CN106407583A - 一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法。本发明首先依据IGBT模块参数表和损耗机理分析方法，估算出大功率船舶岸电变流系统损耗，并依据变流系统实际的工作环境估算出系统容许的温升值和待设计散热系统的热阻值，再结合变流系统实际尺寸限制要求建立待设计散热系统空间尺寸的优化模型，最后采用MATLAB软件中实数编码遗传算法工具箱进行优化求解，最终获得大功率船舶岸电变流系统中散热系统最佳尺寸值。采用本发明可实现满足实际工程运行要求的大功率船舶岸电变流系统的高效热设计效果，大功率船舶岸电变流系统热设计模型更为精准，散热系统工程设计参数更优，散热效率和可靠性等性能得以提升。

Description

一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域大功率变换器热设计技术领域，特别涉及一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法。

背景技术

变流系统已经广泛应用于电力系统、新能源、船舶岸电、消防应急供电、不间断供电等国家重要行业。总体上看，小功率变流技术非常成熟，但大功率变流系统已有的研究主要集中在主电路的设计和实现方面，还存在控制、散热、串并联、抗干扰等技术难题亟待学术界和工程界解。从行业角度看，我国在用于航空航天的电子电气设备热设计方面发展较为成熟；但用于新能源并网变流器、电机调速等电气设备的热设计技术还处于起步阶段。高效的热设计技术不仅可以控制功率开关器件工作于安全的温度范围，保证大功率变流系统的可靠性，还能够在满足热要求的前提下，综合考虑散热系统的方式、体积、重量和成本，对散热系统进行优化，达到功率开关器件与散热系统的最佳匹配。

按国际惯例，船舶用电频率为60Hz，而对于工频为50Hz的我国等有关港口国家，其岸电需用“电子式岸电装备”进行“变频变压”。推广靠港船舶使用岸电对大型港口和较大规模造船产业的节能减排工作具有重要的经济效益和社会效益。大功率船舶岸电变流系统热设计的好坏，直接关系到船舶岸电能否安全稳定地工作，但目前国内外针对大功率船舶岸电变流系统热设计关键技术难题的研究鲜有报道。目前，工程技术人员仅仅依赖于自身经验对变流系统的开关模块进行热设计，缺少系统性和准确性，难以保证系统在极端复杂工况下的安全可靠运行，同时依赖经验设计的散热系统参数通常也不是最优的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法，该方法包括以下步骤：

(1)输入大功率船舶岸电变流系统所采用的IGBT模块制造厂商提供的IGBT模块参数表，计算在占空比与时间满足正弦关系下的大功率船舶岸电变流系统中各个IGBT模块中的IGBT器件和续流二极管的通态损耗，具体计算方法如公式(1)和(2)所示：

其中，P_IGBTc表示IGBT器件的通态损耗，P_Dc表示续流二极管的通态损耗，I₀表示流过IGBT器件的电流，V_c0表示IGBT器件输出电压在电流I₀＝0时的开启电压，R_c表示IGBT器件的通态电阻，V_f0表示续流二极管输出电压在电流I₀＝0时的开启电压，R_f表示续流二极管的通态电阻；

(2)计算各个IGBT器件和续流二极管的开关损耗，具体计算方法(3)和(4)所示：

其中，P_IGBTs表示IGBT器件的开关损耗，P_Ds表示续流二极管的开关损耗，f_s表示IGBT器件的开关频率，P_IGBTon表示IGBT器件在额定状态下的单脉冲开通损耗，P_IGBToff表示IGBT器件在额定状态下的单脉冲关断损耗，P_Doff表示续流二极管在额定状态下的单脉冲关断损耗；

(3)按照公式(5)计算大功率船舶岸电变流系统的总功耗P_T：

P_T＝6*N*(P_IGBTc+P_IGBTs+P_Dc+P_Ds) (5)

