CN113344428A - 一种风电变流器igbt功率模块散热系统健康度评价方法 - Google Patents

一种风电变流器igbt功率模块散热系统健康度评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，包括以下步骤：提取风力发电机组的实时运行数据，选取物理特征变量并进行预处理，得到实时变流器IGBT功率模块温度、实时电网A相电流、B相电流、C相电流、机舱温度；比较实时变流器IGBT功率模块温度与变流器IGBT功率模块散热系统启动温度：建立热阻阀值函数，根据热阻阀值函数参数计算理论热阻；根据实时热阻和理论热阻计算热阻残差；根据热阻残差计算变流器IGBT功率模块散热系统劣化度，根据劣化度对变流器IGBT功率模块散热系统的健康度进行评价。本发明可以在风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度劣化时可以提前预警。

Description

一种风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组技术领域，具体涉及一种风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法。
背景技术
目前，在风力发电机组的变流器中，通常会采用多个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块，IGBT功率模块是由BJT(双极型晶体管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，该功率器件在工作的过程中会产生大量的热量，造成变流器IGBT功率模块的自身温度会随着工作时间的延长而逐步上升，当其温度超过额定工作温度时，就会出现故障。
在现有技术中，对变流器IGBT功率模块设置有配套的散热系统对其进行散热降温处理，由于风能资源具有很高的间歇性和随机波动性，风力发电机组的出力需要长时间、频繁和大范围的随机变化，同时随着风力发电机组大功率的发展趋势，变流器的功率等级也越来越高，作为风力发电机组电能回馈至电网的关键控制通道，变流器IGBT功率模块长期持续承受交变电热应力，散热系统的健康状况对IGBT功率模块的正常运行有着重要影响。目前通常的做法是在散热系统设置温度监控，当变流器IGBT功率模块温度达到故障阀值时进行故障停机。
但是，上述技术方案的缺陷是变流器IGBT功率模块温度达到故障阀值，或者散热系统劣化后出现故障。都会造成故障停机。现有技术的方案无法提前发现变流器IGBT功率模块散热系统劣化，故障后需要人工上机排查，才能确定是变流器IGBT模块损坏还是其散热系统劣化造成监控的温度达到了故障阀值；这种停机故障检修方式，缺乏散热系统健康度劣化早期预警手段，既降低风力发电机组的发电量，又增加检修人员的运维难度。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，在风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度劣化时可以提前预警。
本发明采用的技术方案如下：一种风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，包括以下步骤：
提取风力发电机组的实时运行数据，选取物理特征变量并进行预处理，得到实时变流器IGBT功率模块温度、实时电网A相电流、实时电网B相电流、实时电网C相电流、实时机舱温度；
将实时变流器IGBT功率模块温度与变流器IGBT功率模块散热系统启动温度进行比较：
如果实时变流器IGBT功率模块温度小于散热系统启动温度，健康度评价结果为良好；
如果实时变流器IGBT功率模块温度大于或等于散热系统启动温度，根据实时变流器IGBT功率模块温度、实时电网A相电流、实时电网B相电流、实时电网C相电流、实时机舱温度计算实时热阻；根据实时电网A相电流、实时电网B相电流、实时电网C相电流、热阻阀值函数参数计算理论热阻；
根据实时热阻和理论热阻计算热阻残差；
根据热阻残差计算变流器IGBT功率模块散热系统劣化度；
根据劣化度对变流器IGBT功率模块散热系统的健康度进行评价。
进一步的，热阻阀值函数参数按照以下方式计算：
提取风力发电机组的历史运行数据，选取物理特征变量并进行预处理，得到历史电网三相电流中位数，预处理后的历史变流器IGBT功率模块温度、预处理后的历史机舱温度；
根据历史电网三相电流中位数、预处理后的历史变流器IGBT功率模块温度、预处理后的历史机舱温度，构建变流器IGBT功率模块散热系统运行状态良好的第一数据集；
从第一数据集中提取第一电网三相电流中位数、第一变流器IGBT功率模块温度、第一机舱温度；
根据第一电网三相电流中位数、第一变流器IGBT功率模块温度、第一机舱温度，计算变流器IGBT功率模块历史热阻；
根据变流器IGBT功率模块历史热阻和第一电网三相电流中位数，构建第二数据集；
将第二数据集根据第一电网三相电流中位数进行数据区间划分，依次取每个区间内历史热阻最大值及历史热阻最大值对应的第一电网三相电流中位数，构建第三数据集；
建立热阻阀值函数，根据第三数据集通过数据拟合方法计算热阻阀值函数参数。
