CN113994579A - 用于操作电力电子转换器的方法及电力电子转换器 - Google Patents

用于操作电力电子转换器的方法及电力电子转换器 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于操作包括至少一个电力半导体器件的电力电子转换器的方法。该方法包括通过如果至少一个半导体器件的温度高于上限温度阈值则执行第一操作以降低电流限制并且通过如果至少一个半导体器件的温度低于下限温度阈值则执行第二操作以增加电流限制来确定至少一个电流限制。

Description

用于操作电力电子转换器的方法及电力电子转换器
技术领域
背景技术
电力电子转换器是用于转换或传输电力的装置。电力电子转换器可以特别地从例如DC电压源的DC源接收电力作为输入并将电力传输到AC负载，从而从DC输入产生交流电流作为输出。反之亦然，电力电子转换器可以从AC源接收电力作为输入并为DC负载产生DC电流作为输出。因此，电力电子转换器在将DC电流转换为AC电流时传输电力，或反之亦然。电力转换器不限于从DC电力到AC电力或从AC电力到DC电力的转换。电力转换器还可以方便地用于从AC电力至其他AC电力的转换，例如具有不同频率；从DC电力到DC电力的转换，例如具有不同电压。
电力电子转换器可以将能量存储在一个或多个电容器中。半导体开关被方便地切换以将电力从输入端传输到一个或多个电容器，并且然后从一个或多个电容器传输到输出端。利用一个或多个电容器和半导体开关的便利设置，可以在传输电力时使用转换器中的作为中间能量存储元件的一个或多个电容器将电力从转换器的输入端传输到输出端。
电容器还可以用作电压源，其用于通过转换器中的半导体的便利切换而产生依赖于时间的期望输出电压。
电力电子转换器可以具有不同的拓扑结构。例如，从DC到三相AC电流的转换是可行的，或反之亦然。也可以例如从DC或从三相AC获得其他多相电流，或反之亦然。电力电子转换器也可用于在三相或多相AC系统的不同相之间传输电力，例如以补偿不平衡从而确保电压稳定性或用于需要在AC多相系统中进行电力传输或电力转换的其他应用。
电力电子转换器允许精确控制输出电力或产生的输出AC或DC电压或电流，例如电力电子转换器可以产生具有期望频率的AC信号，而在变压器中，输出信号的频率由所施加的输入源的频率决定。此外，还可以使用电力电子转换器以便在AC能量系统中并且特别是在三相或多相AC系统中交换感应或电容无功功率。
如在本发明的实施例中使用，电力电子转换器具有半导体开关，该半导体开关连接到用作电力传输或转换的中间能量存储元件和/或电压源或电源的电容器。
电力电子转换器可以是模块化多电平转换器并且特别是模块化多电平三角连接静态同步补偿器或模块化多电平直接三相到一相转换器。特别是在模块化多电平转换器中，电容器可以用作电压源以获得期望电压电平。通过使用半导体元件切换电容器之间的连接，可以获得与时间相关的电压电平，例如以从DC电压产生AC电压或反之亦然，或者例如在三相系统中在不同相之间传输电力。
电力电子转换器的大多数部件在操作中经受电力损耗。这些电力损耗很大程度上取决于电力转换器的各种操作条件。不同部件的电力损耗最终会导致部件或其内部结构的某些部分的工作温度升高。通常，部件关于允许的工作温度方面具有相对严格的范围。冷却系统安装在电力电子转换器内部以确保每个部件都在其指定温度范围内操作。此外，为了避免过热，电力转换器的操作条件受到限制使得所有部件的温度都保持在其指定范围内。
为此目的，电力电子转换器的供应商或在电力电子转换器中使用的半导体的供应商通常指定关于电力转换器的操作的限制，例如最大转换器电流、最大转换器电压或类似操作限制。
操作限制通常以一般方式指定，但需要适用于所有可设想的操作条件以避免部件过热。因此，当使用这种操作限制操作电力电子转换器时，操作限制可能是低效的并且导致在至少一些操作条件下未充分利用实际转换器能力。
发明内容
一种用于操作电力电子转换器的方法，该电力电子转换器包括至少一个电力半导体器件，该方法包括：估计至少一个半导体温度值；为电力电子转换器确定至少一个电流限制；控制该电力电子转换器以将至少一个电流保持在电流限制处或低于电流限制，其中确定至少一个电流限制包括如果至少一个半导体器件的温度高于上限温度阈值，执行第一操作以降低电流限制；如果至少一个半导体器件的温度低于下限温度阈值，执行第二操作以增加电流限制；并且其中第一和第二操作分别基于至少一个半导体器件的当前温度以及至少一个半导体器件的温度的至少一个先前值；并且其中，迭代地重复估计至少一个半导体温度值、以及确定至少一个电流限制、以及控制电力电子转换器。
因此，根据本发明的方面，提供了一种用于操作电力电子转换器的方法，其中，电流限制根据电力电子转换器中半导体的温度历史值而增加或减少，并且其中，转换器的操作条件和历史值被考虑用于电流限制的调整。如果操作条件允许更高额定电流，这种方法允许以该更高额定电流操作电力电子转换器。因此，可以实现对当前转换器能力的更有效利用。
附图说明
图1图示了总结根据本公开的一些实施例的用于操作电力电子转换器的方法的流程图。
图2示出了具有由时刻形成的域以及由温度形成的上域的函数的图，该函数与每个时刻以及半导体器件在该时刻的温度的相关联。
图3示出了以根据本公开的一些实施例的用于操作电力电子转换器的方法执行的第一操作相关的细节。
图4示出了以根据本公开的一些实施例的用于操作电力电子转换器的方法执行的第二操作相关的细节。
图5示出了包含半导体器件的单极单元500。
图6示出了包含半导体器件的双极单元600。
图7示出了3相到1相模块化多电平转换器(MMC)。
图8示出了静态同步补偿器(STATCOM)模块化多电平转换器(MMC)。
具体实施方式
