電力系統(tǒng)結(jié)溫控制的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種電力發(fā)電系統(tǒng)，包括發(fā)電裝置，連接至發(fā)電裝置的功率變換器，以及連接至功率變換器的電控制器。電控制器配置為通過應(yīng)用至少一個結(jié)溫降額函數(shù)限制功率變換器的峰值結(jié)溫。
【專利說明】電力系統(tǒng)結(jié)溫控制
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開的領(lǐng)域總體上涉及操作發(fā)電系統(tǒng)以控制峰值結(jié)溫的系統(tǒng)和方法。更具體而言，本公開涉及包括限制峰值結(jié)溫的控制器的光伏(例如太陽能)和風(fēng)力(例如風(fēng)力渦輪機(jī))發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，在發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能模塊和風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率是直流(DC)功率，其必須被變換為交流(AC)以輸出到電網(wǎng)。通常，變換器包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或其他功率半導(dǎo)體。半導(dǎo)體通常在額定操作溫度范圍內(nèi)操作。根據(jù)IGBT的類型，IGBT結(jié)溫通常額定在125°C、150°C、或175°C的最大值。半導(dǎo)體具有其能夠可靠操作的上限結(jié)溫。超過半導(dǎo)體的上限結(jié)溫可能導(dǎo)致不期望的半導(dǎo)體操作效率降低和/或故障。
[0003]半導(dǎo)體結(jié)的溫度升高可由各種因素導(dǎo)致。例如，用于半導(dǎo)體的制冷系統(tǒng)的空氣過濾器可能變臟/堵塞，從而降低了冷卻半導(dǎo)體可用的冷卻介質(zhì)的量。其他環(huán)境因素，例如高的室外溫度、高海拔、濕度水平、陽光等也能不利地提高半導(dǎo)體的操作溫度。操作因素，例如變換器的高輸出功率和瞬態(tài)功率事件也可能提高半導(dǎo)體的結(jié)溫等。這些因素的組合可能同時作用，導(dǎo)致更快以及更持久的高結(jié)溫。
[0004]通常，當(dāng)變換器中的半導(dǎo)體的結(jié)溫達(dá)到上限時，可采用斷路器使變換器跳閘(即關(guān)閉)以防止變換器故障。此外，在高溫下操作變換器可能不利地降低變換器的壽命。如果變換器由于高結(jié)溫被關(guān)閉，那么變換器可保持在斷開狀態(tài)，直到半導(dǎo)體結(jié)溫已降至可接受的水平。通常不希望關(guān)閉變換器，因為這可降低或消除發(fā)電系統(tǒng)供電的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一方面中，電力發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電裝置，連接至發(fā)電裝置的功率變換器，以及連接至功率變換器的電控制器。電控制器配置為通過應(yīng)用至少一個結(jié)溫降額函數(shù)限制功率變換器的峰值結(jié)溫。
[0006]在另一方面中，控制電力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的方法包括感測溫度，應(yīng)用基于所感測的溫度的至少一個結(jié)溫降額函數(shù)，以限制功率變換器的功率輸出，以及限制功率變換器的功率直到滿足預(yù)定條件。
[0007]在又一方面中，非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲用于控制電力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的程序指令，所述程序指令包括以下指令:使用溫度感測裝置感測溫度，應(yīng)用基于所感測的溫度的至少一個結(jié)溫降額函數(shù)，以限制功率變換器的功率輸出，以及限制功率變換器的功率直到滿足預(yù)定條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本公開的示例性實施例的框圖。
[0009]圖2是本公開的第二實施例的框圖。[0010]圖3是本公開的第三實施例的框圖。
[0011]圖4是本公開的示例性結(jié)溫降額函數(shù)的圖表。
【具體實施方式】
[0012]在此描述的方法和系統(tǒng)便于控制電力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器。本公開的方法和系統(tǒng)的技術(shù)效果是通過應(yīng)用由結(jié)溫降額函數(shù)導(dǎo)出的一個或多個功率限制系數(shù)來提供限制變換器的峰值結(jié)溫的能力。
