CN113381588B - 应用于igbt模块的热管理优化控制方法 - Google Patents

应用于igbt模块的热管理优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，包括步骤：S1.确定IGBT模块的寿命提升量；S2.确定IGBT模块中电流总谐波畸变增量；S3.根据寿命提升量以及电流总谐波畸变增量，计算得到IGBT模块的寿命提升效益指标；S4.判断IGBT模块运行温度是否超过热管理的调控结温，若是，则进入步骤S5，若否，则重复步骤S4；S5.调整IGBT模块的开关频率使得寿命提升效益指标取得最大值，并将寿命提升效益指标取得最大值时设置的开关频率作为热管理优化控制的最优开关频率。本发明能够优化热管理控制下寿命提升和负面影响之间的权衡利弊关系，实现热管理效益的最大化，减少对光伏系统正常运行的影响。

Description

应用于IGBT模块的热管理优化控制方法
技术领域
本发明涉及热管理领域，具体涉及一种应用于IGBT模块的热管理优化控制方法。
背景技术
近年来，全球光伏产业规模不断扩大，光伏发电技术在全球电力供应中的占比持续提高。功率变流器作为光伏发电系统的核心部件，同时也是故障率最高的组件之一。而其中的IGBT模块在变流器运行过程中因为受到光照强度以及外部环境温度的影响，常常承受复杂的动态热行为，导致器件结温产生波动。由于IGBT模块中各层封装材料的热膨胀系数存在差异，结温的波动会导致各层的膨胀度不一致，因而在各层之间产生热应力冲击。对于频繁重复的热循环应力，材料的膨胀和收缩会导致焊料层出现裂纹空洞和键合线的脱落，从而造成器件的热疲劳失效，缩短变流器的使用寿命。因此，通过热管理来减少IGBT模块的结温波动，能有效地提高器件的寿命。
目前，通过调整开关频率进行结温平滑是最常见的热管理方式之一，而滞环控制由于设计简单易于实现，稳定性和瞬态性能好等优点在热管理控制中应用较多。通过降低开关频率能够有效地减少IGBT模块的功率损耗，从而降低结温波动的幅值。因为器件的预期使用寿命随着结温波动幅值的降低而增加，因此降低开关频率能够显著地延长器件的使用寿命，并且开关频率降得越低，IGBT模块的预期寿命提升越多。但是随着开关频率的降低，变流器的电流总谐波畸变也会变得越大。如果开关频率选择的不合适，在某个特定的工作点下热管理引起的负面影响甚至会掩盖寿命提升所带来的效益。
由于现有的热管理并未对开关频率的调节范围进行深入研究，其调整值大都是根据经验或者实验结果设定，目前仍然缺少一个量化的指标来指导开关频率的选择。因此，在通过变开关频率的方式进行热管理时，如何考虑寿命提升和负面影响之间的权衡利弊关系，寻找一个合适的开关频率以达到热管理控制策略的最大效益显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，能够优化热管理控制下寿命提升和负面影响之间的权衡利弊关系，从而实现热管理效益的最大化，也减少了对光伏系统正常运行的影响。
本发明的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，包括如下步骤：
S1.确定IGBT模块的寿命提升量ΔLF；
S2.确定IGBT模块中电流总谐波畸变增量ΔTHD；
S3.根据所述寿命提升量ΔLF以及电流总谐波畸变增量ΔTHD，计算得到IGBT模块的寿命提升效益指标
Figure BDA0003107444810000021
S4.判断IGBT模块运行温度是否超过热管理的调控结温Tcontrol，若是，则进入步骤S5，若否，则重复步骤S4；
S5.调整IGBT模块的开关频率使得所述BCR取得最大值，并将所述BCR取得最大值时设置的开关频率作为热管理优化控制的最优开关频率。
进一步，根据如下公式确定IGBT模块的寿命提升量ΔLF：
ΔLF＝LF′-LF；
其中，LF′为IGBT模块的预期寿命；LF为IGBT模块的原本寿命。
进一步，根据如下步骤确定所述IGBT模块的预期寿命LF′：
S11.获取IGBT模块在设定时间段内的结温数据；
S12.从所述结温数据中提取由外部环境波动引起的结温波动；
S13.基于所述结温波动计算得到循环失效周期数；
S14.根据所述循环失效周期数计算得到所述IGBT模块的预期寿命LF′。
进一步，根据如下公式确定IGBT模块中电流总谐波畸变增量ΔTHD：
ΔTHD＝THD′-THD；
其中，THD′为IGBT模块中电流总谐波的预期畸变；THD为IGBT模块中电流总谐波的原本畸变。
进一步，根据如下公式确定IGBT模块中电流总谐波的预期畸变THD′：
Figure BDA0003107444810000031
其中，I1为光伏发电系统中的注入电流；Ihrms为滤波电感上的电流纹波与所述电流纹波引起的谐波电流分量之和；
所述光伏发电系统中的注入电流I1为：
Figure BDA0003107444810000032
其中，Sr为光伏发电系统中注入电网的功率；Vpcc为公共连接点处电压；
所述电感上的电流纹波与电流纹波引起的谐波电流分量之和Ihrms为：
Figure BDA0003107444810000033
其中，Δip为滤波电感电流的纹波；所述