在电力电子转换器的操作期间，在转换器中流动的电流并且特别是在形成半导体开关的半导体器件中流动的电流可能会导致电力电子转换器内部的温度的升高，特别是半导体器件中的温度的升高。半导体器件、以及尤其是半导体器件的结的温度升高或半导体器件中的电流值超过半导体器件的安全操作值，可能会永久损坏半导体器件。因此，在电力电子转换器中，必须将半导体器件的温度保持在安全值以下。该目标通过将在电力电子转换器中流动的电流保持在针对电力转换器的安全操作的电流限制以下来实现，并且以避免转换器并且特别是其半导体器件由于高温或高电流而损坏。
在电力电子转换器的操作期间，电力电子转换器中的电流通常保持在预定电流限制以下以避免损坏，但是该预定限制在某些情况下可能过于保守，例如，当电力转换器中的温度较低时。当在低温下操作时，电力转换器中的半导体器件可以以高于预定限制的电流操作。此外，电力电子转换器可以在给定的操作条件下容忍高于预定限制的电流而不会造成任何损坏，例如，当需要高功率的短脉冲时。
因此，在本发明的方面中，提出了一种灵活的电流限制，其可以在适当条件下允许这种短脉冲。电流限制取决于半导体器件的当前温度以及温度历史，并且因此可以取决于转换器的进一步操作条件。由于这种灵活的电流限制，即使温度超过安全操作限制，也可以在短时间段内容忍更高温度(以及对应地处于或导致高温的电流限制)，而可以在更长时间段内容忍更低温度(以及在更低温度下可能导致温度升高的电流限制)。
本公开的实施例涉及用于操作电力电子转换器的方法，该电力电子转换器包括至少一个电力半导体器件。
在本公开的实施例中，用于模拟损耗、温度和健康流的详细模型、例如物理模型和/或数学模型被用于在考虑大量参数和条件的情况下估计电力电子转换器的许多部件的当前温度。所述模型被部署在例如转换器控制系统中。作为输入，模型可以接收流动通过相应部件和可选地流动通过转换器的其他部件的电流、冷却介质的流速和温度、和/或与温度相关的其他参数。作为输出，其发布相应部件的估计温度。根据一个或多个当前和过去估计温度，转换器控制系统然后可以确定电流限制的减小或电流减小请求，以防受监督部件温度/多个温度接近相应部件的最大允许值。因此，电力电子转换器可以在比供应商标称指定的电流更高的电流下操作，例如在存在低冷却水入口、脉冲之间具有长冷却阶段的脉冲转换器负载时。
符号的定义
在下文中，更详细地描述根据本发明的方面的电力电子转换器的操作。其中，使用以下符号：
电力电子转换器包括n个电力半导体器件S1,…,Sn，其中n至少为1。
Ti(t)表示在时刻t与电力电子转换器、特别是与半导体Si相关的温度。在一些实施例中，Ti可以是估计的温度，例如利用物理模型、可能基于测量数据所估计的温度。在一些实施例中，Ti被识别为半导体器件Si的结温度Tj,i。但是，在其他实施例中，Ti也可以是电力电子转换器的较大部分的温度、或转换器整体的温度。例如，Ti可以是转换器中的半导体1,…,n的结温度的值中的的最大值Tmax＝max{TJ，1，...，TJ，n}。在其他实施例中，Ti可以是转换器中的一组半导体的结的温度的最大温度，该组包含Si。例如，Ti可以例如是在三相或多相转换器中的相φ的支路中操作的所有半导体的结的最高温度Tmax，φ，其中Si是在相φ的支路中操作的半导体中的一个。
在一些实施例中，Ti可以是时间平均值、并且特别是先前描述的量的移动平均值。在一些实施例中，Ti可以包括数个温度，例如作为向量。例如，Ti可以包含所述量的瞬时值并且至少包括所述量的平均值，特别是至少包括所述量随时间的移动平均值。
在一些实施例中，至少一个半导体温度值Ti可以是具有由瞬时值和/或时间平均值和/或其最大值给出的分量的向量的函数。
在一些实施例中，Ti可以被赋予向量：
(max{TJ，1，…，TJ，n}，max{MA1(TJ，1)，…，MA1(TJ，n)}，…)
该向量包括电力电子转换器中半导体结温的瞬时值的最大值并且至少包括半导体结温的第一移动平均值MA1的最大值。向量还可以包括额外的移动平均值。在一些实施例中，移动平均值并且特别是MA1可以是具有不同样本窗口的简单移动平均值或指数移动平均值。在一些实施例中，可以进一步对移动平均值进行加权。
在一些实施例中，类似的向量被认为如上，但仅包括用于三相或多相系统中的相的半导体的结温。
在本发明的实施例中，Li是半导体器件Si的电流限制。例如，每个半导体器件Si可以分配单独的电流限制Li。
在一些实施例中，限制Li可以是包括Si的一组半导体中的(所有)半导体的共同电流限制，使得该组中的所有半导体中的所有电流(例如，三相转换器的支路中所有半导体中的所有电流)被控制为低于Li，其中Si是所述支路中的半导体。
在一些实施例中，可能存在多个限制Li，每个限制用于转换器中或甚至转换器的每个相中的多组(多个)半导体中的一组。可替代地，对于转换器中的所有半导体或转换器的每个相，限制Li可以是相同的，使得Li是转换器或转换器的给定相中的所有半导体中的所有电流的全局限制。
温度Ti可以是单个温度或一组温度，例如对于每个i＝1,...,n中的一个温度。
在本发明的实施例中，Ii是流动通过Si的电流和/或通过应用电流限制Li限制的电流。
用于操作转换器的方法流程图
图1示出了总结根据本公开的各种实施例的用于操作电力电子转换器的方法的流程图。
根据一些实施例，执行开始于框110，其中估计(半导体)温度Ti，温度Ti是例如之前描述的温度中的至少一个。
在框120中，评估至少一个温度Ti是否高于上限阈值ui。意图在于，在其中Ti是向量的实施例中，ui可以是标量或者也可以是向量，并且进行适当的比较，例如，进行向量之间的比较，从而评估依赖于Ti和ui的谓词。比较可以例如是逐元素(element-wise)的。可替代地，在Ti的任何分量高于ui的对应分量时，比较可以评估为真。在一些实施例中，根据任何方便的度量或范数或变换来确定和评估差异Ti-ui，以便评估Ti是否高于ui。
