的。术语控制器或处理器还用于代表能够根据规则规定接受结构化输入并处理输入以产生输出的任何机器。还应注意，如本领域技术人员所理解的，在此使用的短语“配置为”表示控制器/处理器配备有用于执行本发明实施例的任务的硬件和软件的组合。在此使用的术语控制器/处理器指中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路和能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理器。
本文描述的实施例包括一个或多个计算机可读介质，包括非暂时性计算机可读存储介质，其中每个介质可以配置为其上包括数据或用于操作数据的计算机可执行指令。计算机可执行指令包括数据结构、对象、程序、例行程序、或者可由处理系统存取的其他程序模块，例如与能够执行各种不同功能的通用计算机关联的一个程序模块或者与能够执行有限数量功能的专用计算机关联的一个程序模块。当被配置为执行本文描述的指令时，本公开的方面将通用计算机转化为专用计算装置。计算机可执行指令引起处理系统执行特定功能或者一组功能，其是用于实现本文公开的方法的步骤的程序代码工具的示例。此外，可执行指令的特定序列提供可用于实现所述步骤的相应动作的示例。计算机可读介质的示例包括随机存取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)、可编程只读存储器(“PROM”)、可擦可编程只读存储器(“EPROM”)、电可擦除只读存储器(“EEPROM”)、光盘只读存储器(“CD-ROM”)，或者能够提供可由处理系统存取的数据或可执行指令的任何其他装置或部件。
例如本文描述的计算机或计算装置具有一个或多个处理器或处理单元、系统存储器、以及某种形式的计算机可读介质。以示例和非限制性的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括用于信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)存储的任何方法或技术中实现的挥发性和非挥发性、可移动和不可移动介质。通信介质通常体现为调制数据信号(例如载波或其他传输机制)中的计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据，以及包括任何信息传递介质。上述的任何组合也包括在计算机可读介质的范围内。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并使任何本领域技术人员能实施本发明，包括利用和使用任何装置或系统以及执行任何所含方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。这样的其它示例旨在属于权利要求书的范围内，只要它们具有与该权利要求书的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。
Claims (14)
1.一种电力发电系统，包括：
发电装置；
连接至所述发电装置的功率变换器；以及
连接至所述功率变换器的控制器，其中所述控制器配置为通过应用至少一个结温降额函数，以限制所述功率变换器的峰值结温，
其中从多个结温降额函数中获取的多个降额系数中的最小值作为最小降额系数，所述多个降额系数中的第一降额系数具有第一值，多个降额系数中的第二降额系数具有第二值，
控制器被配置为比较所述第一降额系数和第二降额系数的值，并确定其中较低的值作为所述最小值。
2.根据权利要求1所述的电力发电系统，还包括温度传感器，所述温度传感器感测所述功率变换器的温度并将感测的温度传输至所述控制器。
3.根据权利要求2所述的电力发电系统，其特征在于，所述结温降额函数是所述感测的温度的函数。
4.根据权利要求2所述的电力发电系统，其特征在于，所述控制器配置为限制所述功率变换器的输出功率，直到所述感测的温度达到预定值。
5.根据权利要求1所述的电力发电系统，其特征在于，从所述结温降额函数导出的降额系数被应用于所述控制器以减小所述功率变换器的输出功率、电流或电压的至少其中之一。
6.一种控制电力发电系统的功率变换器的方法，所述方法包括：
感测温度；
应用基于所感测的温度的至少一个结温降额函数，以限制所述功率变换器的功率输出；
取得多个降额系数，每个降额系数分别取自一个结温降额函数，所述多个降额系数中的第一降额系数具有第一值，多个降额系数中的第二降额系数具有第二值；
比较第一值和第二值，并确定其中较低的值作为最小降额系数；以及
使用最小降额系数限制所述功率变换器的功率直到满足预定条件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，感测温度包括感测所述功率变换器的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
所述预定条件是所述功率变换器的临界温度值；以及
限制所述功率包括限制所述功率变换器的功率输出直到所感测的所述功率变换器的温度为所述临界值或者低于所述临界值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，应用从所述结温降额函数导出的降额系数以减小所述功率变换器的输出功率、电流或电压的至少其中之一。
10.一种控制电力发电系统的功率变换器的系统，包括：
温度感测装置，使用温度感测装置感测温度；
功率控制装置，应用基于所感测的温度的至少一个结温降额函数，以限制所述功率变换器的功率输出，
取得多个降额系数，每个降额系数分别取自一个结温降额函数，所述多个降额系数中的第一降额系数具有第一值，多个降额系数中的第二降额系数具有第二值；
比较第一值和第二值，并确定其中较低的值作为最小降额系数；以及
使用所述最小降额系数限制所述功率变换器的功率直到满足预定条件。
11.根据权利要求10所述的控制电力发电系统的功率变换器的系统，其特征在于，感测温度包括感测所述功率变换器的温度。
12.根据权利要求11所述的控制电力发电系统的功率变换器的系统，其特征在于：
所述预定条件是所述功率变换器的临界温度值；以及
限制所述功率包括限制所述功率变换器的功率输出直到所感测的所述功率变换器的温度为所述临界值或者低于所述临界值。
13.根据权利要求10所述的控制电力发电系统的功率变换器的系统，其特征在于，应用从所述结温降额函数导出的降额系数以减小所述功率变换器的输出功率、电流或电压的至少其中之一。
14.根据权利要求10所述的控制电力发电系统的功率变换器的系统，其特征在于，所述降额系数是0和1.0之间的实数。
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