CN112803739A - 基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，涉及逆变电源系统中逆变器的过电流保护技术，其中包括一种实时结温估计方法和逆变器限流值动态设定方法。本发明的基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法解决了因逆变器限流设定值较小而不能满足冲击性负荷短时较大过电流的运行工况，避免了额定电流较小的负载因存在较大短时冲击电流而需要配备大容量逆变电源的问题。

Description

基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法

技术领域

本发明涉及逆变电源系统的限流保护技术，具体涉及基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，包括一种瞬态结温估计方法和逆变器限流值动态设定方法。

背景技术

目前，随着储能技术的发展和成熟，移动储能逆变电源的应用日益广泛，为电网未能达及的地方用电负荷的供电提供了方便。储能逆变电源的核心是基于电力电子电路和控制技术的逆变器，将储能电池的直流电逆变为交流负载所需的工频交流电。由于电力电子器件过载能力弱，逆变电源的短时过载能力往往只有逆变电源额定电流的1.1～1.5倍。为了保护逆变电源不因过流而损坏，常在逆变器控制回路中设置电流限幅环节，通过降低逆变器输出电压来达到限流保护的目的。

但是，在实际应用中，逆变电源所带负载多种多样，其中不乏异步感应电动机类启动冲击性负载。当电机启动时，电机启动电流可高达电机额定电流的5倍，可能超过逆变电源的限流值，从而导致逆变电源输出电压下降。逆变电源降压运行虽然起到了保护逆变器的目的，但是影响了逆变电源供电的其它用电设备的正常运行，也容易导致电机发生堵转。

其实，逆变电源所用的电力电子器件的载流能力是有着较大的冗余水平的。首先，在正常选择电力电子开关器件时，电力电子开关器件的额定电流往往选为逆变电源额定电流的2～3倍，而且电力电子器件本身也有着一定的短时过电流能力，譬如许多IGBT器件都具有承受冲击电流不超过其额定电流10倍、持续时间不超过10微秒的能力。正因为如此，许多逆变电源都设置有阶梯限流策略，譬如电流在1.0～1.1倍额定电流时，允许过流持续时间1分钟；电流在1.1～1.3倍额定电流时，允许过流持续时间10秒钟；电流在1.3～1.5倍额定电流时，允许过流持续时间1秒钟等。

电力电子开关器件的过流能力主要取决于开关器件的结温，短时承载较大的电流而只要不引起结温超限，开关器件还是安全的。因此，按照电力电子开关器件的结温高低来动态确定限流值，将是比较合理的做法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电力电子器件实时结温估计的逆变电源动态限流方法，解决因逆变器限流设定值较小而不能满足冲击性负荷短时较大过电流的运行工况，避免额定电流较小的负载因存在较大短时冲击电流而需要配备大容量逆变电源的容量过渡冗余问题。

本发明提供的一种基于电力电子器件实时结温估计的逆变电源动态限流方法，其特征在于，根据逆变器的稳态结温估计值按照指数衰减规律实时调整逆变器的过电流限值，包括以下步骤：

步骤1：按照电力电子开关器件通态压降ΔV_on与结温θ及电流I的关系特性曲线，通过曲线拟合得到通态压降的关系表达式：

ΔV_on＝f(θ,I) (1)

进而可得开关器件的通态功率损耗值：

P_on＝ΔV_on·I·d (2)

式中，ΔV_on为开关器件的通态压降，θ为开关器件的当前结温，I为开关器件的当前电流，d为开关器件在当前开关周期的占空比，P_on为开关器件的通态损耗。

步骤2：根据开关器件手册，查获开关器件的开通能量E_on和关断能量E_off，结合逆变器的开关频率，按照下式计算开关器件的开关损耗P_sw：

P_sw＝f_sw·(E_on+E_off) (3)

式中，P_sw为开关器件的开关损耗，f_sw为开关频率，E_on为开关器件的开通能量，E_off为开关器件的关断能量。

步骤3：计算开关器件在当前开关周期内的总损耗P_Σ：

P_Σ＝P_on+P_sw (4)

式中，P_Σ为开关器件在当前开关周期内的总损耗。

步骤4：利用开关器件的Foster热网络模型，由开关器件总损耗可估计得到开关器件的当前稳态结温θ。

步骤5：根据开关器件稳态结温θ，按照下式所示指数衰减规律计算逆变器允许的动态过电流限值，并相应调整限幅器的限幅值：

式中，I_lim为逆变器的当前过电流限值，I_N为逆变器的额定电流，θ_N为电力电子开关器件的额定结温，θ为电力电子开关器件的当前稳态结温。若当前稳态结温θ低于40℃，则按40℃计算。