如果框120中的条件评估为真，则执行框140，其中，确定(例如，计算或更新)电流Ii的限制Li，如下文更详细描述的。在此，当前电流限制Li的确定包括执行第一操作(限制降低操作)以降低电流限制(例如，从而导致电流限制低于直接之前的经受额外条件的电流限制，例如电流限制的绝对下限值)。限制降低操作基于至少一个半导体器件的当前温度和至少一个半导体器件的温度的至少一个先前值。
在框140之后，执行进行到框110。
如果框120中的条件评估为假，则执行框130。可替代地，框120和130也可以以相反的顺序执行，或者在单个框内执行。
在框130中，评估至少一个温度Ti是否低于下限阈值1i。其中，上面关于框120的描述类似地适用。例如，如果Ti是向量，则1i也可以是向量，如果Ti的所有分量都低于1i的对应分量，则条件可以评估为真。
如果框130中的条件评估为真，则执行框150，其中，确定(例如，计算或更新)限制Li，如下文进一步更详细描述的。在本文中，电流限制Li的确定包括执行第二操作(限制增加操作)以增加电流限制(例如，导致电流限制高于直接之前的经受额外条件的电流限制，例如当前限制的绝对上限值)。限制增加操作还基于至少一个半导体器件的当前温度和至少一个半导体器件的温度的至少一个先前值。
Li的新值或更新值然后用于控制电力电子转换器以将至少一个电流维持处于或低于限制Li。
在框150之后，执行可以继续到框110，使得循环被创建。在一些实施例中，执行在循环中迭代地进行，如图1所示。
在一些其他实施例中，可以替代地利用一些物理器件来实现循环，使得不同的框可以与器件的不同子系统相关并且不一定代表按时间的顺序。例如。模拟积分器可用于基于历史值连续计算积分，当前电流限制的更新可基于该历史值。在其他实施例中，所述积分器可以被数字计算机或控制器替代或近似，其中一个或多个计算机或控制器可以并行操作。
一般1i<ui。在一些实施例中，下限温度阈值1i(确实)低于ui。在其他实施例中，下限温度阈值1i可以等于上限温度阈值ui。在一些实施例中，下限或上限温度阈值随时间是恒定的。在一些实施例中，下限或上限温度阈值可随时间调节，例如，当例如半导体器件的更精细模型被考虑或变得可用、或根据转换器的可变操作条件来更新所述阈值。
因此，本公开的实施例允许操作电力电子转换器以防止或减少由于高温对电力电子转换器中的至少一个半导体器件造成的损坏。
该方法的另外方面包括：估计在时刻t处与Si相关的温度Ti，确定电力电子转换器的至少一个电流限制Li，以及控制电力电子转换器以将至少一个电流Ii在所述电流限制处或低于电流限制Li。
图1所示的步骤可以改变。例如，步骤120和130的逻辑顺序可以颠倒，或者可以在单个步骤(例如，对于多个范围(例如，高于上限阈值ui，低于下限阈值1i，或在两个阈值之间)确定Ti的值属于这些范围中的哪一个的步骤)中评估两个步骤。
在本公开的一些实施例中，根据图1的用于操作电力电子转换器的方法被迭代地重复。意图在于，在根据本公开的用于操作电力电子转换器的方法中，迭代地重复估计至少一个半导体温度值、以及确定至少一个电流限制、以及控制电力电子转换器。根据图1的执行可以在循环中迭代地进行，其中，例如Ti的估计重复发生。在一些实施例中，重复迭代可以执行为一系列离散步骤，而在一些其他实施例中，重复迭代可以至少部分地包括随时间连续执行的操作，使得在那些实施例中，例如可以在至少一个时刻间隔上的任何时刻估计温度Ti并在离散时间步长上读出该温度Ti。在其他实施例中，可以存在各种任务的并行执行，其中，效果基本上等同于图1中总结的流程的迭代重复。在其他实施例中，本公开的方法可以利用模拟器件来实现，例如，利用模拟积分器，其随着时间不断提供输出，该输出例如可以使用开关而读取，这些开关例如使用模拟电路和/或存在模拟传感器和模拟电路的情况下进行操作。因此，可以考虑数字、模拟或混合信号实施方式以执行本公开中描述的方法。意图在于，所有那些实施例操作为迭代地重复实现图1的流程或获得基本等效于根据图1所示的流程图进行重复迭代操作的实施方式，例如当考虑模拟或混合信号实施方式时。在本公开的一些实施例中，在循环内且以高于或等于最小频率的频率迭代地重复：估计至少一个半导体温度值、以及确定至少一个电流限制、以及控制电力电子转换器，以有效控制电力电子转换器中的至少一个电力半导体器件的温度。
所述最小频率可以取决于表征电力电子转换器或电力电子转换器中的半导体的物理量的值以及赋予电力电子转换器的半导体的开关命令。最小频率可以例如取决于表征电力电子转换器内或电力电子转换器的半导体内的热传播和/或耗散的时间常数以及开关命令的频率。操作的最小频率对应于必须执行图1中描述的流程以有效地控制转换器中的至少一个电力半导体的温度所处的最小频率。
意图在于，控制器被构造为将至少一个电流保持在根据本发明的实施例并根据图1所示的流程计算或更新的电流限制Li处或低于该电流限制Li。
在一些实施例中，Ti的估计包括使用转换器或转换器中的半导体的物理模型。在一些实施例中，估计可以包括测量，特别是对电力转换器内部的温度的测量。
电力电子转换器的大多数部件经受在操作中发生的电力损耗。这些电力损耗取决于电力转换器的各种操作条件，例如操作电流、操作电压、半导体开关频率或占空比等。不同部件的电力损耗可能导致整个部件或其内部结构的某些部分的操作温度的升高。电力电子转换器内部安装有专用冷却系统以确保每个部件都在其指定温度范围内操作。每个部件在稳态操作条件下达到的温度取决于电力转换器的确切电气操作条件以及所安装的冷却系统的众多参数，例如冷却水温度。冷却系统必须能够移除所需量的热量，以将每个部件的温度保持在其指定或可允许范围内。