Figure BDA0003107444810000034
ma为调制系数；Udc为直流母线电压；L为滤波电感；fs为开关频率。
进一步，根据如下公式确定调控结温Tcontrol：
Tcontrol＝ΔT+Ta,min；
其中，ΔT为结温波动幅值；Ta,min为设定时间段内的最低环境温度。
进一步，通过结温波动数值迭代算法计算得到设置的开关频率对应的结温波动幅值ΔT。
进一步，所述开关频率的取值范围为：fmin≤fs≤frated；其中，fs为开关频率；fmin为所能降低的开关频率的最低值；frated为额定开关频率。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，通过以寿命提升效益指标BCR作为定量评价热管理作用下寿命提升收益与谐波增加成本的指标，来指导选取热管理中的最优开关频率，从而实现热管理效益的最大化，并且开关频率仅在当IGBT模块结温高于最高允许结温时才会降低至调整值，减少了对光伏系统的影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，包括如下步骤：
S1.确定IGBT模块的寿命提升量ΔLF；
S2.确定IGBT模块中电流总谐波畸变增量ΔTHD；
S3.根据所述寿命提升量ΔLF以及电流总谐波畸变增量ΔTHD，计算得到IGBT模块的寿命提升效益指标
Figure BDA0003107444810000041
S4.判断IGBT模块运行温度是否超过热管理的调控结温Tcontrol，若是，则进入步骤S5，若否，则重复步骤S4；
S5.调整IGBT模块的开关频率使得所述BCR取得最大值，并将所述BCR取得最大值时设置的开关频率作为热管理优化控制的最优开关频率。
本实施例中，步骤S1中，根据如下公式确定IGBT模块的寿命提升量ΔLF：
ΔLF＝LF′-LF；
其中，LF′为IGBT模块的预期寿命；LF为IGBT模块的原本寿命。
本实施例中，根据如下步骤确定所述IGBT模块的预期寿命LF′：
S11.获取IGBT模块在设定时间段内的结温数据；其中，通过建立功率器件的损耗模型，结合任务剖面下器件的运行功率情况来实现器件结温的解析算法，进而获得一年任务工况下的IGBT以及二极管的结温数据。一般地，所述IGBT模块包括IGBT以及二极管；
S12.从所述结温数据中提取由外部环境波动引起的结温波动；其中，从所述结温数据中得到时间尺度的结温剖面，并借助雨流计数法提取由外部环境波动引起的结温波动；
S13.基于所述结温波动计算得到循环失效周期数；其中，通过Bayerer寿命模型计算出循环失效周期数，通过循环失效周期数就可以获得IGBT模块的寿命情况；
S14.根据所述循环失效周期数计算得到所述IGBT模块的预期寿命LF′。其中，Bayerer寿命模型只能反映有限个工况条件下功率器件所承受的热循环次数，因此为了评估变工况条件下功率器件的寿命消耗，一般采用线性累积损伤模型来评估不同热循环条件下IGBT和二极管的累积寿命消耗，即计算出IGBT模块的预期寿命LF′。
一般地，寿命提升量与开关频率fs之间关系紧密，随着开关频率fs的降低，寿命会不断升高，因为开关频率fs降低损耗也会降低，结温波动幅值也会下降，从而寿命提升。
需要说明的是，所述雨流计数法、Bayerer寿命模型以及线性累积损伤模型均采用现有技术，在此不再赘述。
本实施例中，所述IGBT模块的原本寿命LF的计算原理与所述IGBT模块的预期寿命LF′的计算原理相同，只是原本寿命LF的计算采用的是额定开关频率frated。
虽然降低开关频率可以平滑结温波动，进而提高器件的可靠性，然而开关频率的降低也会带来严重的谐波问题，从而导致热管理效益的降低。
本实施例中，步骤S2中，根据如下公式确定IGBT模块中电流总谐波畸变增量ΔTHD：
ΔTHD＝THD′-THD；
其中，THD′为IGBT模块中电流总谐波的预期畸变；THD为IGBT模块中电流总谐波的原本畸变。
本实施例中，电流总谐波畸变与系统运行参数以及滤波器设计相关，近似认为电流总谐波畸变和IGBT模块的开关频率fs的倒数呈现线性关系，则根据如下公式确定IGBT模块中电流总谐波的预期畸变THD′：
Figure BDA0003107444810000061
其中，I1为光伏发电系统中的注入电流；Ihrms为滤波电感上的电流纹波与所述电流纹波引起的谐波电流分量之和；
所述光伏发电系统中的注入电流I1为：
Figure BDA0003107444810000062
其中，Sr为光伏发电系统中注入电网的功率；Vpcc为公共连接点处电压；
所述电感上的电流纹波与电流纹波引起的谐波电流分量之和Ihrms为：
Figure BDA0003107444810000063
其中，Δip为滤波电感电流的纹波；所述
Figure BDA0003107444810000064
ma为调制系数；Udc为直流母线电压；L为滤波电感；fs为开关频率。
需要说明的是，IGBT模块中电流总谐波的原本畸变THD的计算原理与IGBT模块中电流总谐波的预期畸变THD′的计算原理相同，只是原本畸变THD的计算采用的是额定开关频率frated。
