CN111384839A - 一种用于平滑风电变流器中igbt模块低频结温波动的方法 - Google Patents

一种用于平滑风电变流器中igbt模块低频结温波动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，先找出一年内最低气温，将其设定为IGBT模块允许的最低结温；然后根据设定的低频结温波动平滑控制目标，计算出IGBT模块运行时允许的最高结温；再将环境温度设定为一年内最高气温，计算出运行风速区间内每个风速下IGBT模块的最高结温；通过比较运行风速区间内IGBT模块在每个风速下最高结温和运行时允许的最高结温，确定热管理的调控区间；最后在热管理的调控区间内，采用提高散热风扇风速或者水冷系统流速的方式使得IGBT模块运行结温低于允许的最高结温。本发明不仅可以实现风电变流器中IGBT模块低频结温波动的有效平滑，而且无需在整个风速区间采用热管理措施，降低了对风电变流器的影响，提高了IGBT模块的使用寿命。

Description

一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法
技术领域
本发明涉及一种电力设备寿命提高方法，尤其涉及一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法。
背景技术
随着新能源发电装机容量的不断增加，功率变流器得到了大规模的应用。作为变流器能量变换与控制的核心组件，IGBT模块得到了持续快速的发展。与此同时，由于风电变流器功率的波动性以及间歇性，IGBT模块长期承受热载荷的冲击作用，在运行过程中容易发生热疲劳老化，降低其可靠性。IGBT模块承受的热载荷具有多时间尺度特性，具体可以划分为基频结温波动和低频结温波动。基频结温波动和变流器的输出频率相关，而低频结温波动是由风速和气温的波动引起。两种时间尺度的热载荷带来的寿命消耗是不一样的，因此结温的平滑控制目标也是不同的。对于基频结温波动来说，它的结温波动幅值和某一具体风速关系密切，而对于低频结温波动来说，它的结温波动大小取决于不同运行工况下的风速和气温。进一步的研究结果则表明，低频结温波动引起的寿命消耗占据了IGBT模块总寿命消耗的很大一部分比例。如果能够有针对性地平滑低频结温波动，那么IGBT模块的使用寿命将会得到极大提升。
一般来说，用于平滑结温波动的措施可以被称为热管理方法。现有的热管理方法主要分为两类，一类是内部热管理，另一类是外部热管理。内部热管理主要通过调控与IGBT模块功率损耗相关的物理参量来实现结温波动的平滑，这些物理参量包括直流母线电压，调制方式，开关驱动等等。外部热管理主要通过调节IGBT模块壳到环境的热阻来实现结温波动的平滑，其原理如下：当IGBT模块结温高于设定目标时，降低散热风扇的风速，而当IGBT模块结温低于设定目标时，提高散热风扇的风速。上述这些方法对基频结温波动具有显著的平滑效果，这是因为基频结温波动的幅值取决于该时段对应的风速大小，当风速达到设定阈值时，即可采取相应的结温调控措施。而对于低频结温波动来说，由于它的峰值和谷值是由不同工况下的风速和气温决定的，结温控制目标比较模糊。如果上述方法用于平滑低频结温波动，那么相应的热管理措施需要在几乎所有的风速区间进行，对风电变流器的正常运行会造成极大影响。另一方面，现有的热管理方法并不能有效地平滑波动幅值较高的低频结温波动。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出了一种无需在整个风速区间采取热管理措施就可以有效平滑波动幅值较高的低频结温波动方法。
技术方案：本发明所述的一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，包括步骤：
(1)根据一整年的气温数据找出一年内最低气温Tamin，将其设定为IGBT模块允许的最低结温Tjmin,pred；
(2)根据设定的低频结温波动平滑控制目标ΔTj，计算出IGBT模块在运行过程中允许的最高结温Tjma,pred；
(3)将环境温度设定为一年内最高气温Tamax，计算出运行风速区间内每个风速下IGBT模块的最高结温Tjma；
(4)根据运行风速区间内IGBT模块的最高结温Tjmax以及IGBT模块在运行过程中允许的最高结温Tjmax,pred，确定热管理的调控区间。
(5)在热管理的调控区间内，采用提高散热风扇风速或者水冷系统流速的方式使得IGBT模块运行结温低于Tjmax,pred。
进一步地，所述步骤(1)包括：将IGBT模块允许的最低结温Tjmin,pred设定为一年内最低气温Tamin。
进一步地，步骤(2)中，IGBT模块在运行过程中允许的最高结温Tjmax,pred可以通过以下公式进行计算
Tjmax,pred＝ΔTj+Tjmi,pred
其中ΔTj为设定的低频结温波动平滑控制目标。
进一步地，步骤(3)包括：将环境温度设定为一年内最高气温Tamax，通过结温数值计算方法，获得IGBT模块在运行区间内每个风速下的最高结温Tjmax。
进一步地，步骤(4)包括：比较Tjmax,pred和运行区间内每个风速下的Tjma大小，Tjmax高于Tjmax,pred所对应的风速为热管理需要进行使用的区间。
进一步地，步骤(5)包括：通过提高散热风扇风速或者水冷系统流速，使得热管理调控区间内的IGBT模块结温低于Tjmax,pred。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
1、采用了极值思想，即考虑产生ΔTj最极端的情况，然后控制IGBT模块的结温不超过在极端情况时所确定的Tjmax,pred，因而可以有效平滑低频结温波动；
2、由于IGBT模块的结温随着风速增大是逐渐升高的，而借助步骤(4)可以将热管理的调控区间集中于高风速区域，因而其无需在整个风速区间进行使用，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
请参见图1，其示出了本发明所述的一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，包括步骤：
a.根据一整年的气温数据找出全年最低气温Tamin，将其设定为IGBT模块允许的最低结温Tjmi,pred；
b.根据设定的低频结温波动平滑控制目标ΔTj，计算出IGBT模块在运行过程中允许的最高结温Tjma,pred；
本实施例中，步骤b具体包括：根据以下公式解析计算出Tjmax,pred：
Tjmax,pred＝ΔTj+Tjmi,pred
c.将环境温度设定为全年最高气温Tamax，计算出运行风速区间内每个风速下IGBT模块的最高结温Tjmax；
本实施例中，步骤c具体包括：将环境温度设置为Tamax，然后利用结温数值计算法获得IGBT模块在运行区间内每个风速下的最高结温Tjmax。
d.通过比较Tjmax,pred和运行区间内每个风速下的Tjmax大小，确定需要采取热管理的风速区间。
本实施例中，步骤d具体包括：当Tjmax高于Tjma,pred时，此时Tjmax所对应的风速即为热管理需要进行使用的风速区间。
e.在热管理的调控区间内，采用变散热风扇风速或者水冷系统流速的方式使得IGBT模块运行结温低于Tjmax,pred。
本实施例中，步骤e具体包括：设定风速为额定风速，环境温度为Tamax，结合结温数值计算方法，计算散热系统每个流速下所对应的最高结温。假设流速v1m/s对应的最高结温为Tj1，流速(v1-0.1)m/s对应的最高结温为Tj2，如果满足：
Tj1<Tjmax,pred<Tj2
则在热管理使用风速区间内需要将散热风扇风速或者水冷系统流速设定为v1。