其中，N表示每相并联的IGBT模块数量；

(4)查询IGBT模块参数表获得IGBT器件稳定工作状态下所容许的温度上限值T_wm和IGBT内部芯片到IGBT模块表面的热阻值R_t，并依据大功率船舶岸电变流系统容许的工作环境温度上限值T_em，可以计算出系统容许的温升上限值T_mr＝T_em-T_wm；

(5)按照公式(6)计算待设计的散热系统对应的热阻R_design，并查询技术手册中热阻风压曲线确定采用强制风冷散热模式的风机风压值，依据公式(7)计算所需的风量值Q_design，然后综合依据风压值和风量值这两个重要技术参数可以确定出风机的型号；

其中，λ表示工程估算比例系数，通常取1.6～2之间的实数，ρ表示空气密度，c表示空气的比热容；

(6)依据大功率船舶岸电变流系统尺寸要求，确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的上限值，包括散热子系统厚度的上限值d_max，散热子系统表面积的上限值S_max；

(7)在步骤(5)和(6)的基础上，结合公式(8)确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的采取强制风冷方式的散热子系统厚度d_design和表面积S_design应满足的约束条件：

其中，α表示散热系统所采用材料的热导率，β表示与散热系统表面和安装角度相关的修正因子，β的取值范围通常为0.01至0.05范围的实数；

(8)按照公式(9)确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的优化模型：

min F(x)＝min{w₁(d_design)²+w₂(S_design)²},x＝(d_design,S_design)

0<d_design≤d_max

0<S_design≤S_max

其中，F(x)表示决策向量x对应的适应度函数，w₁和w₂表示权重系数；

(9)采用MATLAB软件优化工具箱中的实数编码遗传算法对步骤(8)中的优化模型进行求解，获得大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的最优值，包括最优的厚度值d_opti和最优的表面积值S_opti。

本发明的有益效果是：采用本发明可实现满足实际工程运行要求的大功率船舶岸电变流系统的高效热设计效果，具有现有技术所不具备的以下优点：大功率船舶岸电变流系统热设计模型更为精准，散热系统工程设计参数更优，散热效率和可靠性等性能得以提升。

附图说明

图1为用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法的实现步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，本发明的目的和效果将更加明显。

图1为用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法的实现步骤示意图。以一个功率为1兆瓦的大功率船舶岸电变流系统为例，采用本发明提出的高效热设计方法进行实施。

所述的一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法，包括以下步骤：

1、输入大功率船舶岸电变流系统所采用的英飞凌公司提供的型号为FF450R120KT3的IGBT模块参数表：V_c0＝1.0V，R_c＝2.3mΩ，V_f0＝1.0V，R_f＝2.3mΩ，f_s＝3kHz，P_IGBTon＝28mJ，P_IGBToff＝44mJ，P_Doff＝38mJ；计算在占空比与时间满足正弦关系下的大功率船舶岸电变流系统中各个IGBT模块中的IGBT器件和续流二极管的通态损耗，具体计算方法如公式(1)和(2)所示：

其中，P_IGBTc表示IGBT器件的通态损耗，P_Dc表示续流二极管的通态损耗，I₀表示流过IGBT器件的电流，V_c0表示IGBT器件输出电压在电流I₀＝0时的开启电压，R_c表示IGBT器件的通态电阻，V_f0表示续流二极管输出电压在电流I₀＝0时的开启电压，R_f表示续流二极管的通态电阻。

2、计算各个IGBT器件和续流二极管的开关损耗，具体计算方法(3)和(4)所示：

其中，P_IGBTs表示IGBT器件的开关损耗，P_Ds表示续流二极管的开关损耗，f_s表示IGBT器件的开关频率，P_IGBTon表示IGBT器件在额定状态下的单脉冲开通损耗，P_IGBToff表示IGBT器件在额定状态下的单脉冲关断损耗，P_Doff表示续流二极管在额定状态下的单脉冲关断损耗。

3、按照公式(5)计算大功率船舶岸电变流系统的总功耗P_T：

P_T＝6*N*(P_IGBTc+P_IGBTs+P_Dc+P_Ds) (5)

