CN107612358A - 一种基于变开关波形的主动防凝露系统和方法 - Google Patents
一种基于变开关波形的主动防凝露系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于变开关波形的主动防凝露系统和方法，所述系统包括传感单元、计算单元、比较单元、驱动电阻PI控制器、驱动电阻选择器以及数字驱动电路。针对封闭式水冷变流器，所述方法包括：按照变流器柜内的空气湿度、温度情况，计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，设为热控制闭环的设定值；对驱动电阻进行控制，通过改变功率器件开关波形，实现柜内散热器及水循环管道的温度高于柜内空气的露点温度，从而防止了凝露的发生。本发明在变流器功率下降的时候，改变功率器件开关波形，通过短时提高变流器的损耗，控制水冷散热器高于柜内空气的凝露点温度，避免凝露现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及变流器控制技术领域，具体地，涉及一种基于变开关波形的主动防凝露系统和方法。
背景技术
目前，风电大规模发展，覆盖地区包括海上、滩涂等高湿、高盐雾地区。潮湿、高盐雾的环境不但容易造成变流器系统柜体的锈变、老化，降低结构和绝缘强度，还将严重影响电气设备及开关器件的工作寿命。因此海上风电变流器的柜体结构需要满足对微尘、湿气、盐雾的防护需求。在海上风电机组运行环境中，如果变流器采用风冷却模式，必然会吸入大量带有盐雾、潮气的腐蚀性空气，对变流器器件、内部结构件等寿命产生不利影响，因此风冷却方式是不适用于海上风电变流器系统。变流器柜体需要采用全封闭式设计，可以有效地与外界高盐雾、潮湿的环境隔离，但也造成了柜内热量无法和外部空气通过空气对流的方式排出机柜，因此需要采用全封闭式水冷却作为系统冷却方案。
由于风能的波动性和随机性，风速可能发生骤降的情况，此时变流器功率的下降，这就意味着损耗及由此产生的热量降低，在外部水冷散热功率恒定的情况下，此时水冷散热器和水循环管道温度急剧下降，而散热效率的问题，柜内空气温度下降较慢，这样将使柜内水冷散热器和水循环管道成为柜内的局部冷点。若局部冷点温度低于柜内的露点温度，则在水冷散热器和水循环管道上出现凝露现象。凝露会在电气设备金属表面发生电化腐蚀，损坏金属强度和性能，影响其使用寿命，而当凝露严重时可能会引起电气短路，若发生在功率模块表面上的凝露可能结合表面尘埃，在栅极和漏极之间形成导电通道，导致整个功率器件失效损坏，而控制器表面的凝露有可能造成短路、元件失效或信号混乱的情况，这些问题都将给变流器的控制和运行造成严重影响。
从凝露发生机理出发，水冷变流器中消除凝露两种有效方法：湿度控制法和温度控制法。湿度控制法是指降低空气中的绝对湿度，现有湿度控制防凝露技术主要是通过增加额外除湿机、干燥剂或吸附膜等除湿器件来降低空气中的绝对湿度，这些技术需要增加除湿装置，增加了成本，降低设备的可靠性。温度控制技术指控制水冷散热器的温度高于柜内空气的露点温度，从而避免凝露的产生。现有的温度控制技术的方法一般有两种，一种是启停外水冷装置，在水冷回路上加上带控制功能的旁通阀，水冷散热器温度变低时，将流入水冷散热器的水冷回路旁路掉，使冷却水温度高于露点温度，这种方式需要加装带控制功能的旁通阀，这将增加故障点，同时这种方法无法保证温度调节精度。另外一种方法是在水箱加热装置，通过控制加热装置确保冷却液的温度高于柜内空气的露点温度，但这种方法响应速度比较慢，需要配置额外的设备，同样增加了成本，增加了系统运行的故障点。
经检索，公开号为CN 103023277 A的中国专利，公开了一种水冷变流器的防凝露的控制方法及装置，该发明采用增加加热器，当所述水箱的出水口的温度值t1低于所述凝露点温度值t0时对外部水箱加热的方法，需要增加加热设备，在增加了成本的同时也降低了设备的可靠性。由于采用对水箱的水采用加热装置加热的方法，但是由于水的比热容比较大，对水加热升温的速度非常缓慢。当检测到水温低于柜内的凝露点温度后然后对水进行加热，由于动态响应速度的问题，可能柜内局部冷点已经发生了凝露现象。
