專利名稱：大功率變流器的電力電子器件溫度過高的保護方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型的大功率變流器電力電子器件溫度過高的保護方法，可以應 用于包括風電變流器，船用推進變流器等領域，本保護方法可以在保證變流器全功率運行 的同時，實時監(jiān)測以保護避免變流器關鍵電力電子由于溫度過高的原因而燒毀。
背景技術：
大功率電力電子變流器目前具有廣闊的應用背景，并且已經成為多個產業(yè)中的核 心設備之一。以風電變流器為例，變流器的成本約占整個風電機組成本的15%。變流器的 可靠性是保障風機可靠運行的重要環(huán)節(jié)。風電變流器的組成結構圖1所示。整個變流器(2)由電機端全橋電路(3)和網絡 端全橋電路(5)組成。每一個橋式電流由三相六個絕緣柵雙節(jié)型晶體管(IGBT)外加續(xù)流 二極管(Diode)的電力電子開關模塊(10)組成，這兩個全橋電路和直流電壓(4)共同完成 了一個交流-直流-交流的變化。絕緣柵雙節(jié)型晶體管(IGBT)以及續(xù)流二極管(Diode) 是決定變流器可靠性的關鍵電力電子器件，變流器50%以上的故障是由于電力電子器件 (IGBT+Diode)的故障所造成的。溫度過高是電力電子器件(IGBT+Diode)造成故障的重要原因之一。而器件中溫 度最高的器件結點處于器件封裝內部，從而造成結溫的測量造成困難。英飛凌(Infineon) 等主流器件制造商根本沒有給出器件結溫測量接口。這些因素致使實時測量器件截溫以避 免其過溫的方法在實際上并不可行。目前業(yè)界內的主要的器件過溫保護方法依賴器件的溫度模型計算器件結溫，以下 稱為模型計算法。器件結溫計算主要原理如圖2所示。Tj act = Tfluid+ Δ Tfl hs+ Δ Ths cs+ Δ Tcs jtTj act為器件結溫hs =Phss. Rth flhs為冷卻流體到散熱片之間的溫度差，AThs cs =Phss. Rhs α — 為散熱片到器件封裝之間的溫度差，β =Phss-Rcs jt為器件封裝到器件結點之間的溫度差，Ploss為器件損耗，Rthjlhs和τ flhs為散熱片熱參數，Rhs cs, τ hs。s、R。s jt、τ csJt均為電 力電子器件參數。根據以上的描述可以看出，基于器件溫度模型的結溫計算法對于器件參 數的依賴度極高。由于器件制造工藝上的原因，器件的實際參數和器件制造商給出的會有 一定的偏差。在模型計算法使用上，器件溫度模型上必須留出很大的安全邊際，以補償器 件參數的不穩(wěn)定性。額外留出的安全邊際，器件的實際運行的電流往往會低于其實際運行 范圍，從而降低了變流器的實際輸出功率。模型計算法涉及大量的數學計算以及參數，使得這種保護方法的實際使用難度上 升。由于這種方法并不基于實時的溫度監(jiān)測反饋，如果使用模型計算法的方法錯誤或者輸入模型的參數錯誤，會造成變流器器件損毀等嚴重后果。雖然電力電子器件的結溫測量無法實現，但是器件的外殼溫度以及散熱片溫度的 測量的實現相對簡單。由圖2以及以上公式可以看出，器件的外殼溫度和電力電子器件結 溫有著非常直接并且穩(wěn)定的聯系。因此器件的外殼溫度測量可以用于預測估算電力電子器 件結溫，但是這個過程中同樣涉及并且依賴于器件的溫度參數。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供了一種基于歷史實驗數據和實時器件外殼測量溫度比較的 變流器電力電子器件(IGBT+DI0DE)的溫度過高的保護方法。這種方法消除了原來的模型 計算保護方法對器件溫度參數的依賴性，有助于更合理的使用電力電子器件，提高變流器 的實際輸出能力。