CN103956887A - 风电变流器igbt模块结温在线计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，特别是一种基于开关周期损耗分析的风电变流器IGBT模块结温在线计算方法。该方法在考虑IGBT模块电热耦合特性的前提下，利用风电变流器基于开关周期下的实时运行参数，对其IGBT模块结温进行在线计算。该方法一方面能考虑各时刻下IGBT模块结温对其损耗的影响，另一方面还能同时考虑一个输出周期内IGBT模块损耗能量及波形对结温波动大小的影响，能实时准确计算风电变流器在输出频率较低时IGBT模块的动态波动结温，且有利于IGBT模块状态监测与健康管理的在线集成，降低风电变流器的失效风险。

Description

风电变流器IGBT模块结温在线计算方法

技术领域

本发明涉及一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，特别是一种基于开关周期损耗分析的风电变流器IGBT模块结温在线计算方法。

背景技术

随着我国“建设大基地，集中接入网”风力发电规划的确立和实施，变流器作为风电机组电能回馈至电网的关键控制通道，是影响大功率风电机组及入网安全稳定运行的重要环节。但由于风电机组长时间、频繁和大范围的随机出力变化，使风电变流器IGBT模块的结温频繁波动，往往导致IGBT模块焊接线脱落和焊锡层老化等失效问题频发。

由于直接在线测量IGBT模块结温较为困难，因此，通过对IGBT模块建立结温预测模型是间接评估器件运行中结温变化最有效的途径。但目前的研究大多都是通过有限元分析方法对IGBT模块的热传递过程进行建模。上述方法不仅需要详细的器件结构参数，而且很难应用于不同运行工况下IGBT模块结温的实时在线计算。另外，基于输出周期平均损耗分析的常规结温在线计算方法在应用于风电变流器低工作频率情况下，其器件结温计算会存在很大的误差；此外，风电机组不同运行工况下，变流器还处于整流、逆变工作模式之间的切换运行，其IGBT模块的结温计算还应与变流器运行模式密切相关。

因此，本发明提出一种基于开关周期损耗分析的风电变流器IGBT模块结温在线计算方法具有重要的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于开关周期损耗分析的风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，该方法在考虑IGBT模块电热耦合特性的前提下，利用风电变流器基于开关周期下的实时运行参数，对其IGBT模块结温进行在线计算。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，包括以下步骤：

步骤一：获取IGBT模块的损耗参数，包括IGBT或Diode在25℃下的初始饱和压降和通态电阻v_{I_25}和r_{I_25}或v_{D_25}和r_{D_25}，初始饱和压降和导通电阻的温度系数K_V,I和K_r,I或K_V,D和K_r,D；获得额定条件下IGBT的单位开、关损耗E_on、E_off或Diode的单位恢复损耗E_ref，IGBT或Diode开关能量损耗的温度修正系数K_s,I或K_s,D；IGBT模块的额定电压U_N及额定电流I_N；

步骤二：获取IGBT模块的热阻抗参数，包括IGBT或Diode的芯片至铜基板Foster网络的热阻抗Z_Ijc(或Z_Djc)；IGBT或Diode的铜基板至散热器的热阻抗Z_Ich(或Z_Dch)；IGBT模块散热器的等效热阻抗Z₆；

步骤三：检测风电机组变流器电流的瞬时值i_(t)、d及q轴分量i_d及i_q、角频率ω，电压的d、q轴分量u_d、u_q，直流侧电压U_dc，双馈电机转速n_r，IGBT模块的开关频率f_sw；检测环境温度T_a；

步骤四：利用检测到的i_d、i_q、u_d、u_q计算变流器输出的交流电流与电压的相位角；利用检测到的u_d、u_q、U_dc计算变流器的调制度m；利用检测到的n_r判断变流器整流或逆变的工作模式；进而利用、m及变流器工作模式计算IGBT及Diode的导通占空比δ_I及δ_D；