公开号为CN 103616909 A的中国专利，公开了一种水冷变流器功率柜控制方法、装置及应用其的水冷变流器。该发明采用启停热交换装置，对风机的运行寿命是有影响，或降低装置运行的可靠性。同时采用启停的方式，不能实现无级平滑调温，无法保证温控的分辨率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于变开关波形的主动防凝露系统和方法，在变流器功率下降的时候，改变功率器件开关波形，通过短时提高变流器的损耗，控制水冷散热器高于柜内空气的凝露点温度，避免凝露现象的发生。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的第一目的，提供一种基于变开关波形的主动防凝露系统，包括：
传感单元，用于获取变流器柜内的空气湿度、温度情况以及所有散热器温度；
计算单元，根据传感单元获取的变流器柜内的空气湿度、温度情况，计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，设为热控制闭环的设定值；
比较单元，将传感单元采集的所有散热器温度中最小值Ts与柜内空气的凝露点温度Ts,ref比较：当Ts小于Ts,ref时，存在发生凝露的风险，将Ts与Ts,ref差值输入到驱动电阻PI控制器；
驱动电阻PI控制器，根据比较单元比较结果，在Ts小于Ts,ref时，将Ts与Ts,ref差值输出到热控制闭环控制器，输出所需调整到的驱动电阻值由驱动电阻选择器选择匹配的驱动电阻；
驱动电阻选择器，根据热控制闭环控制器的控制信号，选取匹配的驱动电阻满足温度控制需要；
数字驱动电路，用于在线调节驱动电阻，驱动所选择的驱动电阻运行，改变功率器件开关波形，从而增加功率器件开关损耗，控制温度Ts不小于Ts,ref，实现主动防凝露。
优选地，所述数字驱动电路包括数字驱动控制器和门极电阻控制电路，其中：
数字驱动控制器，输入端连接所述驱动电阻选择器的输出端，用于接受驱动电阻选择器输出的驱动电阻选配控制命令，并通过选通开关在线调节开关器件的驱动电阻；
门极电阻控制电路，输入端连接数字驱动控制器的输出端，用于控制选通开关的动作，实现在线调节开关器件的驱动电阻。
根据本发明的第二目的，提供一种基于变开关波形的主动防凝露方法，针对封闭式水冷变流器，包括：
按照变流器柜内的空气湿度、温度情况，计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，设为热控制闭环的设定值；
对驱动电阻进行控制，通过改变功率器件开关波形，实现柜内散热器及水循环管道的温度高于柜内空气的露点温度，从而防止了凝露的发生。
优选地，所述方法通过预先装的柜内温度、湿度传感器，获得柜内空气温度T及湿度RH，根据柜内空气温度T及湿度RH计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，利用凝露点温度Ts,ref作为变流器热控制闭环中的温度外环的设定值。
优选地，所述方法采集所有散热器温度，选取其中最小值Ts与柜内空气的凝露点温度Ts,ref比较：
当Ts大于或等于Ts,ref时，不会发生凝露现象，热控制环不投入；
当Ts小于Ts,ref时，存在发生凝露的风险，将Ts与Ts,ref差值输入到驱动电阻PI控制器，依据PI控制器输出通过驱动电阻选择器选取匹配的驱动电阻，改变功率器件开关波形，增加开关损耗，保持Ts不小于Ts,ref，此时凝露现象不会发生。
优选地，所述方法在改变功率器件开关波形一定时间后，驱动电阻恢复原值，此时Ts始终不小于Ts,ref，那么结束主动防凝露控制。
基于上述可见，本发明中基于变开关波形的主动放凝露控制只是在Ts小于Ts,ref时候起作用，作用时间短，对于机组的整体效率影响不大。
优选地，所述饱和水汽压计算公式采用马格纳斯公式，具体如下：
其中，常数β＝17.62，γ＝243.12℃。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)基于在线变开关波形的损耗控制技术动态响应速度快；