由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：采用电网三相电流中位数和变流器IGBT功率模块温度计算建立热阻阀值函数，并制定了散热系统健康度评价方法，让现场运维人员在无风或小风的情况下进行排查检修，降低散热系统性能劣化对IGBT功率模块的影响，减少故障带来的电量损失，降低检修人员运维难度和提高检修效率。
进一步的，第一电网三相电流中位数的提取条件为：同时满足变流器IGBT功率模块温度大于散热系统启动温度，以及历史电网三相电流中位数大于0。
进一步的，历史电网三相电流中位数根据预处理后的历史电网A相电流、历史电网B相电流、历史电网C相电流计算得到。
进一步的，变流器IGBT功率模块历史热阻采用以下公式进行计算：
Figure BDA0003136860850000031
在上式中，Ri表示历史热阻，Tm表示历史变流器IGBT功率模块温度；Tj表示历史机舱温度；Tb表示温度补偿系数；Imed使用第一电网三相电流中位数。
进一步的，热阻阀值函数具体如下：
R＝f(I)＝a×Ib+c
在上式中，R为热阻，I为电网三相电流中位数，a、b、c为热阻阀值函数参数。
进一步的，根据热阻残差计算变流器IGBT功率模块散热系统劣化度，按照以下公式进行计算：
Figure BDA0003136860850000041
在上式中，Z为常系数，g为劣化度，p为灵敏度系数，Rr为热阻残差，Rt为理论热阻。
第二方面，提供了一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现第一方面提供的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法。
第三方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法。
第四方面，提供了一种风力发电机组，使用第一方面提供的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，对变流器IGBT功率模块散热系统进行健康度评价。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例1的散热系统健康度评价方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
本实施例提供了一种风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，如图1所示，具体如下：
S1、提取风力发电机组的历史运行数据，选取物理特征变量并进行预处理，得到历史电网三相电流中位数Imed，预处理后的历史变流器IGBT功率模块温度、预处理后的历史机舱温度。
S1-1、提取风力发电机组的历史运行数据，选取电网(市电电网)的A相电流、电网B相电流、电网C相电流、变流器IGBT功率模块温度、风力发电机组的机舱温度作为物理特征变量。在具体的实施方式中，提取历史运行数据的时长为至少1年以上，数据类型为分钟级数据。
S1-2、对物理特征变量数据进行预处理，首先删除物理特征变量数据中的空值、重复值、波动值和异常值，然后剔除变流器IGBT功率模块散热系统超温故障时间段所对应的物理特征变量数据，得到预处理后的历史变流器IGBT功率模块温度、机舱温度、电网的A相电流、电网B相电流、电网C相电流，上述数据均为历史值。
S1-3、根据预处理后的历史电网A相电流、历史电网B相电流、历史电网C相电流计算历史电网三相电流中位数Imed。
历史的电网三相电流中位数Imed的求取，采用现有技术中任意一种求取中位数的方式进行计算获得，比如排序的方式。在1年的时长中，计算得到的历史电网三相电流中位数Imed有多个数据。
S2、根据历史电网三相电流中位数Imed、预处理后的历史变流器IGBT功率模块温度、预处理后的历史机舱温度，构建变流器IGBT功率模块散热系统运行状态良好的第一数据集D1。
第一数据集D1中的历史电网三相电流中位数Imed，预处理后的历史变流器IGBT功率模块温度、预处理后的历史机舱温度，均为多个数据。
S3、根据第一数据集D1，计算变流器IGBT功率模块历史热阻Ri
S3-1、从第一数据集D1中提取同时满足变流器IGBT功率模块温度大于散热系统启动温度T1和历史电网三相电流中位数Imed大于0条件下的各物理特征变量数据，T1为预设的变流器IGBT功率模块的散热系统启动温度。在具体的实施方式中，变流器IGBT功率模块散热系统启动温度T1可以设为55℃。例如：某风力发电机组预设定超过变流器IGBT功率模块的温度55℃时，散热系统启动，即T1为55℃。
提取后，得到第一电网三相电流中位数Imed1，第一变流器IGBT功率模块温度Tm、第一机舱温度Tj。这里的“第一”为一定语，表明Imed1是从第一数据集D1中提取后得到的电网三相电流中位数，第一不是取第一个值的意思。
S3-2、根据第一电网三相电流中位数Imed1，第一变流器IGBT功率模块温度Tm、第一机舱温度Tj，计算变流器IGBT功率模块历史热阻Ri
按照如下公式计算变流器IGBT功率模块历史热阻Ri：
Figure BDA0003136860850000061
在上式(1)中，Tm表示历史变流器IGBT功率模块温度；Tj表示历史机舱温度；Tb表示温度补偿系数(优选为30-35℃)；Imed使用第一电网三相电流中位数Imed1进行计算。利用式(1)可计算得到不同电流下的变流器IGBT功率模块历史热阻Ri(历史)。
