CN112825452A - 一种用于储能变流器的热管理控制方法及系统 - Google Patents

一种用于储能变流器的热管理控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于储能变流器的热管理控制方法及系统，属于储能变流器的散热系统管理领域。控制方法包括以下步骤：1)检测储能变流器中功率开关管和母线电容的温度；2)判断功率开关管的温度是否大于第一设定值以及母线电容的温度是否大于第二设定值；3)当功率开关管的温度大于第一设定值或/和母线电容的温度大于第二设定值时，控制储能变流器的散热风机全速运行。本发明在检测到储能变流器中功率开关管和母线电容的温度较高时，控制散热电机全速运行进行散热，使得功率开关管和母线电容运行在合适温度；本发明实现了对储能变流器关键元器件温度的精确控制，解决了现有技术中储能变流器热管理效果较差和成本较高的问题。

Description

一种用于储能变流器的热管理控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于储能变流器的热管理控制方法及系统，属于储能变流器的散热系统管理领域。
背景技术
近年来，新能源发电领域的迅速发展，特别是大型风电场、大型光伏发电站的建设和推广，新能源发电开始在能源供应中发挥重要作用。但是，伴随着新能源事业的发展，目前也出现了一些新的问题和挑战，突出表现为新能源发电的并网消纳问题。风能、太阳能是一种间歇性的能源，存在着随机性和间歇性的特点，致使人工很难准确预测发电功率，风电场、光伏电站很难提供持续稳定的功率，在风电场、光伏电站周围配套加入储能系统可以平衡风电、光伏发电输出的有功功率波动，使新能源发电输出的功率尽可能按照预期的曲线输出，这样可以减小电网调度的难度，为更多的新能源发电顺利并网创造条件。
随着电力电子技术的发展，特别是大功率储能变流器单机容量越来越大，体积越来越小，功率密度不断提高，大功率变流器工作的气候环境条件比较恶劣，母线电容和功率器件IGBT出现故障的比例比较高，而由于环境条件恶劣引起的散热效果不佳导致IGBT和母线电容过热失效的比例又占了绝大多数。
目前，解决上述问题主要有两方面的优化设计方案：
一方面就是增加散热系统设计裕量，保证储能变流器即便是在很恶劣的环境下，也能保证IGBT和母线电容工作在合理的温度环境。该方法安全可靠，但是会增加产品的成本，并且会增大变流器损耗，降低系统效率。
另一方面是加强功率模块的热保护，降低热保护值，该方法对保护IGBT的损坏确实能起到一定的作用，但是保护值的降低可能会导致保护频繁动作，并且该方法不能从根本上降低元件的工作环境温度。该方法也不能保证设定温度保护值的有效性和合理性。频繁保护动作会导致变流器停机造成发电量的减少。
综上，现有的用于储能变流器的热管理控制比较粗放，使得实际上对储能变流器关键元器件温度的控制效果比较差，且控制成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于储能变流器的热管理控制方法及系统，以解决现有技术中储能变流器热管理效果较差和成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种用于储能变流器的热管理控制方法，包括以下步骤：
1)检测储能变流器中功率开关管和母线电容的温度；
2)判断功率开关管的温度是否大于第一设定值以及母线电容的温度是否大于第二设定值；
3)当功率开关管的温度大于第一设定值或/和母线电容的温度大于第二设定值时，控制储能变流器的散热风机全速运行。
有益效果是：在检测到储能变流器中功率开关管和母线电容的温度较高时，控制散热电机全速运行进行散热，使功率开关管和母线电容运行在合适温度；实现了对储能变流器关键元器件温度的精确控制，解决了现有技术中储能变流器热管理控制方法效果较差和成本较高的问题。