2)本发明保证水冷散热器温度始终不小于柜内空气的凝露点温度，温度控制精度高，特别柜内湿度比较大时，该方法依然适合；
该技术方案可以实现封闭式水冷变流器主动防凝露，防止由于凝露现象造成变流器损害，提高了变流器的运行可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为兆瓦级风电变流器系统结构示意图；
图2为Foster热阻抗网络模型图；
图3为本发明一实施例门极电阻控制电路图；
图4为本发明一实施例基于变开关波形的主动防凝露控制框图；
图5为本发明一实施例柜内空气温度、湿度、露点温度关系图；
图6为本发明一实施例风速变化情况；
图7a为本发明一实施例防凝露控制前温度情况图；
图7b为本发明一实施例防凝露控制后温度情况图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
针对封闭式水冷变流器，本发明提出一种基于变开关波形的损耗热控制技术，并通过损耗控制技术实现变流器的主动防凝露，该方法温度调节精度高，响应速度快。
基于损耗的热控制技术是通过对功率模块的损耗控制，改变功率器件的热环境。功率器件IGBT和DIODE的损耗由导通损耗和开关损耗组成。在功率器件定型及直流母线电压恒定的情况下，IGBT导通损耗只与负载电流机调制方式有关系，而开关损耗与负载电流、开通损耗能量、关断损耗能量、开关频率、调制方式及直流母线电压相关。其中ESW(on)、ESW(OFF)除了与IGBT开关器件本身特性相关外，还与温度、电压、电流、驱动电阻相关，那么可以通过驱动电阻控制改变开关脉冲的波形，调节ESW(on)、ESW(OFF)，改变IGBT的开关损耗，即改变了变流器的总损耗。从图2功率器件的Foster热阻抗模型可以看出，当IGBT的热阻抗不变时，通过控制变流器损耗PIGBT，可以调节IGBT结点温度Tj和散热器温度TH，那么就实现了变流器的热控制。
变流器热控制闭环是指通过变流器损耗及散热条件等的闭环控制调整变流器的热状态，从而提高变流器的健康运行水平。
因此，本发明通过调节功率开关器件的驱动电阻来改变IGBT的开关波形，进一步可调节IGBT的开关损耗，从而实现对变流器的热控制。但是在线调节功率开关器件的驱动电阻需要采用数字驱动技术。
如图4所示，基于变开关波形的防凝露控制技术是指按照变流器柜内的空气湿度、温度情况，计算得到热控制闭环的设定值，通过对驱动电阻的控制从而实现柜内散热器及水循环管道的温度高于柜内空气的露点温度，从而防止了凝露的发生。
基于上述，一种基于变开关波形的主动防凝露系统，如图4所示，包括：
传感单元，用于获取变流器柜内的空气湿度、温度情况以及所有散热器温度；
计算单元，根据传感单元获取的变流器柜内的空气湿度、温度情况，计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，设为热控制闭环的设定值；
比较单元，将传感单元采集的所有散热器温度中最小值Ts与柜内空气的凝露点温度Ts,ref比较：当Ts小于Ts,ref时，存在发生凝露的风险，将Ts与Ts,ref差值输入到驱动电阻PI控制器；
驱动电阻PI控制器，根据比较单元的比较结果，在Ts小于Ts,ref时，将控制信号输出给驱动电阻选择器；
驱动电阻选择器，根据驱动电阻PI控制器的控制信号，选取匹配的驱动电阻；
数字驱动电路，用于在线调节驱动电阻，驱动所选择的驱动电阻运行，改变功率器件开关波形，从而增加功率器件开关损耗，保持Ts不小于Ts,ref，实现主动防凝露。
进一步的，所述数字驱动电路包括数字驱动控制器和门极电阻控制电路，其中：
数字驱动电路，用于在线调节驱动电阻，驱动所选择的驱动电阻运行，改变功率器件开关波形，从而增加功率器件开关损耗，控制温度Ts不小于Ts,ref，实现主动防凝露。门极电阻控制电路，输入端连接数字驱动控制器的输出端，用于控制选通开关的动作，实现在线调节开关器件的驱动电阻。
如图3所示，数字驱动控制器接受控制命令通过选通开关在线调节开关器件的驱动电阻，来实现变流器的损耗热控制。