[0013]圖1顯示本公開的控制系統(tǒng)的示例性實施例的框圖?？刂葡到y(tǒng)包括控制器100，控制器100連接至發(fā)電系統(tǒng)(未顯示)的功率變換器102。在一個實施例中，控制器100通過允許本公開的控制系統(tǒng)按本文描述作用的反饋回路設(shè)置或者其他設(shè)置連接至功率變換器102。
[0014]在功率變換器102的操作過程中，功率變換器102的半導(dǎo)體部件(或其他機(jī)械或電子部件)發(fā)熱。功率變換器102具有功率變換器能夠可靠操作的最大操作溫度104(圖4)。在實施例中，最大操作溫度104例如是預(yù)定溫度或者實驗發(fā)現(xiàn)的功率變換器102能夠可靠操作的最大操作溫度。在此使用的可靠操作是指裝置不出現(xiàn)永久性顯著損壞的額定操作條件。在一個實施例中，功率變換器102在結(jié)溫額定值以下以一定富余量操作。例如，額定在125°C的IGBT通常以90°C的IGBT結(jié)溫操作，留下線路浪涌和過載的富余量，線路浪涌和過載導(dǎo)致IGBT結(jié)溫瞬時升高指導(dǎo)浪涌或過載結(jié)束。在另一個實施例中，控制系統(tǒng)包括在該富余量以上以及最大結(jié)溫以下的溫度的過溫警告指示，例如在115°C提供過溫警告，在125°C觸發(fā)過溫電路跳閘。在其他實施例中，最大操作溫度104是與功率變換器102的半導(dǎo)體的結(jié)溫關(guān)聯(lián)的溫度值或者功率變換器102的一個或多個其他部件的最大操作溫度。
[0015]例如通過接觸功率變換器102或者以非接觸方式感測功率變換器102的溫度的溫度傳感器106確定功率變換器102的溫度。溫度傳感器106將功率變換器102的溫度輸出至控制器100作為輸入108。在一個實施例中，輸出溫度是單一部件或者多個部件的溫度。在其他實施例中，溫度傳感器還感測環(huán)境溫度，并將環(huán)境溫度輸出至控制器100。溫度傳感器106還可以感測并輸出允許本公開的控制系統(tǒng)按本文描述進(jìn)行操作的任何溫度。在另一個實施例中，如果溫度傳感器106感測多個溫度，則從溫度傳感器106輸出最大感測溫度作為控制器100的輸入108。
[0016]輸入108被傳輸至控制器100，作為用于降額函數(shù)110 (例如結(jié)溫降額函數(shù))的輸入值。在一個實施例中，降額函數(shù)Iio是單位函數(shù)，例如在垂直軸上的值的范圍從0.0到
1.0。在實施例中，水平軸例如代表溫度值。
[0017]在一個實施例中，降額函數(shù)110用于計算與輸入108關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)降額系數(shù)112 (即垂直軸值)。如圖1所示，降額函數(shù)110具有系數(shù)112保持恒定的溫度范圍，超出該溫度范圍系數(shù)112減小。在一個實施例中，系數(shù)值1.0代表與功率變換器102的額定操作溫度關(guān)聯(lián)的輸入108值。
[0018]然后，控制器100使用系數(shù)112控制功率變換器102的功率輸出量。在一個實施例中，系數(shù)1.0用于控制功率變換器102在最大功率下操作，系數(shù)0.0用于控制功率變換器102關(guān)閉或者在最小操作功率下操作。在另一個實施例中，系數(shù)0.5用于指示功率變換器102在50%的功率下操作。系數(shù)112可用于指示功率變換器102在允許本公開的控制系統(tǒng)按本文描述作用的任何功率水平下操作。
[0019]在實施例中，系數(shù)112被直接輸入和用于控制功率變換器102。在其他實施例中，系數(shù)112首先被傳輸和用于其他計算，例如功率/無功功率限值計算114和限流計算116。在其他實施例中，功率/無功功率限值計算114和/或限流計算116的輸出作為系數(shù)112被輸入和用于控制功率變換器102。
[0020]這樣，系數(shù)112可用于控制功率變換器102的功率輸出。例如，功率變換器102最初可在100%的功率輸出下操作。通過溫度傳感器106感測功率變換器102的溫度，該溫度被輸出至控制器100作為輸入108?？刂破?00使用降額函數(shù)110處理輸入108。如果輸入108在功率變換器102的額定操作范圍內(nèi)，那么例如所計算的降額系數(shù)112的值是1.0。這樣，將指示功率變換器102例如繼續(xù)在100%的功率輸出下操作。
[0021]但是，如果輸入108在功率變換器102的額定操作范圍以外(即值在降額函數(shù)110中指示的垂直虛線的右側(cè))，那么所計算的降額系數(shù)小于1.0。在一個實施例中，如果功率變換器102在最大操作溫度或者最大操作溫度附近的高溫下操作，輸入108就在額定操作范圍以外。這樣，降額函數(shù)110使用輸入108輸出小于1.0的降額系數(shù)112。然后降額系數(shù)112用于指示/控制功率變換器102在小于100%的功率水平下操作。