进一步的，步骤1)中检测储能变流器中所有功率开关管的温度。
有益效果是：对储能变流器中功率开关管全部进行了温度检测，有利于及时发现功率开关管温度升高的问题，便于较早利用散热风机对储能变流器降温，可靠性更高。
进一步的，还检测储能变流器的环境温度；当功率开关管的温度小于等于第一设定值且母线电容的温度小于等于第二设定值时，根据储能变流器的环境温度和储能变流器的输出功率调节散热风机的转速。
有益效果是：通过增加对储能变流器的环境温度的检测，实现了对散热风机非全速运行情况下的提前和有效控制。
进一步的，所述根据储能变流器的环境温度和储能变流器的输出功率调节散热风机的转速包括：
当环境温度小于第三设定值时，根据第一设定温升曲线调节散热风机的转速；
当环境温度大于等于第三设定值且小于等于第四设定值时，根据第二设定温升曲线调节散热风机的转速；
当环境温度大于第四设定值时，根据第三设定温升曲线调节散热风机的转速；
所述第三设定值小于第四设定值，第一设定温升曲线、第二设定温升曲线和第三设定温升曲线为散热风机的转速随储能变流器的输出功率变化的曲线。
有益效果是：通过设置不同温升曲线，实现了对散热风机非全速运行情况下的精准控制，最大限度地保证了储能变流器关键元器件运行在合理的温度范围内。
另外，本发明还提出一种用于储能变流器的热管理控制系统，包括温度检测单元、控制器和散热风机，温度检测单元用于检测储能变流器中功率开关管和母线电容的温度，并输出功率开关管的温度和母线电容的温度；控制器与温度检测单元连接，用于判断功率开关管的温度是否大于第一设定值以及母线电容的温度是否大于第二设定值，并当功率开关管的温度大于第一设定值或/和母线电容的温度大于第二设定值时，生成控制散热风机全速运行的指令；散热风机与控制器连接，用于接收控制器发出的指令并根据指令调节自身运行状态。
有益效果是：在检测到储能变流器中功率开关管和母线电容的温度较高时，控制散热电机全速运行进行散热，使功率开关管和母线电容运行在合适温度；实现了对储能变流器关键元器件温度的精确控制，解决了现有技术中储能变流器热管理控制系统效果较差和成本较高的问题。
进一步的，温度检测单元用于检测储能变流器中所有功率开关管的温度。
有益效果是：对储能变流器中功率开关管全部进行了温度检测，有利于及时发现功率开关管温度升高的问题，便于较早利用散热风机对储能变流器降温，可靠性更高。
进一步的，温度检测单元还用于检测储能变流器的环境温度并输出环境温度；控制器还用于当功率开关管的温度小于等于第一设定值且母线电容的温度小于等于第二设定值时，根据储能变流器的环境温度和储能变流器的输出功率生成调节散热风机的转速的指令。
有益效果是：通过增加对储能变流器的环境温度的检测，实现了对散热风机非全速运行情况下的提前和有效控制。
进一步的，控制器根据储能变流器的环境温度和储能变流器的输出功率生成调节散热风机的转速的指令的步骤包括：
当环境温度小于第三设定值时，根据第一设定温升曲线生成调节散热风机的转速的指令；
当环境温度大于等于第三设定值且小于等于第四设定值时，根据第二设定温升曲线生成调节散热风机的转速的指令；
当环境温度大于第四设定值时，根据第三设定温升曲线生成调节散热风机的转速的指令；
所述第三设定值小于第四设定值，第一设定温升曲线、第二设定温升曲线和第三设定温升曲线为散热风机的转速随储能变流器的输出功率变化的曲线。
有益效果是：通过设置不同温升曲线，实现了对散热风机非全速运行情况下的精准控制，最大限度地保证了储能变流器关键元器件运行在合理的温度范围内。
附图说明
图1为本发明用于储能变流器的热管理控制系统实施例中大功率储能变流器结构示意图；
图2为本发明用于储能变流器的热管理控制系统实施例中热管理控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：
用于储能变流器的热管理控制系统实施例：