其中，N＝8。

4、查询IGBT模块参数表获得IGBT器件稳定工作状态下所容许的温度上限值T_wm和IGBT内部芯片到IGBT模块表面的热阻值R_t，并依据大功率船舶岸电变流系统容许的工作环境温度上限值T_em，可以计算出系统容许的温升上限值T_mr＝T_em-T_wm。

(5)按照公式(6)计算待设计的散热系统对应的热阻R_design，并查询技术手册中热阻风压曲线确定采用强制风冷散热模式的风机风压值，依据公式(7)计算所需的风量值Q_design，然后综合依据风压值和风量值这两个重要技术参数可以确定出风机的型号；

其中，λ表示工程估算比例系数，λ＝1.8，ρ表示空气密度，c表示空气的比热容。

6、依据大功率船舶岸电变流系统尺寸要求，确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的上限值，包括散热子系统厚度的上限值d_max，散热子系统表面积的上限值S_max。7、在步骤(5)和(6)的基础上，结合公式(8)确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的采取强制风冷方式的散热子系统厚度d_design和表面积S_design应满足的约束条件：

其中，α表示散热系统所采用铝制材料的热导率，α＝2.08，β表示与散热系统表面和安装角度相关的修正因子，β＝0.03。

8、按照公式(9)确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的优化模型：

min F(x)＝min{w₁(d_design)²+w₂(S_design)²},x＝(d_design,S_design)

0<d_design≤d_max

0<S_design≤S_max

其中，F(x)表示决策向量x对应的适应度函数，w₁和w₂表示权重系数，w₁＝50，w₂＝1。

9、采用MATLAB软件(版本号：7.11.0，R2010b)优化工具箱中的实数编码遗传算法对步骤(8)中的优化模型进行求解，其中实数编码遗传算法参数设置为：种群规模＝30，最大迭代次数＝100，选择操作为均匀随机操作，交叉概率＝0.8，变异概率＝0.01，获得大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的最优值，包括最优的厚度值d_opti和最优的表面积值S_opti。

本发明实施后获得的效果：通过上述方法最终设计出了大功率船舶岸电变流系统的铝制散热子系统的优化参数为：最优的厚度值d_opti＝7.02厘米和最优的表面积值S_opti＝0.95平方米，其中长度为5.00米，宽度为0.19米，相比现有技术设计得到的散热系统尺寸减小了5％。经过对系统实际运行中在带载和负载突变等多种工况下的实验测试，实验结果表明：采用本发明专利提供的高效热设计方法的散热效率相比现有技术至少提升了1.20％，可靠性至少提高了6.00％。

综上所述，采用本发明可实现满足实际工程运行要求的大功率船舶岸电变流系统的高效热设计效果，具有现有技术所不具备的以下优点：大功率船舶岸电变流系统热设计模型更为精准，散热系统工程设计参数更优，散热效率和可靠性等性能得以提升。

Claims (1)

1.一种用于大功率船舶岸电变流系统的高效热设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)输入大功率船舶岸电变流系统所采用的IGBT模块制造厂商提供的IGBT模块参数表，计算在占空比与时间满足正弦关系下的大功率船舶岸电变流系统中各个IGBT模块中的IGBT器件和续流二极管的通态损耗，具体计算方法如公式(1)和(2)所示：

$P_{IGBTC}=(\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}+\frac{2}{25})V_{c0}{I}_0+(\frac{1}{8}+\frac{16}{75\mathrm{\&pi;}})R_c{I}_0^2---\left(1\right)$

$P_{Dc}=(\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}-\frac{2}{25})V_{f0}{I}_0+(\frac{1}{8}-\frac{16}{75\mathrm{\&pi;}})R_f{I}_0^2---\left(2\right)$