步骤五：假设IGBT或Diode的初始结温T_I，j或T_D，j为环境温度T_a；

步骤六：利用结温对IGBT模块通态压降、通态电阻、开关损耗及恢复损耗影响的关系式，计算IGBT或Diode工作状态下的通态压降v_I或v_D、通态电阻r_I或r_D、开关损耗E_{I_onoff}或恢复损耗E_{D_ref}；

步骤七：利用f_sw、U_dc、i_(t)、U_N、I_N、E_{I_onoff}或E_{D_ref}计算IGBT或Diode的开关损耗P_Is或P_Ds；利用i_(t)、δ_I(或δ_D)、v_I(或v_D)计算IGBT或Diode的通态损耗P_Ic或P_Dc；进而计算IGBT或Diode的总损耗P_I或P_D；

步骤八：利用P_Is或P_Ds、P_Ic或P_Dc计算IGBT或Diode的结温T_I，j或T_D，j；

步骤九：重复循环步骤六至八，当相邻两次的结温计算结果相差不到0.05℃时，完成风电机组某一运行状态下结温的计算，进入步骤十；

步骤十：对风电机组下一运行状态下变流器IGBT模块的结温进行计算，即循环步骤三至步骤九。

进一步，在步骤四中变流器工作模式的判断标准及，m，δ_I，δ_D的表达式分别为：

式中P、Q分别为变流器的有功及无功功率；

$M=\frac{\sqrt{u_d^2+u_q^2}}{U_{\mathrm{dc}}}$

进一步，步骤六中结温对v_I、v_D、r_I、r_D、E_{I_onoff}、E_{D_ref}影响的表达式为：

v_I＝v_{I_25}+K_V,I(T_j,I-25)

v_D＝v_{D_25}+K_V,D(T_j,D-25)

r_I＝r_{I_25}+^K _r,I(^T _j,I-25)

r_D＝r_{D_25}+K_r,D(T_j,D-25)

进一步，步骤七中IGBT或Diode的开关损耗P_Is或P_Ds的表达式为：

$P_{\mathrm{IS}}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{sw}}{E}_{I\_\mathrm{onoff}}\·\frac{U_{\mathrm{dc}}\·i_{\left(t\right)}}{U_N\·i_N}& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

$P_{\mathrm{Ds}}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{sw}}{E}_{D\_\mathrm{ref}}\frac{U_{\mathrm{dc}}\·i_{\left(t\right)}}{U_N\·i_N}& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

通态损耗P_Ic或P_Dc的表达式为：

$P_{\mathrm{IC}}=\left\{\begin{array}{cc}(v_I\·i_{\left(t\right)}+r_I\·i_{\left(t\right)}^2)\·{\mathrm{\δ}}_I& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

$P_{\mathrm{Dc}}=\left\{\begin{array}{cc}(v_D\·i_{\left(t\right)}+r_D\·i_{\left(t\right)}^2)\·{\mathrm{\δ}}_D& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

总损耗P_I或P_D的表达式为：

P_I＝P_Ic+P_Is

P_D＝P_Dc+P_Ds。

进一步，步骤八中IGBT或Diode结温T_I，j或T_D，j的表达式为：

$T_{I,j}=P_I\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{Ii}}(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_{\mathrm{Ii}}{C}_{\mathrm{Ii}}}})+(P_I+P_D)R_6(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_6{C}_6}})+T_a$

$T_{D,j}=P_D\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{Di}}(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_{\mathrm{Di}}{C}_{\mathrm{Di}}}})+(P_I+P_D)R_6(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_6{C}_6}})+T_a.$

本发明的有益效果在于：本发明公开的一种基于开关周期损耗分析的风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，利用IGBT模块厂商提供数据获取其损耗及热网络模型参数，结合变流器整流/逆变工作模式及其开关周期下的实时运行参数，并考虑各时刻下结温对IGBT模块损耗参数的影响，计算各时刻下IGBT模块的损耗，进一步通过构建的热网络模型，即可实时在线计算风电变流器IGBT模块的结温。该方法一方面能考虑各时刻下IGBT模块结温对其损耗的影响，另一方面还能同时考虑一个输出周期内IGBT模块损耗能量及波形对结温波动大小的影响，能实时准确计算风电变流器在输出频率较低时IGBT模块的动态波动结温，且有利于IGBT模块状态监测与健康管理的在线集成，降低风电变流器的失效风险。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程框图；