本实施例中热管理控制系统包括多路温度采集电路、多路温度选择电路、电压跟随电路、A/D转换电路、控制器及散热风机调速控制电路。多路温度采集电路连接多路温度选择电路，多路温度选择电路通过电压跟随电路连接A/D转换电路，A/D转换电路连接控制器，控制器将温度值在显示器中显示出来。控制器还连接散热风机调速控制电路，该电路包括控制散热风机的启停回路和变频调速控制回路，其中启停控制回路采用控制散热风机通断的接触器，变频调速控制回路通过调节PWM信号占空比调节散热风机的转速。
如图1所示，大功率储能变流器包括多个IGBT和母线电容。多路温度采集电路，用于对大功率储能变流器中所有桥臂的所有IGBT的温度进行实时监测。本实施例中储能变流器内部所有IGBT内安装热敏电阻，IGBT的热敏电阻通过外部串联分压电路后，再经滤波电路和运放电路与多路温度信号选择电路连接。
温度信号的A/D转换电路通过电压跟随电路与多路温度选择电路连接，用于将多路温度选择电路输出的温度值进行电压和频率转换，并将转换的高频方波信号传送到控制器。
控制器对接收到的高频方波信号进行计算，本实施例中控制器采用FPGA+DSP，其中FPGA程序计算出高频方波信号的频率值，通过双口RAM传送给DSP，DSP将接收到的频率值通过程序计算，计算出IGBT最高温度值Tmax。
如图2所示，计算出IGBT最高温度值Tmax后，判断Tmax是否超过IGBT门限温度值T1，若Tmax大于T1，则通过散热风机变频调速控制回路将散热风机转速设定为全速运行，并向监控后台发出IGBT过温警告。若发出警告后，Tmax继续升高至Tmax大于T3，则变流器停止工作。
储能变流器运行过程中实时监测IGBT最高的温度值Tmax，若Tmax小于散热风机最大温度控制能力的预设定值T0时(T0＜T1)，则散热风机转速控制系统控制散热风机变速运行。通过IGBT温度设定值T1和T0的死区设计，避免散热风机频繁调速。
本实施例热管理控制系统除了包括用于监测IGBT温度的多路温度采集电路之外，还包括用于实时监测大功率储能变流器的母线电容温度的母线电容温度传感器。利用热电偶监测母线电容温度Tc，并将电容温度Tc传递给控制器，若Tc高于母线电容温度设定值T2时，则散热风机转速控制系统控制散热风机处于全速运行状态，并向监控后台发出母线电容温度过温警告。
本实施例热管理控制系统还设置有大功率储能变流器环境温度采集装置，用于实时采集储能变流器运行环境下的温度信息，并将运行环境温度作为控制散热风机转速的控制变量，对散热风机进行调速，具体描述为：
当散热风机处于正常调速运行状态时，即Tmax小于等于T1且Tc小于等于T2时，判断采集到的环境温度Ttem所处范围，根据环境温度Ttem所处具体范围，确定对应的温升曲线，温升曲线为散热风机的转速随储能变流器的输出功率变化的曲线；在确定温升曲线后，根据温升曲线和储能变流器的输出功率对散热风机进行调速控制。本实施例中环境温度Ttem所处范围包括：Ttem＜T4、T4≤Ttem≤T5、Ttem＞T5，其中T4＜T5。
本实施例中设置有大功率储能变流器环境温度采集装置以及与环境温度有关的控制策略，作为其他实施方式，也可以不设置大功率储能变流器环境温度采集装置，在Tmax小于等于T1且Tc小于等于T2时，控制散热电机以某一设定转速运行或以其他设定策略运行。
本实施例中对所有IGBT进行了温度检测，作为其他实施方式，也可以根据大功率储能变流器中IGBT安装位置的不同，选取温度较高的IGBT作为代表进行温度检测，如具体选取风道出风口处的IGBT作为代表进行温度检测。
本实施例中是将所有IGBT温度传输给控制器，然后在控制器内部选出IGBT温度的最大值；作为其他实施方式，也可以直接将所有IGBT温度分别与T1进行比较，而不再先选出所有IGBT温度的最大值再与T1进行比较，这种情况下，只要存在某一IGBT温度大于T1，即控制散热风机全速运行。