[0022]在一個實施例中，指示功率變換器102在給定的功率水平下操作，直到滿足預(yù)定條件，例如直到預(yù)定時間已經(jīng)過去或者直到溫度傳感器106感測到功率變換器102正在額定操作溫度下操作。例如，溫度傳感器106連續(xù)或者以增量方式監(jiān)測功率變換器102的溫度，并且連續(xù)或者以增量方式將該溫度輸出至控制器100作為輸入108。這樣，可以實時或者以離散的時間間隔控制功率變換器102。
[0023]在一個實施例中，如此控制功率變換器102在減小的功率水平下操作。例如根據(jù)溫度范圍控制功率變換器102在減小的功率水平下操作。這樣，當(dāng)功率變換器102處于額定操作范圍以外的溫度時，本公開的控制系統(tǒng)允許在減小的功率水平下操作功率變換器102，從而避免功率變換器102的不必要關(guān)閉，使其正常運行時間最大化。
[0024]圖2顯示了采用多個降額函數(shù)的本公開的控制系統(tǒng)的第二示例性實施例的框圖。例如，在一個實施例中，控制器100包括第一降額函數(shù)118和第二降額函數(shù)120。向第一降額函數(shù)118提供第一輸入122，其例如可以是功率變換器102的溫度或者功率變換器102的操作環(huán)境的環(huán)境溫度。第一輸入122可以是允許本公開的控制系統(tǒng)按本文描述作用的任何輸入值。
[0025]向第二降額函數(shù)120提供第二輸入124。在實施例中，第二輸入124和第三輸入126被輸入選擇模塊128。選擇模塊128選擇第二輸入124和第三輸入126的最大或最小值，用作第二降額函數(shù)120的輸入。第二輸入124和第三輸入126例如是功率變換器102的第一溫度和在與第一溫度不同的位置取得的功率變換器102的第二溫度。但是，第二輸入124和第三輸入126可以是允許本公開的控制系統(tǒng)按本文描述作用的任何輸入值。
[0026]在一個實施例中，第一降額函數(shù)118輸出第一降額系數(shù)130，第二降額函數(shù)120輸出第二降額系數(shù)132。在另一個實施例中，第一降額系數(shù)130和第二降額系數(shù)132被傳輸?shù)浇殿~系數(shù)選擇模塊134中，降額系數(shù)選擇模塊134選擇和/或比較第一降額系數(shù)130和第二降額系數(shù)132的最小降額系數(shù)。降額系數(shù)選擇模塊134輸出所選擇的降額系數(shù)作為降額系數(shù)136。[0027]然后降額系數(shù)136被直接或者通過功率/無功功率限值計算114和/或限流計算116傳輸至功率變換器102，用作上述控制值。
[0028]在第三示例性實施例中，如圖3所示，本公開的控制系統(tǒng)包括三個或更多個降額函數(shù) 118,120 和 136。
[0029]根據(jù)第三實施例的控制系統(tǒng)的操作可與上述操作類似。但是，在第三實施例中，第三降額函數(shù)136與第一降額函數(shù)118和第二降額函數(shù)120結(jié)合使用。在實施例中，第三降額函數(shù)136接收第四輸入138。在一個實施例中，第四輸入138是功率變換器102的基板溫度、功率變換器102的溫度、功率變換器102的操作環(huán)境的環(huán)境溫度等。第四輸入138可以是允許本公開的控制系統(tǒng)按本文描述作用的任何輸入值。
[0030]第三降額系數(shù)140被計算并從降額函數(shù)136輸出。第一降額系數(shù)130、第二降額系數(shù)132和第三降額系數(shù)140可以被輸入降額系數(shù)選擇模塊134。降額系數(shù)選擇模塊134比較和/或選擇例如第一降額系數(shù)130、第二降額系數(shù)132和第三降額系數(shù)140的最小降額系數(shù)。降額系數(shù)選擇模塊134輸出所選擇的降額系數(shù)作為降額系數(shù)136。
[0031]然后降額系數(shù)136被直接或者通過功率/無功功率限值計算114和/或限流計算116傳輸至功率變換器102，用作上述控制值。
[0032]在一些實施例中，本文公開的系統(tǒng)和方法可包含在計算機(jī)中或者存儲在計算機(jī)可讀介質(zhì)上。
[0033]本文描述的實施例不限于執(zhí)行本文描述的處理任務(wù)的任何特定系統(tǒng)控制器或處理器。在此使用的術(shù)語控制器或處理器用于代表能夠執(zhí)行運算或計算的任何機(jī)器，這些運算或計算是執(zhí)行本文描述的任務(wù)所必需的。術(shù)語控制器或處理器還用于代表能夠根據(jù)規(guī)則規(guī)定接受結(jié)構(gòu)化輸入并處理輸入以產(chǎn)生輸出的任何機(jī)器。還應(yīng)注意，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，在此使用的短語“配置為”表示控制器/處理器配備有用于執(zhí)行本發(fā)明實施例的任務(wù)的硬件和軟件的組合。在此使用的術(shù)語控制器/處理器指中央處理單元、微處理器、微控制器、精簡指令集計算機(jī)(RISC)、專用集成電路(ASIC)、邏輯電路和能夠執(zhí)行本文所述功能的任何其他電路或處理器。