S4、根据变流器IGBT功率模块历史热阻Ri和第一电网三相电流中位数Imed1构建第二数据集D2
第二数据集D2中包含了历史热阻Ri和第一电网三相电流中位数Imed1这两种数据。
S5、将第二数据集D2根据第一电网三相电流中位数Imed1进行数据区间划分，依次取每个区间内历史热阻最大值及历史热阻最大值对应的第一电网三相电流中位数，构建第三数据集Dm×2
S5-1、将第二数据集D2根据第一电网三相电流中位数Imed1为划分依据进行数据区间划分
根据第二数据集D2，以第一电网三相电流中位数Imed1为区间划分依据，比如总体从x1(如0A)到额定电流x2(如1800A)，间隔为x3(如第一电网三相电流中位数Imed1等于10A)，按照电流大小平均划分为m个区间(如m＝180)。
S5-2、依次取每个区间内历史热阻Ri最大值及历史热阻最大值对应的第一电网三相电流中位数Imed1，构建第三数据集Dm×2，Dm×2＝[Im×1,Rim×1]。
S6、建立热阻阀值函数，根据第三数据集Dm×2通过数据拟合方法计算热阻阀值函数参数a、b、c。
建立热阻阀值函数如下式式(2)所示：
R＝f(I)＝a×Ib+c (2)
在上式(2)中，a、b、c为热阻阀值函数参数，R为热阻，I为电网三相电流中位数，R和I由第三数据集Dm×2得到。在计算时采用的数据拟合方法以现有技术中的任意一种可实现方式进行计算，比如最小二乘法。
S7、提取风力发电机组的实时运行数据，选取物理特征变量并进行预处理，得到实时的变流器IGBT功率模块温度、电网A相电流、电网B相电流、电网C相电流、机舱温度。
提取风力发电机组实时运行数据，选取变流器IGBT功率模块温度、电网A相电流、电网B相电流、电网C相电流、机舱温度共计6种物理特征变量。对上述6种物理特征变量数据进行预处理，包括删除物理特征变量数据的空值、重复值、波动值和异常值，得到实时的变流器IGBT功率模块温度、实时的电网A相电流、实时的电网B相电流、实时的电网C相电流、实时的机舱温度。
S8、将实时的变流器IGBT功率模块温度与变流器IGBT功率模块散热系统启动温度T1进行比较：
如果实时的变流器IGBT功率模块温度小于散热系统启动温度T1，健康度评价结果为“良好”。在具体的实施方式中，变流器IGBT功率模块散热系统启动温度T1可以设为55℃。例如：某风力发电机组预设定超过变流器IGBT功率模块的温度55℃时，散热系统启动，即T1为55℃。
如果实时的变流器IGBT功率模块温度大于或等于散热系统启动温度T1，按照如下过程进行计算和评价：
S8-1、使用实时的电网A相电流、电网B相电流、电网C相电流计算实时电网三相电流中位数Imed2
计算实时电网三相电流中位数Imed2，采用现有技术中任意一种求取中位数的方式进行计算获得，计算实时电网三相电流中位数Imed2，是为了避免电网某项电流值异常，从而影响最终评价结果。
S8-2、根据热阻阀值函数参数a、b、c和实时电网三相电流中位数Imed2，计算变流器IGBT功率模块理论热阻Rt
根据步骤S6计算的热阻阀值函数参数a、b、c与实时电网三相电流中位数Imed2，使用公式(2)，求得理论热阻值Rt。在计算中Rt相当于式(2)中的R，Imed2相当于式(2)中的I。
S8-3、根据实时电网三相电流中位数Imed2，计算变流器IGBT功率模块实时热阻RS
使用公式(1)，根据实时变流器IGBT功率模块温度、实时电网三相电流中位数、实时机舱温度，求取实时热阻Rs。在具体的实施方式中，计算时公式(1)中的Tm使用实时变流器IGBT功率模块温度，Tj使用实时机舱温度，温度补偿系数Tb优选为30-35℃，Imed使用实时电网三相电流中位数Imed2进行计算。
S8-4、根据理论热阻和实时热阻计算热阻残差Rr，根据热阻残差Rr计算变流器IGBT功率模块散热系统劣化度
热阻残差Rr＝实时热阻Rs-理论热阻Rt，通过下式(3)计算得到变流器IGBT功率模块散热系统劣化度g(Rr)：
Figure BDA0003136860850000091
在上式(3)中，Z为常系数，一般取值在1.1～1.5之间(优选为1.3)；g为劣化度，g≥0，g越大越散热性能越差；p为灵敏度系数，一般取值在0.2～0.6之间(优选为0.4)，Rr为热阻残差，Rt为理论热阻。
S8-5、根据变流器IGBT功率模块散热系统劣化度对变流器IGBT功率模块散热系统的健康度进行评价
在具体的实施方式中，根据劣化度对散热系统的健康度进行评价，具体如下：将变流器IGBT模块散热系统健康度等级评价集设为L＝{l1，l2，l3}＝{良好，注意，严重}，所确定的各等级所属的劣化度区间分别为；l1∈[0，0.5)、l2∈[0.5，0.7)、l3∈[0.7，∞)。即当劣化度g为[0，0.5)时，健康度评价结果为“良好”；当劣化度g为[0.5，0.7)时，健康度评价结果为“注意”；当劣化度g为[0.7，∞)时，健康度评价结果为“严重”。
通过本实施例的技术方案，采用电网三相电流中位数和变流器IGBT功率模块温度计算建立热阻阀值函数，并制定了散热系统健康度评价方法，可以实现风力发电机组变流器IGBT功率模块散热系性能劣化的早期预警，降低检修人员运维难度、提高运维效率，减少变流器IGBT功率模块温度达到故障阀值停机的传统方式导致的发电量损失，帮助风场实现预测性维护。
实施例2