用于储能变流器的热管理控制方法实施例：
本实施例的用于储能变流器的热管理控制方法包括以下步骤：
1)检测储能变流器中功率开关管和母线电容的温度；
2)判断功率开关管的温度是否大于第一设定值以及母线电容的温度是否大于第二设定值；
3)当功率开关管的温度大于第一设定值或/和母线电容的温度大于第二设定值时，控制储能变流器的散热风机全速运行。
本实施例提出的储能变流器的热管理控制方法的具体实施过程在上述储能变流器的热管理控制系统实施例中已经介绍，这里不做过多赘述。

Claims (8)

1.一种用于储能变流器的热管理控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)检测储能变流器中功率开关管和母线电容的温度；
2)判断功率开关管的温度是否大于第一设定值以及母线电容的温度是否大于第二设定值；
3)当功率开关管的温度大于第一设定值或/和母线电容的温度大于第二设定值时，控制储能变流器的散热风机全速运行。
2.根据权利要求1所述的用于储能变流器的热管理控制方法，其特征在于，步骤1)中检测储能变流器中所有功率开关管的温度。
3.根据权利要求1或2所述的用于储能变流器的热管理控制方法，其特征在于，还检测储能变流器的环境温度；当功率开关管的温度小于等于第一设定值且母线电容的温度小于等于第二设定值时，根据储能变流器的环境温度和储能变流器的输出功率调节散热风机的转速。
4.根据权利要求3所述的用于储能变流器的热管理控制方法，其特征在于，所述根据储能变流器的环境温度和储能变流器的输出功率调节散热风机的转速包括：
当环境温度小于第三设定值时，根据第一设定温升曲线调节散热风机的转速；
当环境温度大于等于第三设定值且小于等于第四设定值时，根据第二设定温升曲线调节散热风机的转速；
当环境温度大于第四设定值时，根据第三设定温升曲线调节散热风机的转速；
所述第三设定值小于第四设定值，第一设定温升曲线、第二设定温升曲线和第三设定温升曲线为散热风机的转速随储能变流器的输出功率变化的曲线。
5.一种用于储能变流器的热管理控制系统，包括温度检测单元、控制器和散热风机，其特征在于，
温度检测单元用于检测储能变流器中功率开关管和母线电容的温度，并输出功率开关管的温度和母线电容的温度；
控制器与温度检测单元连接，用于判断功率开关管的温度是否大于第一设定值以及母线电容的温度是否大于第二设定值，并当功率开关管的温度大于第一设定值或/和母线电容的温度大于第二设定值时，生成控制散热风机全速运行的指令；
散热风机与控制器连接，用于接收控制器发出的指令并根据指令调节自身运行状态。
6.根据权利要求5所述的用于储能变流器的热管理控制系统，其特征在于，温度检测单元用于检测储能变流器中所有功率开关管的温度。
7.根据权利要求5或6所述的用于储能变流器的热管理控制系统，其特征在于，温度检测单元还用于检测储能变流器的环境温度并输出环境温度；控制器还用于当功率开关管的温度小于等于第一设定值且母线电容的温度小于等于第二设定值时，根据储能变流器的环境温度和储能变流器的输出功率生成调节散热风机的转速的指令。
8.根据权利要求7所述的用于储能变流器的热管理控制系统，其特征在于，控制器根据储能变流器的环境温度和储能变流器的输出功率生成调节散热风机的转速的指令的步骤包括：
当环境温度小于第三设定值时，根据第一设定温升曲线生成调节散热风机的转速的指令；
当环境温度大于等于第三设定值且小于等于第四设定值时，根据第二设定温升曲线生成调节散热风机的转速的指令；
当环境温度大于第四设定值时，根据第三设定温升曲线生成调节散热风机的转速的指令；
所述第三设定值小于第四设定值，第一设定温升曲线、第二设定温升曲线和第三设定温升曲线为散热风机的转速随储能变流器的输出功率变化的曲线。
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