其中，P_IGBTc表示IGBT器件的通态损耗，P_Dc表示续流二极管的通态损耗，I₀表示流过IGBT器件的电流，V_c0表示IGBT器件输出电压在电流I₀＝0时的开启电压，R_c表示IGBT器件的通态电阻，V_f0表示续流二极管输出电压在电流I₀＝0时的开启电压，R_f表示续流二极管的通态电阻。

(2)计算各个IGBT器件和续流二极管的开关损耗，具体计算方法(3)和(4)所示：

$P_{IGBTs}=\frac{I_0{f}_s}{\mathrm{\&pi;}}(P_{IGBTon}+P_{IGBToff})---\left(3\right)$

$P_{Ds}=\frac{I_0{f}_s{P}_{Doff}}{\mathrm{\&pi;}}---\left(4\right)$

其中，P_IGBTs表示IGBT器件的开关损耗，P_Ds表示续流二极管的开关损耗，f_s表示IGBT器件的开关频率，P_IGBTon表示IGBT器件在额定状态下的单脉冲开通损耗，P_IGBToff表示IGBT器件在额定状态下的单脉冲关断损耗，P_Doff表示续流二极管在额定状态下的单脉冲关断损耗。

(3)按照公式(5)计算大功率船舶岸电变流系统的总功耗P_T：

P_T＝6*N*(P_IGBTc+P_IGBTs+P_Dc+P_Ds) (5)

其中，N表示每相并联的IGBT模块数量。

(4)查询IGBT模块参数表获得IGBT器件在稳定工作状态下所容许的温度上限值T_wm和IGBT内部芯片到IGBT模块表面的热阻值R_t，并依据大功率船舶岸电变流系统容许的工作环境温度上限值T_em，可以计算出系统容许的温升上限值T_mr＝T_em-T_wm。

(5)按照公式(6)计算待设计的散热系统对应的热阻R_design，并查询技术手册中热阻风压曲线确定采用强制风冷散热模式的风机风压值，依据公式(7)计算所需的风量值Q_design，然后综合依据风压值和风量值这两个重要技术参数可以确定出风机的型号；

$R_{design}=\frac{T_{mr}}{P_T}-R_t---\left(6\right)$

$Q_{design}=\frac{{\mathrm{\&lambda;P}}_T}{{\mathrm{\&rho;cT}}_{mr}}\&times;{10}^{-3}---\left(7\right)$

其中，λ表示工程估算比例系数，通常取1.6～2之间的实数，ρ表示空气密度，c表示空气的比热容。

(6)依据大功率船舶岸电变流系统尺寸要求，确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的上限值，包括散热子系统厚度的上限值d_max，散热子系统表面积的上限值S_max；

(7)在步骤5和6的基础上，结合公式(8)确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的采取强制风冷方式的散热子系统厚度d_design和表面积S_design应满足的约束条件：

$R_{design}=\mathrm{\&alpha;}(\sqrt{\frac{10}{{\mathrm{\&beta;d}}_{design}}}+\frac{650}{S_{design}})---\left(8\right)$

其中，α表示散热系统所采用材料的热导率，β表示与散热系统表面和安装角度相关的修正因子，β的取值范围通常可以为0.01至0.05范围的实数。

(8)按照公式(9)确定大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的优化模型：

minF(x)＝min{w₁(d_design)²+w₂(S_design)²},x＝(d_design,S_design)

$\begin{array}{cc}s.t.& R_{design}=\mathrm{\&alpha;}(\sqrt{\frac{10}{{\mathrm{\&beta;d}}_{design}}}+\frac{650}{S_{design}})\end{array}---\left(9\right)$

0<d_design≤d_max

0<S_design≤S_max

其中，F(x)表示决策向量x对应的适应度函数，w₁和w₂表示权重系数。

(9)采用MATLAB软件优化工具箱中的实数编码遗传算法对步骤(8)中的优化模型进行求解，获得大功率船舶岸电变流系统中待设计的散热子系统空间尺寸的最优值，包括最优的厚度值d_opti和最优的表面积值S_opti。