[0034]本文描述的實施例包括一個或多個計算機(jī)可讀介質(zhì)，包括非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其中每個介質(zhì)可以配置為其上包括數(shù)據(jù)或用于操作數(shù)據(jù)的計算機(jī)可執(zhí)行指令。計算機(jī)可執(zhí)行指令包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、對象、程序、例行程序、或者可由處理系統(tǒng)存取的其他程序模塊，例如與能夠執(zhí)行各種不同功能的通用計算機(jī)關(guān)聯(lián)的一個程序模塊或者與能夠執(zhí)行有限數(shù)量功能的專用計算機(jī)關(guān)聯(lián)的一個程序模塊。當(dāng)被配置為執(zhí)行本文描述的指令時，本公開的方面將通用計算機(jī)轉(zhuǎn)化為專用計算裝置。計算機(jī)可執(zhí)行指令引起處理系統(tǒng)執(zhí)行特定功能或者一組功能，其是用于實現(xiàn)本文公開的方法的步驟的程序代碼工具的示例。此外，可執(zhí)行指令的特定序列提供可用于實現(xiàn)所述步驟的相應(yīng)動作的示例。計算機(jī)可讀介質(zhì)的示例包括隨機(jī)存取存儲器(“RAM”)、只讀存儲器(“ROM”)、可編程只讀存儲器(“PR0M”)、可擦可編程只讀存儲器(“EPR0M”)、電可擦除只讀存儲器(“EEPR0M”)、光盤只讀存儲器(“CD-ROM”)，或者能夠提供可由處理系統(tǒng)存取的數(shù)據(jù)或可執(zhí)行指令的任何其他裝置或部件。
[0035]例如本文描述的計算機(jī)或計算裝置具有一個或多個處理器或處理單元、系統(tǒng)存儲器、以及某種形式的計算機(jī)可讀介質(zhì)。以示例和非限制性的方式，計算機(jī)可讀介質(zhì)包括計算機(jī)存儲介質(zhì)和通信介質(zhì)。計算機(jī)存儲介質(zhì)包括用于信息(例如計算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其他數(shù)據(jù))存儲的任何方法或技術(shù)中實現(xiàn)的揮發(fā)性和非揮發(fā)性、可移動和不可移動介質(zhì)。通信介質(zhì)通常體現(xiàn)為調(diào)制數(shù)據(jù)信號(例如載波或其他傳輸機(jī)制)中的計算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其他數(shù)據(jù)，以及包括任何信息傳遞介質(zhì)。上述的任何組合也包括在計算機(jī)可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。
[0036]本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳實施方式，并使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能實施本發(fā)明，包括利用和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所含方法。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求書限定，并且可以包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它示例。這樣的其它示例旨在屬于權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，只要它們具有與該權(quán)利要求書的文字語言沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元件，或者只要它們包括與該權(quán)利要求的文字語言無實質(zhì)區(qū)別的等效結(jié)構(gòu)元件。
【權(quán)利要求】