同時，由于這種方法基于歷史數據和實時測量數據的比較，整個保護方法 涉及實時反饋過程，因此本方法的實時性和魯棒性更高，當變流器發(fā)生故障時，本方法可以 更快的發(fā)現故障，保護器件。本方法可與模型計算法混合使用，給器件提供雙重保護。模型保護法可以用于變 流器的初步設計，而本方法可以在變流器的實際運行過程對器件給予實時保護。為達到上述目的，本發(fā)明的構思是本發(fā)明首先用長時間生存實驗的方式，給出變流器在最差運行情況下的電力電子 器件(IGBT+diode)的外殼溫度曲線。該外殼溫度曲線將作為經驗溫度曲線數據記錄并輸 入變流器控制器。被記錄下的經驗溫度曲線被認為是正常運行情況下最高的器件外殼溫度 曲線。如果實際運行過程中外殼工作曲線低于經驗溫度曲線，則認為運行過程中的器件結 溫不會高于之前實驗時的結溫。介于最差運行情況已經用長時間實驗的方式驗證過，因此 只要實際運行過程中外殼測量曲線低于經驗溫度曲線，則可以保證器件的結溫低于安全范 圍，可以正常工作。如果實際運行的器件外殼測量溫度高于經驗溫度曲線，則認為變流器不 處于安全工作范圍，應當調整運行條件甚至進行停機保護。根據上述的發(fā)明構思，本發(fā)明的技術方案由如下三個環(huán)節(jié)組成本發(fā)明的第一個環(huán)節(jié)在于長時間生存實驗獲得在最差運行條件下器件外殼的經 驗溫度曲線。所謂的最差運行條件包含兩方面的內容，第一是冷卻流體以及變流器周圍空 氣溫度達到溫度范圍的最高值，第二是變流器的運行處于額定條件額定輸出(額定開關頻 率，額定功率因數，額定輸出頻率，額定輸出功率)。在最差運行條件下，可以通過傳感器采 樣測量獲得外殼經驗溫度曲線。經驗溫度曲線數據將輸入變流器控制器作為參考數據。本發(fā)明的第二個環(huán)節(jié)在于實時測量器件的外殼溫度并且經過信號濾波處理去除 干擾信號產生可以使用的外殼實測溫度曲線。信號濾波的截止頻率應為變流器主頻的4到 6倍。 本發(fā)明的第三個環(huán)節(jié)在于比較外殼經驗溫度曲線以及外殼實測經驗曲線，根據不 同結果給出變流器保護動作，具體的保護動作由變流器控制器完成。如果實際測量數據達 到并超出經驗數據，保護程序啟動，變流器降低開關頻率以降低器件損耗；當實測數據超出 經驗數據一定范圍達到安全邊際線時，變流器實現停機過程以保護過溫器件。本發(fā)明于現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點·通過實時的溫度檢測保護，比普通的模型計算法更具實時性和魯棒性。
運用經驗實驗數據，不需要復雜的溫度模型計算，對器件的溫度參數準確性依賴 降低?！じ鶕崟r工況實現分級保護，有助于降低變流器的停機率。 方法比模型計算法簡單易用，降低了錯誤使用保護方法造成變流器損害的風險。


圖1是不同脈寬調制模型的波形示意圖。圖2是風力發(fā)電機變流器模塊構成圖。圖3是本發(fā)明的模塊實現圖。圖4是脈寬調制模式性能計算模塊信號流程圖。圖5是電力電子器件截溫計算原理圖。圖6是電氣系統諧波模型示例圖。圖中1.發(fā)電機，2.風力發(fā)電機變流器，3.電機端IGBT橋式電路，4.直流電壓， 5.網絡端IGBT橋式電路，6.電機端脈寬調制發(fā)生器，7.網絡端脈寬調制發(fā)生器，8.正弦濾 波器，9.網絡端變壓器，10.工況判斷模塊，11.脈寬調制模式性能預估模塊，12.選擇模塊， 13.模塊調制波形發(fā)生模塊，14.發(fā)電機控制器，15.電網端控制器，16.功率性能計算模塊， 17.諧波性能結算模塊，18.