图2为双馈风电机组机侧变流器输出电流频率为5Hz时，IGBT结温的仿真计算波形；

图3为双馈风电机组机侧变流器输出电流频率为1Hz时，IGBT结温的仿真计算波形；

图4为双馈风电机组机侧变流器输出电流频率为1Hz时，IGBT损耗的仿真计算波形；

图5为IGBT模块的热网络模型图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述方法的流程框图，如图所示，本发明的目的在于提供一种基于开关周期损耗分析的风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，该方法在考虑IGBT模块电热耦合特性的前提下，利用风电变流器基于开关周期下的实时运行参数，对其IGBT模块结温进行在线计算，具体包括以下步骤：

S1：利用厂商提供的数据手册，获取IGBT模块的损耗参数。即IGBT(或Diode)在25℃下的初始饱和压降和通态电阻v_{I_25}和r_{I_25}(或v_{D_25}和r_{D_25})，初始饱和压降和导通电阻的温度系数K_V,I和K_r,I(或K_V,D和K_r,D)；获得额定条件下IGBT的单位开、关损耗E_on、E_off(或Diode的单位恢复损耗E_ref)，IGBT(或Diode)开关能量损耗的温度修正系数K_s,I(或K_s,D)；IGBT模块的额定电压U_N及额定电流I_N；

S2：利用厂商提供的数据手册，获取IGBT模块的热阻抗参数，即IGBT(或Diode)的芯片至铜基板Foster网络的热阻抗Z_Ijc(或Z_Djc)；IGBT(或Diode)的铜基板至散热器的热阻抗Z_Ich(或Z_Dch)；IGBT模块散热器的等效热阻抗Z₆；

S3：检测风电机组变流器电流的瞬时值i_(t)、d及q轴分量i_d及i_q、角频率ω，电压的d、q轴分量u_d、u_q，直流侧电压U_dc，双馈电机转速n_r，IGBT模块的开关频率f_sw；检测环境温度T_a；

S4：利用检测到的i_d、i_q、u_d、u_q计算变流器输出的交流电流与电压的相位角；利用检测到的u_d、u_q、U_dc计算变流器的调制度m；利用检测到的n_r判断变流器整流或逆变的工作模式；进而利用、m及变流器工作模式计算IGBT及Diode的导通占空比δ_I及δ_D；

S5：假设IGBT(或Diode)的初始结温T_I，j(或T_D，j)为环境温度T_a；

S6：利用结温对IGBT模块通态压降、通态电阻、开关损耗及恢复损耗影响的关系式，计算IGBT(或Diode)工作状态下的通态压降v_I(或v_D)、通态电阻r_I(或r_D)、开关损耗E_{I_onoff}(或恢复损耗E_{D_ref})；

S7：利用f_sw、U_dc、i_(t)、U_N、I_N、E_{I_onoff}(或E_{D_ref})计算IGBT(或Diode)的开关损耗P_Is(或P_Ds)；利用i_(t)、δ_I(或δ_D)、v_I(或v_D)计算IGBT(或Diode)的通态损耗P_Ic(或P_Dc)；进而计算IGBT(或Diode)的总损耗P_I(或P_D)；

S8：利用P_Is(或P_Ds)、P_Ic(或P_Dc)计算IGBT(或Diode)的结温T_I，j(或T_D，j)；

S9：重复循环步骤S6-S8，当相邻两次的结温计算结果相差不到0.05℃时，完成风电机组某一运行状态下结温的计算，进入步骤S10；

S10：对风电机组下一运行状态下变流器IGBT模块的结温进行计算，即循环步骤S3-S9。

步骤S2中IGBT模块的热网络模型如图5所示，图中Z_Ijc(或Z_Djc)采用Foster网络形式，其由热阻R_I1～R_I4及热容C_I1～C_I4(或R_D1～R_D4及C_D1～C_D4)构成；Z_Ich(或Z_Dch)由热阻R_I5及热容C_I5(或R_D5及C_D5)构成；Z₆由热阻R₆及热容C₆构成。