电力电子转换器的供应商例如基于转换器中使用的半导体器件的供应商指定的限制而通常指定关于电力转换器的操作的标称限制，例如标称最大转换器电流、最大转换器电压等。由于显着影响所产生的损失以及冷却能力的大量参数或者由于根据所述参数的很大可变性或敏感性，因此标称电流限制可以是保守限制或最小限制或在给定当前操作条件下远低于在其他方面可允许电流限制的限制。因此，仅考虑标称电流限制会导致转换器的不良利用。
在本公开中，在考虑所有相关操作条件(例如转换器电流、转换器电压、半导体开关指令、冷却水流入口、冷却水温度、冷却水压力、冷却水乙二醇含量)的情况下，考虑物理或数学模型以实时估计半导体损耗和温度。基于所述量，可以估计电力电子转换器的半导体器件的温度。在一些实施例中，估计在整个电力电子转换器的所有半导体上的最大温度。
在一些实施例中，估计是基于转换器或转换器中的半导体的物理模型和/或基于例如通过使用热回路测量的，其中，例如基于器件中耗散的电力、估计或测量的环境温度或冷却流体(例如水或含有乙二醇的水)的温度、和/或转换器的部件(如散热器)的温度，并基于转换器的部分之间或转换器的部分与环境或冷却水之间的热阻来估计半导体器件的结的温度。此外，在一些实施例中，模型可以包括热容。在一些实施例中，模型可以是与基于耗散电力对转换器内部的热流的提前模拟有关的。
电力电子转换器中的半导体器件可以是IGCT或IGBT或任何其他类型的特别适用于电力转换器中的开关功能的半导体器件。
所使用的半导体类型定义了本公开中考虑的损耗和热模型的确切结构和参数。在一些实施例中，考虑了由正向导电栅极换向晶闸管和反向导电二极管组成的反向导电IGCT。每个半导体器件都有其自身的独立模型。在一些实施例中，不同半导体器件可以共享相同的散热器并因此例如对于耦合的不同晶闸管和/或二极管共享热模型。半导体温度可以尤其取决于电力电子转换器的操作条件而出现大的波动，例如5到10开尔文。取决于操作点，峰值温度或平均温度可形成限制因素，并因此在本公开的一些实施例中，使用瞬时或时间平均温度或瞬时和平均温度的向量。
在本公开的一些实施例中，估计在所有半导体上的半导体温度的最大瞬时值和在所有半导体上的半导体温度的最大平均值。可以为单元中的半导体器件特别地计算温度或平均温度的最大值，并且然后比较不同单元和/或不同支路的最大值以获得所有支路或整个转换器的温度最大值.
确定电流限制
图2示出了作为时间函数的表示估计温度的函数Ti的图200，即其中由时刻形成的域和由估计温度Ti形成的上域。
在本公开的一些实施例中，至少一个电流限制Li的确定包括：在与半导体Si相关的温度Ti高于上限温度阈值ui时，执行第一操作，以降低电流限制Li；在至少一个半导体器件Si的温度低于下限温度阈值1i时，执行第二操作，以增加电流限制Li。第一和第二操作分别基于与至少一个半导体器件Si相关的估计当前温度Ti和与至少一个半导体器件Si相关的温度的至少一个先前值。因此，对于当前时刻t，第一和第二操作基于Ti(t)并基于Ti(τ)，其中τ≤t。此处，“基于”应理解为使用这两个温度Ti(t)和Ti(τ)或从其导出的值作为输入。这不排除其他输入，例如在不同于τ的另一个时间获取的温度的另一先前值。
对于第一操作的实现，在一些实施例中，计算值Hi,1，该值尤其可以取决于温度Ti的一个或多个历史值。然后，函数Θ1特别是基于Hi,1产生转换器中的电流限制Li的值。在一些其他实施例中，该函数Θ1例如在离散序列上取决于温度值的历史。在一些实施例中，然后该函数Θ1可以直接输出Li的新值或Li的增量或减量，或者可以识别Li被迫变化所依据的微分增量。
对于第二操作的实现，在一些实施例中，计算值Hi,2，该值尤其可以取决于温度Ti的一个或多个历史值。然后，函数Θ2特别是基于Hi,2产生转换器中的电流限制Li的值。在一些其他实施例中，该函数Θ2例如在离散序列上取决于温度值的历史。在一些实施例中，然后该函数Θ2可以直接输出Li的新值或Li的增量或减量，或者可以识别Li被迫变化所依据的微分增量。
在一些实施例中，每当温度接近由半导体供应商为电力电子转换器中的半导体器件指定的最大允许温度时，电力转换器电流限制或电力转换器电流设定点被限制为特定值，例如降低的限制Li的值。
在一些实施例中，每当温度远低于由半导体供应商指定的最大可允许温度时，逐渐解除上述电力转换器电流限制或电力转换器电流设定点限制，例如，逐渐增大限制Li。
在一些实施例中，电力电子转换器因此能够在接近转换器中半导体的物理限制的情况下进行操作，而与例如根据负载、传输的电力、冷却水的温度等的主优操作条件无关，这些主优操作条件可能是特别有利的或特别不利的。
在一些实施例中，电流限制Li被配置为通过请求转换器RMS电流减小来将最大半导体温度限制为预定义值，以限制瞬时以及平均最大半导体温度。
如图3和4所示，第一或第二操作可包括积分，用于计算面积300或400，如将在随后详细描述的。限制Li可以基于面积300或400并且因此取决于过去值Ti(τ)，其中τ≤t。
在一些实施例中，将每个估计温度(即瞬时和平均最高温度)与上限和下限水平进行比较。如果温度值超出由下限和上限水平定义的区间，则对上冲/下冲进行积分。在一些实施例中，由下限水平和上限水平标识的区间形成无作用带。超过上限水平的温度需要电流限制降低或电流设定点降低，而低于下限的温度值允许电子电力转换器中的电流的电流限制增加或电流设定点增加。
在一些实施例中，限制必须快速起作用以避免温度过高，在限制时间段之后缓慢增加参考电流以避免控制的干扰/不稳定性。在一些实施例中，积分还可以包括温度的加权。在一些实施例中，积分由积分器执行并且积分器的输出被限制在从零到最大转换器RMS电流的范围，而最大转换器RMS电流是半导体相关值。
在一些实施例中，当降低电流限制时，该降低至少有时是严格降低。
在一些实施例中，当增加电流限制时，该增加至少有时是严格增加。