電壓輸出特性模塊，19.動態(tài)特性計算模塊。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結合附圖詳述如下本保護方法的實施的第一步在于選定正確條件，進行最差運行條件的長時間生存 實驗。實驗平臺選用通用的全電流實驗結構，具體結構如圖3所示。溫度測量通過溫度傳 感器(11)在網絡橋(5)進行，溫度傳感需要緊貼電力電子器件的外殼。全負載電流通過電 抗器(7)在網絡橋和電機橋之間循環(huán)。二極管整流器(2)則提供額定的直流電壓。進水 口加熱器將冷卻流體溫度加熱到冷卻流體允許溫度范圍的最高值，空氣加熱器則將空氣溫 度加熱到空氣允許溫度范圍的最高值，從而滿足了最差運行條件中的第一條環(huán)境溫度的要 求。第二條就是通過控制器將變流器電流控制在額定范圍內，同時保證額定的開關頻率，如 果變流器由超負荷運行的要求，變流器將同樣經歷超負荷運行。整個變流器的電流曲線如 圖4所示，t0之后變流器進入全電流運行，^之后變流器進入超負荷運行。本保護方法實施的第二步在如上描述的實驗條件下，通過器件外殼上的PT100溫 度傳感器采樣測量得出在最差運行條件下得出經驗外殼溫度曲線。溫度測量經過低通濾波 之后得到如圖5所示的溫度曲線，推薦的濾波截至頻率為主頻的4到6倍左右。同樣、之 后變流器進入全電流運行，、之后變流器進入超負荷運行。得出的外殼經驗溫度曲線作為 參考信號輸入控制器。本保護方法實施的第三步由控制器實時實現?？刂破鲗崟r測量獲得的外殼溫度 曲線與之前錄入的外殼經驗溫度曲線進行比較，根據比較結果進行保護動作。當變流器沒 有超負荷要求時，經驗曲線以、為起始點，當變流器進入超負荷狀態(tài)則以、為起始點。如 圖6所示，當外殼的實測溫度低于外殼經驗溫度時，變流器出于正常工作狀態(tài)，變流器運作一切正常。當外殼的實測溫度高于外殼經驗溫度，但低于安全邊際曲線時，變流器處于警告 工作狀態(tài)，在此狀態(tài)中，變流器開關頻率會下降30%以降低器件溫度。當外殼的實測溫度超 出安全邊際曲線時，變流器報錯停機。本大功率變流器的電力電子溫度過高保護方法的原理簡述如下本保護方法的原理基于電力電子器件外殼溫度和電力電子器件結溫直接相關的 物理關系。由于電力電子器件的損耗發(fā)熱最終將通過器件外殼導入散熱片，因此如圖2所 示，散熱片_外殼_器件結點形成了一個穩(wěn)定的遞增關系。這種遞增關系可以用數學模型表達，但是準確的將數學模型應用于器件保護對于 器件參數和模型復雜度都有相當高的要求。這些因素構成了傳統的模型計算法的準確性不 夠，魯棒性低等缺陷。而本方法利用經驗實驗法獲得具體數據并作為參考值，這種方法不需 要依賴器件參數的數學模型，用最差運行條件下的外殼經驗溫度曲線來描述器件外殼溫度 和器件結溫范圍之間的關系。本保護方法依賴于長時間生存測試，減少了保護方法的復雜 度和誤操作的可能性。長時間生存實驗是獲得本保護方案中的外殼經驗溫度曲線的關鍵步驟。如上述 實施方案所示，本保護方案運用實驗平臺中的冷卻進水口的加熱器和處于變流器開關柜內 的空氣加熱器對冷卻水流以及變流器的空氣環(huán)境進行加熱，保證變流器在長時間生存實驗 中能夠處于變流器要求中的最惡劣的溫度環(huán)境。只有在最惡劣溫度環(huán)境中得出的經驗溫度 曲線才能有效保護所有工作環(huán)境中的電力電子器件。長時間生存實驗本身具備一定的風險 性，需要和模型計算法共同使用來界定合理的額定電流。在這個過程中，模型計算法依賴器 件參數以及復雜度高的缺陷仍然存在，但是模型計算法失敗的結果僅僅是損壞實驗平臺， 而不是損壞實際運行中的變流器產品，從而提高了實際產品的可靠性。