本发明提供的一种基于电力电子器件实时结温估计的逆变电源动态限流方法，其特征在于，在过流状态下按照绝热结温对过电流限值进行二次调整，包括以下步骤：

步骤1：设在t₀时刻发生过电流，按照下式计算开关器件从发生过电流时刻t₀起到当前时刻t_k所吸收的额外热量ΔQ_k：

其中，T_s为开关周期，P_i为开关器件在当前电流下的功耗，P_N为开关器件在额定电流下的功耗，ΔQ_k为发生过流以来开关器件所吸收的额外热量。

步骤2：视过电流期间为一个绝热过程，按照开关器件的比热容参数，获得当前时刻开关器件的绝热温升和结温：

θ_k＝θ₀+τ_k (8)

其中，C为开关器件的比热容(J/(kg·℃))，τ_k为过流引起的开关器件的绝热温升，θ_k为开关器件的当前绝热结温，θ₀为开关器件在初次过流时刻t₀的稳态结温。

步骤3：实时比较绝热结温估计值与额定结温，若绝热结温估计值小于额定结温，则维持限流值不变，一旦绝热结温估计值超出额定结温，则将限流值调整为逆变电源的额定电流。当电流回落到0.9I_N以下时，本次过电流限值的二次调整过程结束。

本发明提供的一种基于电力电子器件实时结温估计的逆变电源动态限流方法，其特征在于，动态限流环节串联于逆变电源控制系统中电流环参考信号的输出通道中，如图1中虚框所示。

基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，其特征在于，根据逆变器的稳态结温估计值按照指数衰减规律实时调整逆变器的过电流限值，同时在过流状态下按照绝热结温估计值对限值进行二次调整。

本发明技术方案在于，根据逆变器的稳态结温估计值按照指数衰减规律实时调整逆变器的过电流限值，包括以下步骤：

步骤1：按照电力电子开关器件通态压降ΔV_on与结温θ及电流I的关系特性曲线，通过曲线拟合得到通态压降的关系表达式：

ΔV_on＝f(θ,I) (1)

进而可得开关器件的通态功率损耗值：

P_on＝ΔV_on·I·d (2)

式中，ΔV_on为开关器件的通态压降，θ为开关器件的当前结温，I为开关器件的当前电流，d为开关器件在当前开关周期的占空比，P_on为开关器件的通态损耗；

步骤2：根据开关器件手册，查获开关器件的开通能量E_on和关断能量E_off，结合逆变器的开关频率，按照下式计算开关器件的开关损耗P_sw：

P_sw＝f_sw·(E_on+E_off) (3)

式中，P_sw为开关器件的开关损耗，f_sw为开关频率，E_on为开关器件的开通能量，E_off为开关器件的关断能量；

步骤3：计算开关器件在当前开关周期内的总损耗P_Σ：

P_Σ＝P_on+P_sw (4)

其中，P_Σ为开关器件在当前开关周期内的总损耗；

步骤4：利用开关器件的Foster热网络模型，由开关器件总损耗可估计得到开关器件的当前稳态结温θ；

步骤5：根据开关器件稳态结温θ，按照下式所示指数衰减规律计算逆变器允许的动态过电流限值，并相应调整限幅器的限幅值：

其中，I_lim为逆变器的当前过电流限值，I_N为逆变器的额定电流，θ_N为电力电子开关器件的额定结温，θ为电力电子开关器件的当前稳态结温；若当前稳态结温θ低于40℃，则按40℃计算。

本发明技术方案在于，在过流状态下按照绝热结温对过电流限值进行二次调整，包括以下步骤：

步骤1：设在t₀时刻发生过电流，按照下式计算开关器件从发生过流时刻t₀起到当前时刻t_k所吸收的额外热量ΔQ_k：

其中，T_s为开关周期，P_i为开关器件在当前电流下的功耗，P_N为开关器件在额定电流下的功耗，ΔQ_k为发生过流以来开关器件所吸收的额外热量；

步骤2：视过电流期间为一个绝热过程，按照开关器件的比热容参数，获得当前时刻开关器件的绝热温升和结温：

θ_k＝θ₀+τ_k (8)

其中，C为开关器件的比热容(J/(kg·℃))，τ_k为过流引起的开关器件的绝热温升，θ_k为开关器件的当前绝热结温，θ₀为开关器件在初次过流时刻t₀的稳态结温；