在上述步骤S4中变流器工作模式的判断标准及m，δ_I，δ_D的表达式分别为：

式中P、Q分别为变流器的有功及无功功率；

$m=\frac{\sqrt{u_d^2+u_q^2}}{U_{\mathrm{dc}}}$

在上述步骤S6中结温对v_I、v_D、r_I、r_D、E_{I_onoff}、E_{D_ref}影响的表达式为：

v_I＝v_{I_25}+K_V,I(T_j,I-25)

v_D＝v_{D_25}+K_V,D(T_j,D-25)

r_I＝r_{I_25}+K_r,I(T_j,I-25)

r_D＝r_{D_25}+K_r,D(T_j,D-25)

在上述步骤S7中IGBT(或Diode)的开关损耗P_Is(或P_Ds)的表达式为：

$P_{\mathrm{IS}}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{sw}}{E}_{I\_\mathrm{onoff}}\·\frac{U_{\mathrm{dc}}\·i_{\left(t\right)}}{U_N\·i_N}& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

$P_{\mathrm{Ds}}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{sw}}{E}_{D\_\mathrm{ref}}\frac{U_{\mathrm{dc}}\·i_{\left(t\right)}}{U_N\·i_N}& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

通态损耗P_Ic(或P_Dc)的表达式为：

$P_{\mathrm{IC}}=\left\{\begin{array}{cc}(v_I\·i_{\left(t\right)}+r_I\·i_{\left(t\right)}^2)\·{\mathrm{\δ}}_I& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

$P_{\mathrm{Dc}}=\left\{\begin{array}{cc}(v_D\·i_{\left(t\right)}+r_D\·i_{\left(t\right)}^2)\·{\mathrm{\δ}}_D& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

总损耗P_I(或P_D)的表达式为：

P_I＝P_Ic+P_Is

P_D＝P_Dc+P_Ds。

在上述步骤S8中IGBT(或Diode)结温T_I，j(或T_D，j)的表达式为：

$T_{I,j}=P_I\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{Ii}}(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_{\mathrm{Ii}}{C}_{\mathrm{Ii}}}})+(P_I+P_D)R_6(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_6{C}_6}})+T_a$

$T_{D,j}=P_D\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{Di}}(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_{\mathrm{Di}}{C}_{\mathrm{Di}}}})+(P_I+P_D)R_6(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_6{C}_6}})+T_a.$

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，其特征在于：以IGBT模块电热耦合特性为前提，利用风电变流器基于开关周期下的实时运行参数，对其IGBT模块结温进行在线计算；包括以下步骤：

步骤一：获取IGBT模块的损耗参数，包括IGBT或Diode在25℃下的初始饱和压降和通态电阻v_{I_25}和r_{I_25}或v_{D_25}和r_{D_25}，初始饱和压降和导通电阻的温度系数K_V,I和K_r,I或K_V,D和K_r,D；获得额定条件下IGBT的单位开、关损耗E_on、E_off或Diode的单位恢复损耗E_ref，IGBT或Diode开关能量损耗的温度修正系数K_s,I或K_s,D；IGBT模块的额定电压U_N及额定电流I_N；

步骤二：获取IGBT模块的热阻抗参数，包括IGBT或Diode的芯片至铜基板Foster网络的热阻抗ZI_jc或Z_Djc；IGBT或Diode的铜基板至散热器的热阻抗Z_Ich或Z_Dch；IGBT模块散热器的等效热阻抗Z₆；

步骤三：检测风电机组变流器电流的瞬时值i_(t)、d及q轴分量i_d及i_q、角频率ω，电压的d、q轴分量u_d、u_q，直流侧电压U_dc，双馈电机转速n_r，IGBT模块的开关频率f_sw；检测环境温度T_a；

步骤四：利用检测到的i_d、i_q、u_d、u_q计算变流器输出的交流电流与电压的相位角；利用检测到的u_d、u_q、U_dc计算变流器的调制度m；利用检测到的n_r判断变流器整流或逆变的工作模式；进而利用、m及变流器工作模式计算IGBT及Diode的导通占空比δ_I及δ_D；