如图4所示，一种基于变开关波形的主动防凝露方法控制框图，具体实现的步骤如下：
步骤1：通过预先装有的柜内温度、湿度传感器获得柜内温度T及湿度RH，按照变饱和水汽压计算公式得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref。利用凝露点温度Ts,ref作为图4所示的基于变开关波形的变流器热控制框图中的温度外环的设定值。
所述饱和水汽压计算公式采用马格纳斯公式，具体如下：
其中，常数β＝17.62，γ＝243.12℃。
在具体实施中，经过上述公式计算，可以得到如图5所示的柜内空气温度、湿度、露点温度关系图，当然，该图中仅是部分数据关系，根据上述公式，可以计算出所需各种情况下的柜内空气温度、湿度、露点温度关系。
步骤2：采集所有散热器温度，选取其中最小值Ts与Ts,ref比较：
当Ts大于或等于Ts,ref时，不会发生凝露现象，温度控制环不投入；
当Ts小于Ts,ref时，存在发生凝露的风险，将Ts与Ts,ref差值输入到驱动电阻PI控制器，依据PI控制器输出通过驱动电阻选择器选取较大的驱动电阻，改变功率器件开关波形，增加开关损耗，保持Ts不小于Ts,ref，此时凝露现象不会发生。
步骤3：在一定时间后，驱动电阻恢复原值，此时Ts始终不小于Ts,ref，那么结束主动防凝露控制。
因此基于变开关波形的主动放凝露控制只是在Ts小于Ts,ref时候起作用，作用时间短，对于机组的整体效率影响不大。
下面结合附图及具体实施例对本发明方案进行进一步的详细说明。
实施举例1：
如图1所示，采用3MW全功率风电变流器为例，接口电网电压为690V/50Hz，直流母线电容器组为38.8mF，直流母线电压给定值为1100V，开关频率为3kHz，LCL滤波器参数为：变流器侧电感为100μH、中间滤波电容为668.4μF、电网等效电感为170μH。
根据上述全功率变流器的参数，建立的Matlab/Simulink 3MW鼠笼式发电机组仿真平台上。为了能够体现基于变开关波形的主动防凝露控制的作用，仿真中所采用的风速曲线是简化的阶跃式风速模型，如图6所示。共分为三个阶段：
(1)第一阶段：[0,1s]区间风速为6m/s。
(2)第二阶段：[1s,3.5s]区间风速增大到10m/s，此时风电变流器有功电流变大，结温上升，从图4热控制框图来看，此时开关波形不变，驱动电阻不变。
(3)第三阶段：[3.5s,5.5s]区间风速从10m/s减小到8m/s,依据图4的温度判断准则，增大驱动电阻改变开关波形，增加功率器件的开关损耗，实现变流器的热控制技术。
(4)第四阶段：[5.5s,8s]区间风速从8m/s再次增加到10m/s，依据图4的温度判断准则，驱动电阻减小至常规值，降低功率器件的开关损耗。
为了验证防凝露控制技术，基于PLECS和Matlab/Simulink 3MW全功率风电机组电热仿真平台进行仿真分析。仿真结果如图7a、7b所示。假定正常运行中水冷散热器温度与柜内空气温度相近，当风速突然下降时，变流器功率及损耗下降，水冷散热器温度将很快下降，柜内空气由于散热条件限制，其温度缓慢下降，如图7a所示。此时水冷散热器温度比柜内控制温度低近10℃，从图5可知，当柜内空气湿度为Φ＝80％，此时水冷散热器将会发生凝露现象。而湿度Φ＝80％在风电变流器装备湿度允许范围之内，这种工况在实际运行中是可能出现的，那么如果不进行防凝露控制，水冷散热器上将出现凝露，对变流器的可靠运行产生不利的影响。
使用基于变开关波形的主动防凝露控制技术，在风功率降低后通过温度控制环，增加驱动电阻改变开关波形，增加变流器器件损耗，然后通过检测水冷散热器温度和依据柜内空气温度、湿度计算得到的凝露点比较得到驱动电阻值，保证水冷散热器温度始终不小于柜内空气的凝露点温度，直至控制水冷散热器及柜内空气温度达到稳定值，此时水冷散热器温度一定高于柜内空气凝露点温度，退出变开关波形的主动防凝露控制，驱动电阻恢复设计的优化值，使变流器再次处于高效的工作状态。