步骤3：实时比较绝热结温估计值与额定结温，若绝热结温估计值小于额定结温，则维持限流值不变，一旦绝热结温估计值超出额定结温，则将限流值调整为逆变电源的额定电流；当电流回落到0.9I_N以下时，本次过电流限值的二次调整过程结束。

本发明技术方案在于，动态限流环节串联于逆变电源控制系统中电流环参考信号的输出通道中。

本发明技术方案在于，结温实时估计单元根据当前逆变电源的输出电流幅值对开关器件的当前稳态结温和过流期间的绝热结温进行估计，而动态限流值计算单元依据结温估计结果按照动态限流环节的允许过电流倍数(过电流限值与额定电流之比)随开关器件结温的变化关系曲线计算当前时刻的限流值，并将限流值I_lim发送给限幅器；

动态限流环节串联到逆变电源控制环路的参考电流输出通道中；电压外环调节器1输出的参考电流指令I_ref首先进入到限幅器中，如果参考电流指令I_ref未超过电流限幅值I_lim，则参考电流指令I_ref直接输出到电流比较环节3，参与电流内环控制；如果参考电流指令I_ref超过了电流限幅值I_lim，则将电流限幅值I_lim输出到电流比较环节3，参与电流内环控制；

电力电子开关器件的动态过电流限值调整，具体包括以下步骤：

步骤1：按照Foster热网络模型计算开关器件在非过流工况下的稳态结温θ，并按照稳态结温动态设定当前过电流限值I_lim；

步骤2：设在t₀时刻发生过电流，此时开关器件的结温为θ₀，过电流限值为I_lim.0；视过电流期间为一个绝热过程，实时计算绝热过程中开关器件的绝热结温θ_k；

步骤3：实时比较绝热结温θ_k与开关器件的额定结温θ_N，满足条件时对过电流限值进行二次调整：

建立一套单相逆变电源示例系统，直流额定电压400V，逆变电源输出交流额定电压220V/50Hz，采用基于IGBT器件的单相全桥逆变电路拓扑、单极性SPWM调制策略和电压电流双闭环控制结构；

限幅器的过电流限值与实时结温估计值的关系为动态限流环节的允许过电流倍数(过电流限值与额定电流之比)随开关器件结温的变化关系曲线所表示，此例中电力电子器件的额定结温取为90℃；

设负荷电流在t₀时刻之前是小于额定电流的一个平稳值，此时电力电子器件的稳态结温为46℃，按照式(5)或图2所示曲线，逆变器的过电流限值达到额定电流的2.6倍；在t₀时刻，负载短时突增并出现过流，但是电流值尚未超过限流值，逆变器输出电压正常；由于出现过电流，电力电子器件的结温按照绝热过程快速升高；在t_n时刻，负荷电流回落到额定值以内，此时器件结温尚未达到额定结温90℃，因此，整个过电流过程中，电流限幅器没有启动限幅功能，满足了冲击性负载短时过电流而不引起限流降压的要求。

采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：本发明的方法，依据电力电子开关器件的实时结温按照指数衰减规律动态调整逆变电源的过电流限值，过电流前开关器件的结温越低，允许逆变电源过电流倍数越高，即逆变电源可以耐受短时大电流的冲击而不影响正常电压输出，充分利用了逆变电源所用电力电子器件的电流冗余能力，避免了逆变电源容量过渡冗余问题。

附图说明

为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：

图1是本发明实施例的动态限流环节在逆变电源控制逻辑框图中的位置关系图；

图2是本发明实施例的动态限流环节的允许过电流倍数(过电流限值与额定电流之比)随开关器件结温的变化关系曲线；

图3是本发明实施例的基于电力电子器件实时结温估计的逆变电源动态限流保护实验结果图。

其中：1电压外环调节器；2限幅器；3电流比较环节单元；4结温实时估计单元；5动态限流值计算单元。

图1中符号说明如下：i_L为负荷电流；i_α和i_β分别为i_L在α-β坐标系下的α轴分量和β轴分量；U_dc为逆变电源的直流侧电压；U_ref为逆变电源的交流输出参考电压；u₀为逆变电源的交流输出电压；u_α和u_β分别为u₀在α-β坐标系下的α轴分量和β轴分量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