参考图2，当与电力电子转换器中的半导体器件Si有关的温度Ti(t)在时刻t高于上限阈值ui时，执行第一操作以在时刻t降低电流限制Li。当与电力电子转换器中的半导体器件Si相关的温度Ti(t)在时刻t低于下限阈值1i时，执行第二操作以在时刻t增加电流限制Li。与第一操作相比，第二操作可以具有不同的特征，并且特别地，电流限制的增加可以比减少更慢地执行。
对于当前时刻t，在本公开的一些实施例中，第一或第二操作基于在当前时刻t的当前温度Ti(t)并且基于函数Hi在时刻t的值Hi(t)，其中，Hi在t的值取决于Ti在τ的至少一个过去值Ti(τ)，其中τ≤t。在一些实施例中，时刻τ可以严格地早于t，即在本公开的一些实施例中，τ是使得τ≤t。
在第一操作的一些实施例中，考虑第一函数Hi，1并且对于第二操作，对于所述函数Hi考虑第二函数Hi，2。
在一些实施例中，第一函数Hi，1在t处的值Hi，1(t)可以例如由
Figure BDA0003365071660000111
给出，其中t0，1可以例如为当估计温度Ti等于与第一操作相关的上限温度阈值、例如等于图2所示的阈值ui时的最后时刻。
在图3中，根据本公开的实施例，面积300具有由Hi，1(t)给出的度量。
在一些实施例中，第一函数Hi，2在t处的值Hi，2(t)可以例如由
Figure BDA0003365071660000112
给出，其中t0，2可以例如为当估计温度等于与第二操作相关的下限温度阈值、例如等于图2所示的阈值li时的最后时刻。
在图4中，根据本公开的实施例，面积400具有由Hi,2(t)给出的度量。
在一些实施例中，对于j＝1，2的函数Hi,j可以包括进一步变换，例如
Figure BDA0003365071660000113
其中，例如温度Ti可以根据变换Wj进行变换，该变换Wj可以不同地加权不同温度。
在本公开的一些实施例中，变换W1可以不同于变换W2以将超过上限阈值ui的温度与低于下限阈值1i的温度不同地加权。
在Ti是向量的实施例中，积分旨在是向量上的算子，并且Wj还形成向量上可以是线性或非线性的算子。
在一些实施例中，电流限制基于Hi,j或在其他方面基于温度的一系列历史值。在一些实施例中，电流限制基于Hi,j且基于进一步变换，该变换可以包括例如低于最大RMS转换器电流的限制，而最大转换器RMS电流是半导体相关值。
意图在于，第一操作基于Hi,1并且第二操作基于Hi,2。
在一些实施例中，Hi,1的进一步变换可以用函数Θ1指示并且Hi,2的进一步变换可以用函数Θ2指示。对于j＝1，2的变换Θj可以包括电流限制Li的低于绝对最大界限(例如，取决于转换器的半导体器件的参数的最大转换器RMS电流)的限制。
在一些实施例中，积分输出值指示电流限制Li或电流控制器设定点必须减小以避免半导体器件的过热所根据的值。减小不能使Li低于零。
在一些实施例中，在电流设定点降低不能避免半导体瞬时和/或平均温度的进一步增加的情况下，通过强制停止来停止电力电子转换器以避免半导体损坏。在一些实施例中，强制停止可以对应于使Li减小到零。
下面更详细地描述各种替代实施例。
实施例的可行细节和替代特征
接下来，描述根据本发明的可行方面的一些其他可行变化和细节。这些方面可以与本文描述的任何其他方面或实施例组合，除非明确排除这种组合。
在一些实施例中，作为第一操作的结果，至少一个电流限制Li的减小可以与Hi,1成正比或成反比。
在一些其他实施例中，作为第一操作的结果，至少一个电流限制减小可以根据线性或非线性变换Li＝Θ1(Hi，1，Ti，∏)进一步取决于Hi,1，其中Π为至少一个半导体器件或电力电子转换器的一组参数或状态变量，例如包括转换器中的估计或测量温度或电流和电压或转换器的开关命令。函数Θ1可以尤其被配置为将电流限制Li限制为低于绝对上限边界并且高于绝对下限边界(例如，零)。
在一些实施例中，作为第二操作的结果，至少一个电流限制Li的增加可以与Hi,2成正比或成反比。
在一些实施例中，作为第二操作的结果，至少一个电流限制增加可以根据线性或非线性变换Li＝Θ2(Hi，2，Ti，Π)进一步取决于Hi,2，其中Π为至少一个半导体器件的一组参数或状态变量，例如包括转换器中的估计或测量温度或电流和电压或转换器的开关命令。在一些实施例中，非线性变换包括将电流限制为低于绝对最大限制并高于绝对最小限制，例如零。函数Θ2可以尤其被配置为将电流限制Li限制为低于绝对上限边界并高于绝对下限边界(例如，零)。意图在于，边界包括相等性，使得Li可以等于上限或下限边界。特别地，Li可以为零。
意图在于，“低于”或“高于”也应该包括相等性，使得“低于”意味着“低于或等于”并且“高于”意味着“高于或等于”。
在一些其他实施例中，函数Θj可以替代地确定由对于j＝1,2的dLi，j=Θj(Li，Hi，j，Ti，П)dt分别给出的对于差分时间dt的差分电流限制变化。因此，在第一次操作期间，Li增加变化dLi，1，而在第二次操作期间，Li在差分时间dt期间减少变化dLi,2。意图在于，dLi，1/dt在执行第一个操作时形成Li随时间的导数，dLi，2/dt在执行第二个操作时形成Li随时间的导数，并且所述导数的值dLi，j/dt分别依赖于对于j＝1,2的Θj而执行。
在一些实施例中，替代地使用ΔLi，j=Θj(Li，Hi，j，Ti，П)来计算离散差值ΔLi,j并且分别在第一操作期间根据ΔLi,1更新Li并在第二操作期间根据ΔLi,2更新Li。意图在于，Li形成一系列离散值，当执行第一操作时根据ΔLi,1更新该系列离散值且执行第二操作时根据ΔLi,2更新该系列离散值。
在一些实施例中，Θj可以进一步取决于至少一个半导体温度的一个或多个先前值。在一些实施例中，Θj还可取决于Li的一个或多个先前值。在一些实施例中，Θj可以取决于至少一个半导体温度Ti的一系列过去值。在一些实施例中，Θj可以取决于电流限制Li的一系列过去值。