Claims (6)

1.一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，其特征在于，包括步骤：
(1)根据一整年的气温数据找出一年内最低气温Tamin，将其设定为IGBT模块允许的最低结温Tjmin，pred；
(2)根据设定的低频结温波动平滑控制目标ΔTj，计算出IGBT模块在运行过程中允许的最高结温Tjmax，pred；
(3)将环境温度设定为一年内最高气温Tamax，计算出运行风速区间内每个风速下IGBT模块的最高结温Tjmax，其中，所述运行风速区间为切入风速到切除风速之间的风速范围；
(4)根据运行风速区间内IGBT模块的最高结温Tjmax以及IGBT模块在运行过程中允许的最高结温Tjmax，pred，确定热管理的调控区间；
(5)在热管理的调控区间内，采用提高散热风扇风速或者水冷系统流速的方式使得IGBT模块运行结温低于Tjmax，pred。
2.根据权利要求1所述的一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：将IGBT模块允许的最低结温Tjmin，pred设定为一年内最低气温Tamin。
3.根据权利要求1所述的一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：IGBT模块在运行过程中允许的最高结温Tjmax，pred通过以下公式解析计算获得：
Tjmax，pred＝ΔTj+Tjmin，pred
其中，ΔTj为设定的低频结温波动平滑控制目标。
4.根据权利要求1所述的一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：在计算每个风速下最高结温的时候，将环境温度设定为一年内最高气温Tamax。
5.根据权利要求1所述的一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：比较Tjmax，pred和步骤(3)中计算得到的每个风速下Tjmax大小，Tjmax高于Tjmax，pred所对应的风速为热管理需要进行使用的区间。
6.根据权利要求1所述的一种用于平滑风电变流器中IGBT模块低频结温波动的方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：在热管理的调控区间内，通过提高散热风扇风速或者水冷系统流速使得IGBT模块的结温低于Tjmax，pred。
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