参考图1，如图1所示，一种基于电力电子器件实时结温估计的逆变电源动态限流方法，动态限流环节包括电力电子开关器件结温的结温实时估计单元4、动态限流值计算单元5和限幅器2等三个单元。结温实时估计单元4根据当前逆变电源的输出电流幅值对开关器件的当前稳态结温和过电流期间的绝热结温进行估计，而动态限流值计算单元5依据结温估计结果按照图2所示规律计算当前时刻的限流值，并将限流值I_lim发送给限幅器2。

动态限流环节串联到逆变电源控制环路的参考电流输出通道中。电压外环调节器1输出的参考电流指令I_ref首先进入到限幅器2中，如果参考电流指令I_ref未超过电流限幅值I_lim，则参考电流指令I_ref直接输出到电流比较环节单元3，参与电流内环控制；如果参考电流指令I_ref超过了电流限幅值I_lim，则将电流限幅值I_lim输出到电流比较环节单元3，参与电流内环控制。

电力电子开关器件的动态过电流限值调整，具体包括以下步骤：

步骤1：按照Foster热网络模型计算开关器件在非过流工况下的稳态结温θ，并按照稳态结温动态设定当前过电流限值I_lim。

步骤2：设在t₀时刻发生过电流，此时开关器件的结温为θ₀，过电流限值为I_lim.0。视过电流期间为一个绝热过程，实时计算绝热过程中开关器件的绝热结温θ_k。

步骤3：实时比较绝热结温θ_k与开关器件的额定结温θ_N，满足条件时对过电流限值进行二次调整：

按照图1建立一套单相逆变电源示例系统，直流额定电压400V，逆变电源输出交流额定电压220V/50Hz，采用基于IGBT器件的单相全桥逆变电路拓扑、单极性SPWM调制策略和电压电流双闭环控制结构。

限幅器的过电流限值与实时结温估计值的关系如图2所示或式(5)所示，此例中电力电子器件的额定结温取为90℃。

图3为逆变器成功躲过负荷短时过电流的实验结果。设负荷电流在t₀时刻之前是小于额定电流的一个平稳值，此时电力电子器件的稳态结温为46℃，按照图2曲线，逆变器的过电流限值达到额定电流的2.6倍。在t₀时刻，负载短时突增并出现过流，但是电流值尚未超过限流值，逆变器输出电压正常。由于出现过电流，电力电子器件的结温按照绝热过程快速升高。在t_n时刻，负荷电流回落到额定值以内，此时器件结温尚未达到额定结温90℃，因此，整个过电流过程中，电流限幅器没有启动限幅功能，满足了冲击性负载短时过电流而不引起限流降压的要求。

总的来说：本发明公开了一种基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，涉及逆变电源系统中逆变器的过电流保护技术，其中包括一种实时结温估计方法和逆变器限流值动态设定方法。本发明的基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法解决了因逆变器限流设定值较小而不能满足冲击性负荷短时较大过电流的运行工况，避免了额定电流较小的负载因存在较大短时冲击电流而需要配备大容量逆变电源的问题。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (5)

1.基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，其特征在于，根据逆变器的稳态结温估计值按照指数衰减规律实时调整逆变器的过电流限值，同时在过流状态下按照绝热结温估计值对限值进行二次调整。

2.如权利要求1所述的基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，其特征在于，根据逆变器的稳态结温估计值按照指数衰减规律实时调整逆变器的过电流限值，包括以下步骤：

步骤1：按照电力电子开关器件通态压降ΔV_on与结温θ及电流I的关系特性曲线，通过曲线拟合得到通态压降的关系表达式：

ΔV_on＝f(θ,I) (1)

进而可得开关器件的通态功率损耗值：

P_on＝ΔV_on·I·d (2)

式中，ΔV_on为开关器件的通态压降，θ为开关器件的当前结温，I为开关器件的当前电流，d为开关器件在当前开关周期的占空比，P_on为开关器件的通态损耗；

步骤2：根据开关器件手册，查获开关器件的开通能量E_on和关断能量E_off，结合逆变器的开关频率，按照下式计算开关器件的开关损耗P_sw：

P_sw＝f_sw·(E_on+E_off) (3)

式中，P_sw为开关器件的开关损耗，f_sw为开关频率，E_on为开关器件的开通能量，E_off为开关器件的关断能量；

步骤3：计算开关器件在当前开关周期内的总损耗P_Σ：

P_Σ＝P_on+P_sw (4)