提供了一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现实施例1提供的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法。
实施例3
提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时实现实施例1提供的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法。
实施例4
提供了一种风力发电机组，风力发电机组在工作时，使用实施例1提供的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，对变流器IGBT功率模块散热系统进行健康度评价。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
提取风力发电机组的实时运行数据，选取物理特征变量并进行预处理，得到实时变流器IGBT功率模块温度、实时电网A相电流、实时电网B相电流、实时电网C相电流、实时机舱温度；
将实时变流器IGBT功率模块温度与变流器IGBT功率模块散热系统启动温度进行比较：
如果实时变流器IGBT功率模块温度小于散热系统启动温度，健康度评价结果为良好；
如果实时变流器IGBT功率模块温度大于或等于散热系统启动温度，根据实时变流器IGBT功率模块温度、实时电网A相电流、实时电网B相电流、实时电网C相电流、实时机舱温度计算实时热阻；根据实时电网A相电流、实时电网B相电流、实时电网C相电流、热阻阀值函数参数计算理论热阻；
根据实时热阻和理论热阻计算热阻残差；
根据热阻残差计算变流器IGBT功率模块散热系统劣化度；
根据所述劣化度对变流器IGBT功率模块散热系统的健康度进行评价。
2.根据权利要求1所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，其特征在于，所述热阻阀值函数参数按照以下方式计算：
提取风力发电机组的历史运行数据，选取物理特征变量并进行预处理，得到历史电网三相电流中位数，预处理后的历史变流器IGBT功率模块温度、预处理后的历史机舱温度；
根据历史电网三相电流中位数、预处理后的历史变流器IGBT功率模块温度、预处理后的历史机舱温度，构建变流器IGBT功率模块散热系统运行状态良好的第一数据集；
从第一数据集中提取第一电网三相电流中位数、第一变流器IGBT功率模块温度、第一机舱温度；
根据第一电网三相电流中位数、第一变流器IGBT功率模块温度、第一机舱温度，计算变流器IGBT功率模块历史热阻；
根据变流器IGBT功率模块历史热阻和第一电网三相电流中位数，构建第二数据集；
将第二数据集根据第一电网三相电流中位数进行数据区间划分，依次取每个区间内历史热阻最大值及历史热阻最大值对应的第一电网三相电流中位数，构建第三数据集；
建立热阻阀值函数，根据第三数据集通过数据拟合方法计算热阻阀值函数参数。
3.根据权利要求2所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，其特征在于，所述第一电网三相电流中位数的提取条件为：同时满足变流器IGBT功率模块温度大于散热系统启动温度，以及历史电网三相电流中位数大于0。
4.根据权利要求2或3所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，其特征在于，所述历史电网三相电流中位数根据预处理后的历史电网A相电流、历史电网B相电流、历史电网C相电流计算得到。
5.根据权利要求2所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，其特征在于，变流器IGBT功率模块历史热阻采用以下公式进行计算：
Figure FDA0003136860840000021
在上式中，Ri表示历史热阻，Tm表示历史变流器IGBT功率模块温度；Tj表示历史机舱温度；Tb表示温度补偿系数；Imed使用第一电网三相电流中位数。
6.根据权利要求2所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，其特征在于，所述热阻阀值函数具体如下：
R＝f(I)＝a×Ib+c
在上式中，R为热阻，I为电网三相电流中位数，a、b、c为热阻阀值函数参数。
7.根据权利要求1所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，其特征在于，根据热阻残差计算变流器IGBT功率模块散热系统劣化度，按照以下公式进行计算：
Figure FDA0003136860840000031
在上式中，Z为常系数，g为劣化度，p为灵敏度系数，Rr为热阻残差，Rt为理论热阻。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1-7中任一所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法。
10.一种风力发电机组，其特征在于，使用权利要求1-7中任一所述的风电变流器IGBT功率模块散热系统健康度评价方法，对变流器IGBT功率模块散热系统进行健康度评价。
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