步骤五：假设IGBT或Diode的初始结温T_I，j或T_D，j为环境温度T_a；

步骤六：利用结温对IGBT模块通态压降、通态电阻、开关损耗及恢复损耗影响的关系式，计算IGBT或Diode工作状态下的通态压降v_I或v_D、通态电阻r_I或r_D、开关损耗E_{I_onoff}或恢复损耗E_{D_ref}；

步骤七：利用f_sw、U_dc、i_(t)、U_N、I_N、E_{I_onoff}或E_{D_ref}计算IGBT或Diode的开关损耗P_Is或P_Ds；利用i_(t)、δ_I或δ_D、v_I或v_D计算IGBT或Diode的通态损耗P_Ic或P_Dc；进而计算IGBT或Diode的总损耗P_I或P_D；

步骤八：利用P_Is或P_Ds、P_Ic或P_Dc计算IGBT或Diode的结温T_I，j或T_D，j；

步骤九：重复循环步骤六至八，当相邻两次的结温计算结果相差不到0.05℃时，完成风电机组某一运行状态下结温的计算，进入步骤十；

步骤十：对风电机组下一运行状态下变流器IGBT模块的结温进行计算，即循环步骤三至步骤九。

2.根据权利要求1所述的一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，其特征在于：在步骤四中变流器工作模式的判断标准及m，δ_I，δ_D的表达式分别为：

式中P、Q分别为变流器的有功及无功功率；

$m=\frac{\sqrt{u_d^2+u_q^2}}{U_{\mathrm{dc}}}$

3.根据权利要求1所述的一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，其特征在于：步骤六中结温对v_I、v_D、r_I、r_D、E_{I_onoff}、E_{D_ref}影响的表达式为：

v_I＝v_{I_25}+K_V,I(T_j,I-25)

v_D＝v_{D_25}+K_V,D(T_j,D-25)

r_I＝r_{I_25}+K_r,I(T_j,I-25)

r_D＝r_{D_25}+K_r,D(T_j,D-25)

4.根据权利要求1所述的一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，其特征在于：步骤七中IGBT或Diode的开关损耗P_Is或P_Ds的表达式为：

$P_{\mathrm{IS}}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{sw}}{E}_{I\_\mathrm{onoff}}\·\frac{U_{\mathrm{dc}}\·i_{\left(t\right)}}{U_N\·i_N}& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

$P_{\mathrm{Ds}}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{sw}}{E}_{D\_\mathrm{ref}}\frac{U_{\mathrm{dc}}\·i_{\left(t\right)}}{U_N\·i_N}& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

通态损耗P_Ic或P_Dc的表达式为：

$P_{\mathrm{IC}}=\left\{\begin{array}{cc}(v_I\·i_{\left(t\right)}+r_I\·i_{\left(t\right)}^2)\·{\mathrm{\δ}}_I& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

$P_{\mathrm{Dc}}=\left\{\begin{array}{cc}(v_D\·i_{\left(t\right)}+r_D\·i_{\left(t\right)}^2)\·{\mathrm{\δ}}_D& i\left(t\right)>0\\ 0& i\left(t\right)\≤0\end{array}\right.$

总损耗P_I或P_D的表达式为：

P_I＝P_Ic+P_Is

P_D＝P_Dc+P_Ds。

5.根据权利要求1所述的一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，其特征在于：步骤八中IGBT或Diode结温T_I，j或T_D，j的表达式为：

$T_{I,j}=P_I\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{Ii}}(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_{\mathrm{Ii}}{C}_{\mathrm{Ii}}}})+(P_I+P_D)R_6(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_6{C}_6}})+T_a$

$T_{D,j}=P_D\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{Di}}(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_{\mathrm{Di}}{C}_{\mathrm{Di}}}})+(P_I+P_D)R_6(1-e^{\frac{-\mathrm{\Δt}}{R_6{C}_6}})+T_a.$