在一些实施例中，例如在微控制器或计算机上可以使用数值方法来近似Θj和Hi,j。在其他实施例中，可以使用其他实施方式，例如基于模拟控制器或模拟电路，例如模拟积分器。
意图在于，如果当输入量变化时输出量保持恒定，则也可以存在输出量根据输入量的依赖性。
在一些实施例中，Li可以使用可替代计算直接计算而无需首先计算离散差值或差分，该可替代计算在数字计算机或微控制器上执行，该数字计算机或微控制器例如接收至少一个电力半导体器件的温度的一系列过去值作为输入。
在一些其他实施例中，可以在数字、模拟或混合信号器件上计算Li。
在一些实施例中，Θj可以进一步取决于之前定义的Ti或Tmax或相φ的Tmax，φ的一系列过去值。
在一些实施例中，Θj可以进一步确保Li的限制低于最大值。所述最大值可以为零，对应于为了冷却而关闭转换器。
在一些实施例中，Θj可以包括任何有益于降低或增加电力电子转换器的电流限制的操作，从而特别是确保考虑到特定转换器和特定半导体器件，即使在高于标称电流的情况下操作电力电子转换器时也不会发生损坏。
在一些实施例中，通过基于模型并且特别是基于电力半导体器件或转换器的物理模型的估计来获得至少一个半导体温度值。在一些实施例中，至少一个半导体温度值是通过测量获得的。在一些实施例中，至少一个半导体值通过至少一个测量和基于接收测量数据作为输入的物理模型的估计的组合而获得。
对于当前时刻t，在本公开的一些实施例中，第一和第二操作基于至少一个电力半导体器件Si的当前估计温度Ti(t)和电力电子转换器中的至少一个电力半导体器件Si的一系列估计温度过去值。
在一些实施例中，第一或第二操作可以进一步包括额外线性或非线性变换，例如，与常数相乘。转换还可以根据布尔条件的评估返回变换值，例如取决于与电力电子转换器中的温度或电流的绝对最大值的比较返回变换值。在一些实施例中，第一或第二操作还可以包括将电流限制Li限制为低于绝对最大值或高于绝对最小值。在一些实施例中，绝对最小值为零。在一些实施例中，每当给定条件评估为真时(例如，每当接近或达到或超过估计温度的绝对最大值时)，电流限制Li都可以显著减小或设置为零。在一些实施例中，第一或第二操作还可取决于电流限制Li的一个或多个先前值。
在本公开的一些实施例中，针对每个半导体器件Si确定电流限制Li，其中i＝1,...,n，其中n是电力电子转换器中的半导体器件的数量。在一些实施例中，电流限制Lmin＝min{L1，...Ln}被确定并且电力电子转换器被控制以保持转换器的半导体器件中流动的所有电流均低于电流限制Lmin，即电力电子转换器被控制使得没有半导体电流超过Lmin。
在一些其他实施例中，针对每个半导体器件Si确定电流限制Li，其中i＝1,...,n，n是电力电子转换器中的半导体器件的数量并且集合{S1,...Sn}可以考虑到对集合{S1,...Sn}的分区{Σ1,...,Σk}而可以进一步分区为k块Σ1,...,Σk，其中具有k为自然数并且k不为零。每个块Σk∈{Σ1,...,Σk}形成集合{S1,...Sn}的子集并且
Figure BDA0003365071660000141
即分区中所有块的并集等于{S1，...Sn}。此外，分区中不同块的交集为空，即如果x不等z，则
Figure BDA0003365071660000142
在一些实施例中，针对分区{Σ1,...,Σk}中的每个框Σx计算电流限制LΣx为：
Figure BDA0003365071660000143
其中，L(Sχ)是器件Sχ的电流限制，即L(Sχ)＝Lχ，其中χ＝1,...n。在一些实施例中，电力电子转换器被控制为使得对于电力电子转换器的每个半导体器件Si(其中i＝1,...,n，)，流动通过Si的电流处于或低于限制
Figure BDA0003365071660000151
其中∑(Si)表示包含器件Si的分区{Σ1,...,Σk}的唯一块。在一些实施例中，分区{Σ1,...,Σk}恰好包含三个块{Σ1,...,Σ3}，其中每个块包含用于三相转换器的相关相的所有半导体器件，即，Σ1包含用于相1的所有半导体器件，Σ2包含相2的所有半导体器件并且Σ3包含用于三相转换器的相3的所有半导体器件。在一些实施例中，具有集合{S1,...Sn}的k个块的的分区{Σ1,...,Σk}的每个块均包含与k相转换器的相相关的所有半导体。
在一些实施例中，用于操作电力电子转换器的方法包括存储转换器中的半导体Si的至少一个半导体温度值的至少一个过去值Ti(τ)，并且确定至少一个电流限制Li进一步基于所存储的至少一个过去值。具体地，在时间t处的至少一个电流限制Li是基于至少一个过去值Ti(τ)计算的，其中τ＜t，或者在一些实施例中，τ≤t。
在一些实施例中，存储至少一个半导体温度值的至少一个过去值Ti(τ)被执行为将至少一个过去值数字地存储在微控制器或计算机的存储器上。在一些实施例中，微控制器或计算机还用于执行降低电流限制Li的第一操作或增加电流限制Li的第二操作。
在一些实施例中，使用数字微控制器或计算机近似地或精确地计算函数Hi,j。在一些实施例中，数字微控制器或计算机上的计算包括读取所存储的至少一个半导体温度值的至少一个过去值或读取存储在微控制器或计算机的存储器中的至少一个半导体温度的一系列过去值。计算机或微控制器可以是任何计算机系统，还特别是分布式计算系统或通过网络交换数据的系统。计算机或微控制器的存储器可以是适合于存储数字数据的任何存储器，包括可通过总线系统或网络连接访问地存储器。
在一些实施例中，至少一个电流限制Li的确定在循环内迭代地重复。