本保護方法運用經驗溫度曲線而不是經驗溫度閾值的方法作為保護參考溫度。這 種方法增加了保護的實時性，由于器件結溫溫度上升速度比器件外殼溫度更快，本保護方 法可以在變流器外殼溫度上升過程中及時發(fā)現運行異常，達到提前保護的效果。本保護方 法需要存入整個經驗溫度曲線，并且要求變流器控制器能夠將如圖6中所示的、和、和 實際變流器的滿負載起始點以及超負荷起始點一一對應。這一點造成了本保護方法的復雜 度有所提高。本保護方法可以簡化為經驗溫度閾值法，具體方法在于提取經驗溫度曲線tQ 到、的最高溫度值作為經驗外殼溫度閾值，當實測外殼溫度達到并超過經驗外殼溫度閾值 時，變流器采取如上述實施方案同樣的方法保護電力電子器件。
權利要求
1.一種大功率變流器的電力電子器件溫度過高的保護方法，其特征在于長時間生存 實驗獲得在最差運行條件下的器件外殼經驗溫度曲線，以作為保護操作的參考基準，實時 測量器件的外殼溫度并且經過信號濾波后作為變流器運行的外殼實測溫度曲線，保護動作 取決于外殼經驗溫度曲線和外殼實測溫度曲線的比較結果，根據不同結果變流器控制器給 出不同的變流器保護動作。
2.按照權利要求1所述的大功率變流器的電力電子器件溫度過高的保護方法，其特征 在于，外殼經驗曲線必須在最差運行條件下長時間測試獲得，最差運行條件包括兩個條件， 第一是冷卻流體以及變流器周圍空氣溫度達到溫度范圍的最高值，第二是變流器的運行處 于額定條件額定輸出(額定開關頻率，額定功率因數，額定輸出頻率，額定輸出功率)，在以 上給出的最差運行條件下，可以通過傳感器采樣測量獲得外殼經驗溫度曲線，經驗溫度曲 線數據將輸入變流器控制器作為保護操作的參考基準。
3.按照權利要求1所述的大功率變流器的電力電子器件溫度過高的保護方法，其特 征在于，實時測量器件的外殼溫度并且經過信號濾波后作為變流器運行的實測外殼溫度曲 線，信號濾波的截止頻率應為變流器主頻的4到6倍。
4.按照權利要求1所述的大功率變流器的電力電子器件溫度過高的保護方法，其特征 在于，選擇模塊(12)選定脈寬調制綜合性能因數最高的一種脈寬調制模式輸出給脈寬調 制波形發(fā)生環(huán)節(jié)。如果最終選定的調制模式綜合性能因數小于等于零或者大于1，選擇模塊 (12)將輸出報錯信息。
5.按照權利要求1所述的大功率變流器的電力電子器件溫度過高的解決方案，其特征 在于，控制器將實時獲得的外殼測量溫度曲線與之前錄入的外殼經驗溫度曲線進行比較， 根據比較結果進行保護動作。當器件外殼的測量溫度低于外殼經驗溫度曲線時，變流器處 于正常工作狀態(tài)，變流器運作一切正常。當器件的外殼測量溫度高于外殼經驗溫度但是低 于安全邊際曲線時，變流器出于警告工作狀態(tài)，在此狀態(tài)中，變流器開關頻率會下降30 %以 降低器件溫度。當器件外殼的實時測量溫度達到安全邊際曲線，變流器報錯停機。
全文摘要
一種新型的大功率變流器電力電子器件溫度過高的保護方法，應用于風電變流器和船用變流器等領域。本發(fā)明通過對器件外殼經驗溫度和變流器器件外殼實測溫度的比較來決定變流器保護動作。本發(fā)明解決了原有的模型計算法的高度依賴器件模型參數以及復雜度高使用困難的缺陷，具有更高的魯棒性和可靠性。本發(fā)明的核心構思在于用經驗實驗數據合理表達了變流器電力電子器件結點溫度和器件外殼溫度的關系。
文檔編號H02H7/10GK101997302SQ201010252548
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權日2010年8月13日
發(fā)明者烏云翔, 徐奕翔, 朱臻, 杜欣立, 聶贊相, 邵詩逸 申請人:烏云翔