其中，P_Σ为开关器件在当前开关周期内的总损耗；

步骤4：利用开关器件的Foster热网络模型，由开关器件总损耗可估计得到开关器件的当前稳态结温θ；

步骤5：根据开关器件稳态结温θ，按照下式所示指数衰减规律计算逆变器允许的动态过电流限值，并相应调整限幅器的限幅值：

其中，I_lim为逆变器的当前过电流限值，I_N为逆变器的额定电流，θ_N为电力电子开关器件的额定结温，θ为电力电子开关器件的当前稳态结温；若当前稳态结温θ低于40℃，则按40℃计算。

3.如权利要求1所述的基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，其特征在于，在过流状态下按照绝热结温对过电流限值进行二次调整，包括以下步骤：

步骤1：设在t₀时刻发生过电流，按照下式计算开关器件从发生过流时刻t₀起到当前时刻t_k所吸收的额外热量ΔQ_k：

其中，T_s为开关周期，P_i为开关器件在当前过电流下的功耗，P_N为开关器件在额定电流下的功耗，ΔQ_k为发生过电流以来开关器件所吸收的额外热量；

步骤2：视过电流期间为一个绝热过程，按照开关器件的比热容参数，获得当前时刻开关器件的绝热温升和结温：

θ_k＝θ₀+τ_k (8)

其中，C为开关器件的比热容(J/(kg·℃))，τ_k为过流引起的开关器件的绝热温升，θ_k为开关器件的当前绝热结温，θ₀为开关器件在初次过流时刻t₀的稳态结温；

步骤3：实时比较绝热结温估计值与额定结温，若绝热结温估计值小于额定结温，则维持限流值不变，一旦绝热结温估计值超出额定结温，则将限流值调整为逆变电源的额定电流；当电流回落到0.9I_N以下时，本次过电流限值的二次调整过程结束。

4.如权利要求1所述的基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，其特征在于，动态限流环节串联于逆变电源控制系统中电流环参考信号的输出通道中。

5.如权利要求1所述的基于实时结温估计的电压型逆变电源的动态限流方法，其特征在于，结温实时估计单元根据当前逆变电源的输出电流幅值对开关器件的当前稳态结温和过电流期间的绝热结温进行估计，而动态限流值计算单元依据结温估计结果按照动态限流环节的允许过电流倍数(过电流限值与额定电流之比)随开关器件结温的变化关系曲线计算当前时刻的限流值，并将限流值I_lim发送给限幅器；

动态限流环节串联到逆变电源控制环路的参考电流输出通道中；电压外环调节器输出的参考电流指令I_ref首先进入到限幅器中，如果参考电流指令I_ref未超过电流限幅值I_lim，则参考电流指令I_ref直接输出到电流比较环节，参与电流内环控制；如果参考电流指令I_ref超过了电流限幅值I_lim，则将电流限幅值I_lim输出到电流比较环节，参与电流内环控制；

电力电子开关器件的动态过电流限值调整，具体包括以下步骤：

步骤1：按照Foster热网络模型计算开关器件在非过流工况下的稳态结温θ，并按照稳态结温动态设定当前过电流限值I_lim；

步骤2：设在t₀时刻发生过电流，此时开关器件的结温为θ₀，过电流限值为I_lim.0；视过电流期间为一个绝热过程，实时计算绝热过程中开关器件的绝热结温θ_k；

步骤3：实时比较绝热结温θ_k与开关器件的额定结温θ_N，满足条件时对过电流限值进行二次调整：

建立一套单相逆变电源示例系统，直流额定电压400V，逆变电源输出交流额定电压220V/50Hz，采用基于IGBT器件的单相全桥逆变电路拓扑、单极性SPWM调制策略和电压电流双闭环控制结构；

限幅器的过电流限值与实时结温估计值的关系为动态限流环节的允许过电流倍数(过电流限值与额定电流之比)随开关器件结温的变化关系曲线所表示，此例中电力电子器件的额定结温取为90℃；

设负荷电流在t₀时刻之前是小于额定电流的一个平稳值，此时电力电子器件的稳态结温为46℃，逆变器的过电流限值可达额定电流的2.6倍；在t₀时刻，负载短时突增并出现过流，但是电流值尚未超过限流值，逆变器输出电压正常；由于出现过电流，电力电子器件的结温按照绝热过程快速升高；在t_n时刻，负荷电流回落到额定值以内，此时器件结温尚未达到额定结温90℃，因此，整个过电流过程中，电流限幅器没有启动限幅功能，满足了冲击性负载短时过电流而不引起限流降压的要求。

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