如图7b所示，此时散热器温度不低于柜内空气的凝露点温度，那么从图5可知，在柜内空气湿度为Φ＝80％时，水冷散热器上不会发生凝露现象。由此可知通过基于变开关波形的主动防凝露控制技术，避免凝露现象发生，提高了变流器的可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种基于变开关波形的主动防凝露系统，其特征在于，包括：
传感单元，用于获取变流器柜内的空气湿度、温度情况以及所有散热器温度；
计算单元，根据传感单元获取的变流器柜内的空气湿度、温度情况，计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，设为热控制闭环的设定值；
比较单元，将传感单元采集的所有散热器温度中最小值Ts与柜内空气的凝露点温度Ts,ref比较：当Ts小于Ts,ref时，存在发生凝露的风险，将Ts与Ts,ref差值输入到驱动电阻PI控制器；
驱动电阻PI控制器，根据比较单元的比较结果，在Ts小于Ts,ref时，将Ts与Ts,ref差值输出到热控制闭环控制器，输出所需调整到的驱动电阻值由驱动电阻选择器选择匹配的驱动电阻；
驱动电阻选择器，根据热控制闭环控制器的控制信号，选取匹配的驱动电阻满足温度控制需要；
数字驱动电路，用于在线调节驱动电阻，驱动所选择的驱动电阻运行，改变功率器件开关波形，从而增加功率器件开关损耗，控制温度Ts不小于Ts,ref，实现主动防凝露。
2.根据权利要求1所述的基于变开关波形的主动防凝露系统，其特征在于，所述数字驱动电路包括数字驱动控制器和门极电阻控制电路，其中：
数字驱动控制器，输入端连接所述驱动电阻选择器的输出端，用于接受驱动电阻选择器输出的驱动电阻选配控制命令，并通过选通开关在线调节开关器件的驱动电阻；
门极电阻控制电路，输入端连接数字驱动控制器的输出端，用于控制选通开关的动作，实现在线调节开关器件的驱动电阻。
3.一种基于变开关波形的主动防凝露方法，其特征在于，所述方法针对封闭式水冷变流器，包括：
按照变流器柜内的空气温度T及湿度RH，计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，并将凝露点温度Ts,ref设为变流器热控制闭环的设定值；
对驱动电阻进行控制，以改变功率器件开关波形，实现柜内散热器及水循环管道的温度高于柜内空气的露点温度，从而防止了凝露的发生。
4.根据权利要求3所述的基于变开关波形的主动防凝露方法，其特征在于，所述方法通过预先装的柜内温度、湿度传感器，获得柜内空气温度T及湿度RH，根据柜内空气温度T及湿度RH计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，利用凝露点温度Ts,ref作为变流器热控制闭环中的温度外环的设定值。
5.根据权利要求4所述的基于变开关波形的主动防凝露方法，其特征在于，所述方法采集所有散热器温度，选取其中最小值Ts与柜内空气的凝露点温度Ts,ref比较：
当Ts大于或等于Ts,ref时，不会发生凝露现象，热控制环不投入；
当Ts小于Ts,ref时，存在发生凝露的风险，将Ts与Ts,ref差值输入到驱动电阻PI控制器，依据PI控制器输出通过驱动电阻选择器选取匹配的驱动电阻，改变功率器件开关波形，增加开关损耗，保持Ts不小于Ts,ref，此时凝露现象不会发生。
6.根据权利要求5所述的基于变开关波形的主动防凝露方法，其特征在于，所述方法在改变功率器件开关波形一段时间后，驱动电阻恢复原值，此时Ts始终不小于Ts,ref，那么结束主动防凝露控制。
7.根据权利要求3-6任一项所述的基于变开关波形的主动防凝露方法，其特征在于，所述计算得到柜内空气的凝露点温度Ts,ref，是采用饱和水汽压计算公式实现的，具体如下：
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其中，常数β＝17.62，γ＝243.12℃。
8.根据权利要求3-6任一项所述的基于变开关频率的主动防凝露方法，其特征在于，所述方法只在Ts小于Ts,ref时起作用，作用时间短，对于机组的整体效率影响不大。
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