所述循环可对应于例如当型循环的循环，其由微控制器或计算机执行。具体地，所述循环可以在时间间隔内重复执行以便实时或接近实时地获得至少一个电流限制Li，以有效地控制电力电子转换器。
在一些实施例中，至少如果当前的至少一个电流限制Li(即当前时刻t处的Li的值)低于绝对上限边界Ui，第二操作包括至少一个电流限制Li的增加，并且否则Li不增加。在一些实施例中，当至少一个半导体器件的温度低于下限温度时执行第二操作时，至少一个电流限制Li可以增加到至少高于标称值。在一些实施例中，增加可以至少有时是严格增加。在一些实施例中，至少如果当前的至少一个电流限制低于绝对上限边界，第二操作包括至少一个电流限制的增加。在一些实施例中，至少一个电流限制增加到至少高于标称值。
在一些实施例中，至少如果当前的至少一个电流限制高于绝对下限边界(例如零)，第一操作包括当前的至少一个电流限制的减小。在一些实施例中，当在至少一个半导体器件的温度高于上限温度阈值时执行第一操作时，至少一个电流限制降低至至少低于标称值。在一些实施例中，降低可以至少有时是严格降低。在一些实施例中，至少一个电流限制是多相电力电子转换器中的至少一个相电流的电流限制。
在一些实施例中，至少一个电流限制是RMS电流限制。
在一些实施例中，对至少一个半导体温度Ti的估计包括使用电力半导体器件和转换器的物理模型，该物理模型由将转换器的一组相关操作条件和/或状态作为输入并且将至少一个电力半导体器件Si的温度Ti作为输出的函数表示的，其中相关操作条件或状态包括以下一项或多项：转换器/电力半导体器件中流动的电流、转换器/电力半导体器件中并且尤其是跨半导体端子的电压、半导体开关命令、冷却液或流体的温度、冷却液或流体的流量、冷却液或流体的压力、冷却液的乙二醇含量、环境温度、转换器中的测量温度。
特别地，电力半导体器件和/或转换器的物理模型的使用有利于更精确地估计半导体器件的温度Ti。通过包括相关操作条件，在与例如通过测量转换器或半导体器件的部分的温度和/或考虑简单的热模型获得的温度相比的情况下，可以更快且以更准确的方式估计转换器的温度Ti。在一些实施例中，物理模型进一步基于通过测量获得的量，例如基于物理模型状态变量的测量值。测量可以例如可以是温度测量、电流或电压测量、冷却流体或液体的速度测量或冷却流体(如乙二醇含量)的某些特征测量。
在一些实施例中，提供了一种电力电子转换器，该电力电子转换器被配置为根据本公开的方法进行操作。
被配置为根据本公开的方法操作的电力电子转换器可以特别地包括控制器，该控制器被配置为控制电力电子转换器以便将至少一个电流保持在电流限制处或低于电流限制，其中电流限制根据本公开中描述的例如在控制器或额外控制器或计算机上，并且特别是在数字控制器或数字计算机上或包括一些模拟器件(如模拟积分器)的控制器上实施的方法计算。控制器的输入，并且特别是估计的至少一个半导体温度，可以通过传感器或测量器件和/或由微控制器或数字计算机或模拟计算机提供，该微控制器或数字计算机或模拟计算机被配置为根据转换器或至少一个半导体器件的物理模型实施计算以提供估计的温度。
图5示出了具有半导体开关器件S1和S2的单极单元500，所述半导体开关器件S1和S2可以存在于或用于特别是根据本公开的实施例的电力电子转换器中。单元具有延伸到单元500的外部的两个端子。根据单元中的半导体开关器件的状态，当S2导通且S1关断时，单元的端子可以呈现低阻抗，因此其中理想情况下端子起到短路的作用，或者当S2关断并且S1导通时，端子可以用作电压源，其中电压由单元500内的充电电容器提供。
图6示出了具有四个半导体开关器件S1、S2、S3、S4的双极单元600，这些半导体开关器件可以存在于或用于特别是根据本公开的实施例的电力电子转换器中。
单元500和600还包括二极管。
单极或双极单元500、600可用于电力电子转换器中。
图7示出了包括可以是单极单元500或双极单元600的单元700的3相到1相模块化多电平转换器(MMC)。这种转换器可以根据本公开的方法操作或形成本公开的实施例。图7所示的转换器是针对每相具有支路710、711、712的三相转换器，每个支路710、711、712包含在图7中以竖直对齐方式示出的多个单元700。对于每个相支路710、711、712，单元700用交替的开关命令进行切换，使得第一组单元起到短路的作用，而第二组单元通过存储在单元中的电容器中的电荷提供电压。通过正确切换单元中的半导体器件，可以从DC源产生AC电流，或反之亦然。例如，DC源可以应用在图7中的DC-和DC+之间并且3相AC源可以在图7的左侧延伸的三个端子上获得，或反之亦然。
图8示出了静态同步补偿器(STATCOM)模块化多电平转换器(MMC)。这种转换器可以根据本公开的方法来操作或形成本公开的实施例。通过适当切换可以是单极单元500或双极单元600的单元700，可以例如在三相系统的相之间传输电力，并且特别是无功电力，以例如补偿不平衡或确保系统中的电压稳定性。
在一些实施例中，电力电子转换器是模块化多电平三角连接静态同步补偿器。
在一些实施例中，电力电子转换器是模块化多电平直接三相到一相转换器。
在一些其他实施例中，电力电子转换器可以是被配置为接收三相AC电流或电压作为输入并产生三相AC电流或电压作为输出的任何转换器，例如接收具有可变频率和/或可变幅值的三相AC电流作为输入并产生具有恒定频率(例如50Hz或60Hz)和/或具有恒定幅值(例如恒定电压)的三相AC电流或电压作为输出，或反之亦然。
因此，本公开也适用于被配置为将三相AC电力/电压/电流转换为具有不同特征的其他三相AC电力/电压/电流的转换器，例如从可变频率到恒定频率，或反之亦然。例如，被配置为从三相AC电力/电压/电流转换为其他三相AC电力/电压/电流的转换器可用于抽水蓄能水力发电厂。抽水蓄能水力发电厂中的发电机可以例如产生具有可变幅值和/或频率的三相AC电流，并且因此使用三相AC到三相AC转换器以产生具有恒定频率和幅值的三相AC电流作为输出是有益的。此外，转换器可以被配置为平衡不平衡和/或产生对称三相AC输出电压或电流。