本实施例中，步骤S4中，根据如下公式确定调控结温Tcontrol：
Tcontrol＝ΔT+Ta,min；
其中，ΔT为结温波动幅值；Ta,min为设定时间段内的最低环境温度。所述设定时间段为一年。
本实施例中，通过结温波动数值迭代算法计算得到设置的开关频率对应的结温波动幅值ΔT。其中，通过结温波动数值迭代算法可以快速计算获得不同开关频率fs下所对应的功率器件的结温波动幅值ΔT，进而得到fs-ΔT查找表，根据设置好的开关频率fs在fs-ΔT查找表中，确定对应的结温波动幅值ΔT。
本实施例中，步骤S5中，所述开关频率的取值范围为：fmin≤fs≤frated；其中，fs为开关频率；fmin为所能降低的开关频率的最低值，此时电流谐波为5％，开关频率若降低至fmin以下，电流谐波将超过5％的限额，不再满足并网逆变器的设计要求；frated为额定开关频率。也即是，在满足电流谐波要求的范围内，来设置开关频率的有效取值范围，进而进一步减少对光伏系统的影响。其中，根据如下过程调整开关频率fs的取值：
在额定开关频率frated＝3060Hz的基础上以10Hz为步长依次降低，直到所降低的开关频率fs为fmin；其中，将IGBT模块的寿命提升效益指标BCR取得最大值时设置的开关频率作为热管理优化控制的最优开关频率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.确定IGBT模块的寿命提升量ΔLF；
S2.确定IGBT模块中电流总谐波畸变增量ΔTHD；
S3.根据所述寿命提升量ΔLF以及电流总谐波畸变增量ΔTHD，计算得到IGBT模块的寿命提升效益指标
Figure FDA0003107444800000011
S4.判断IGBT模块运行温度是否超过热管理的调控结温Tcontrol，若是，则进入步骤S5，若否，则重复步骤S4；
S5.调整IGBT模块的开关频率使得所述BCR取得最大值，并将所述BCR取得最大值时设置的开关频率作为热管理优化控制的最优开关频率。
2.根据权利要求1所述的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，其特征在于：根据如下公式确定IGBT模块的寿命提升量ΔLF：
ΔLF＝LF′-LF；
其中，LF′为IGBT模块的预期寿命；LF为IGBT模块的原本寿命。
3.根据权利要求2所述的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，其特征在于：根据如下步骤确定所述IGBT模块的预期寿命LF′：
S11.获取IGBT模块在设定时间段内的结温数据；
S12.从所述结温数据中提取由外部环境波动引起的结温波动；
S13.基于所述结温波动计算得到循环失效周期数；
S14.根据所述循环失效周期数计算得到所述IGBT模块的预期寿命LF′。
4.根据权利要求1所述的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，其特征在于：根据如下公式确定IGBT模块中电流总谐波畸变增量ΔTHD：
ΔTHD＝THD′-THD；
其中，THD′为IGBT模块中电流总谐波的预期畸变；THD为IGBT模块中电流总谐波的原本畸变。
5.根据权利要求4所述的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，其特征在于：根据如下公式确定IGBT模块中电流总谐波的预期畸变THD′：
Figure FDA0003107444800000021
其中，I1为光伏发电系统中的注入电流；Ihrms为滤波电感上的电流纹波与所述电流纹波引起的谐波电流分量之和；
所述光伏发电系统中的注入电流I1为：
Figure FDA0003107444800000022
其中，Sr为光伏发电系统中注入电网的功率；Vpcc为公共连接点处电压；
所述电感上的电流纹波与电流纹波引起的谐波电流分量之和Ihrms为：
Figure FDA0003107444800000023
其中，Δip为滤波电感电流的纹波；所述
Figure FDA0003107444800000024
ma为调制系数；Udc为直流母线电压；L为滤波电感；fs为开关频率。
6.根据权利要求1所述的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，其特征在于：根据如下公式确定调控结温Tcontrol：
Tcontrol＝ΔT+Ta,min；
其中，ΔT为结温波动幅值；Ta,min为设定时间段内的最低环境温度。
7.根据权利要求6所述的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，其特征在于：通过结温波动数值迭代算法计算得到设置的开关频率对应的结温波动幅值ΔT。
8.根据权利要求1所述的应用于IGBT模块的热管理优化控制方法，其特征在于：所述开关频率的取值范围为：fmin≤fs≤frated；其中，fs为开关频率；fmin为所能降低的开关频率的最低值；frated为额定开关频率。
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