此外，本公开还适用于被配置为将n相AC电力/电压/电流转换为具有不同特征的m相AC电力/电压/电流的转换器，例如从可变频率或幅值到恒定频率或幅值，或反之亦然。
在一些实施例中，电力电子转换器包括单极单元。
在一些实施例中，电力电子转换器包括双极单元。
本公开中描述的方法允许改进对电力电子转换器的控制。特别地，可以不同或相同的上限温度阈值和下限温度阈值的考虑允许转换器的自适应控制。当转换器中半导体的温度低时，第二操作可逐渐增加电流限制，以从电力转换器获得更多电力而没有损坏转换器的风险。当转换器中半导体的温度上升到高于上限阈值时，第一操作降低电流限制以防止损坏转换器。第一和第二操作基于温度的过去历史并且可以进一步基于转换器的不同移动平均值和操作条件。以这种方式，控制适应转换器和转换器的操作，以最大化性能同时最小化损坏风险。此外，通过使用半导体温度的估计值，这可以进一步基于转换器的测量状态或操作条件，并通过考虑物理模型，这允许改进关于转换器中的半导体的当前条件的知识，以防止在无法以所需精度和准确度知晓温度时可能在其他方面导致的损坏。
考虑可能不同的阈值水平、以及考虑多个信息(例如考虑半导体器件温度的不同移动平均值和/或考虑其最大值)、使用基于温度的或由平均温度形成的温度向量的或其最大值的历史值的控制、在调节电流限制时使用线性或非线性函数或权重、考虑相关操作条件或状态和/或测量的相关数据，允许实现围绕特定转换器完全定制的控制，其中目标是确保安全操作而不会损坏，同时最大化转换器在各种温度和各种负载条件下可以传递的电力。

Claims (13)

1.一种用于操作电力电子转换器的方法，所述电力电子转换器包括至少一个电力半导体器件，所述方法包括：
估计至少一个半导体温度值，
为所述电力电子转换器确定至少一个电流限制，
控制所述电力电子转换器，以将至少一个电流保持在所述电流限制处或低于所述电流限制，
其中，确定所述至少一个电流限制包括：
如果所述至少一个半导体器件的温度高于上限温度阈值，执行第一操作，以降低所述电流限制，
如果所述至少一个半导体器件的温度低于下限温度阈值，执行第二操作，以增加所述电流限制；
并且其中，所述第一操作和所述第二操作分别基于所述至少一个半导体器件的当前温度并且基于所述至少一个半导体器件的温度的至少一个先前值；
并且其中，迭代地重复：估计所述至少一个半导体温度值、以及确定所述至少一个电流限制、以及控制所述电力电子转换器。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括存储所述至少一个半导体温度值的至少一个过去值，并且其中，确定所述至少一个电流限制还基于所存储的至少一个过去值。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，在循环内并且以高于或等于最小频率的频率迭代地重复：估计所述至少一个半导体温度值、以及确定所述至少一个电流限制、以及控制所述电力电子转换器，以有效控制所述电力电子转换器中的至少一个电力半导体器件的温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述第二操作包括：至少如果当前的至少一个电流限制低于绝对上限边界，增加所述至少一个电流限制，并且其中，所述至少一个电流限制增加到至少高于标称值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第一操作包括：至少如果当前的至少一个电流限制高于例如零的绝对下限边界，降低所述当前的至少一个电流限制，并且其中，所述至少一个电流限制降低到至少低于标称值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述至少一个电流限制是对多相电力电子转换器中的至少一个相电流的电流限制。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述至少一个电流限制是RMS电流限制。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，估计所述至少一个半导体温度包括使用所述电力半导体器件和所述转换器的物理模型，所述物理模型由将所述转换器的一组相关操作条件和/或状态作为输入并且将所述至少一个电力半导体器件的温度作为输出的函数表示，其中，所述相关操作条件或状态包括以下各项中的一者或多者：在所述转换器/电力半导体器件中流动的电流、所述转换器/电力半导体器件中并且特别是跨半导体端子的电压、半导体开关命令、冷却液或流体的温度、冷却液或流体的流量、流体冷却液的压力、冷却液的乙二醇含量、环境温度、所述转换器中的测量温度。
9.一种电力电子转换器，所述电力电子转换器被配置用于根据权利要求1至8中任一项所述的方法进行操作。
10.根据权利要求9所述的电力电子转换器，其中，所述电力电子转换器是模块化多电平三角连接静态同步补偿器。
11.根据权利要求9所述的电力电子转换器，其中，所述电力电子转换器是模块化多电平直接三相到一相转换器。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的电力电子转换器，其中，所述电力电子转换器包括单极单元。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的电力电子转换器，其中，所述电力电子转换器包括双极单元。
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