1.一種電力發(fā)電系統(tǒng)，包括: 發(fā)電裝置； 連接至所述發(fā)電裝置的功率變換器；以及 連接至所述功率變換器的電控制器，其中所述電控制器配置為通過應(yīng)用至少一個結(jié)溫降額函數(shù)限制所述功率變換器的峰值結(jié)溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力發(fā)電系統(tǒng)，還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器感測所述功率變換器的溫度并將感測的溫度傳輸至所述電控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述結(jié)溫降額函數(shù)是所述感測的溫度的函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器配置為限制所述功率變換器的輸出功率，直到所述感測的溫度達(dá)到預(yù)定值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，從所述結(jié)溫降額函數(shù)導(dǎo)出的功率限制系數(shù)被應(yīng)用于所述控制器以減小所述功率變換器的輸出功率、電流或電壓的至少其中之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述系數(shù)從多個結(jié)溫降額函數(shù)中所選擇的一個結(jié)溫降額函數(shù)中導(dǎo)出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述系數(shù)被選擇為所述多個結(jié)溫降額函數(shù)的最小系數(shù)。
8.—種控制電力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的方法，所述方法包括: 感測溫度； 應(yīng)用基于所感測的溫度的至少一個結(jié)溫降額函數(shù)，以限制所述功率變換器的功率輸出；以及 限制所述功率變換器的 功率直到滿足預(yù)定條件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，感測溫度包括感測所述功率變換器的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于: 所述預(yù)定條件是所述功率變換器的臨界溫度值；以及 限制所述功率包括限制所述功率變換器的功率輸出直到所感測的所述功率變換器的溫度為所述臨界值或者低于所述臨界值。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，應(yīng)用從所述結(jié)溫降額函數(shù)導(dǎo)出的功率限制系數(shù)以減小所述功率變換器的輸出功率、電流或電壓的至少其中之一。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括從多個結(jié)溫降額函數(shù)中選擇所述結(jié)溫降額函數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，從所選擇的結(jié)溫降額函數(shù)導(dǎo)出的功率限制系數(shù)是所述多個結(jié)溫降額函數(shù)的最小系數(shù)。
14.一種非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲用于控制電力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的程序指令，所述程序指令包括以下指令: 使用溫度感測裝置感測溫度； 應(yīng)用基于所感測的溫度的至少一個結(jié)溫降額函數(shù)，以限制所述功率變換器的功率輸出；以及 限制所述功率變換器的功率直到滿足預(yù)定條件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，感測溫度包括感測所述功率變換器的溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于: 所述預(yù)定條件是所述功率變換器的臨界溫度值；以及 限制所述功率包括限制所述功率變換器的功率輸出直到所感測的所述功率變換器的溫度為所述臨界值或者低于所述臨界值。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，應(yīng)用從所述結(jié)溫降額函數(shù)導(dǎo)出的功率限制系數(shù)以減小所述功率變換器的輸出功率、電流或電壓的至少其中之一。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述指令還包括從多個結(jié)溫降額函數(shù)中選擇所述結(jié)溫降額函數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述系數(shù)是所述多個結(jié)溫降額函數(shù)的最小系數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的非暫時性計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述系數(shù)是O和1.0之間的實數(shù)。
【文檔編號】H02M1/32GK103828207SQ201280047360
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月27日
【發(fā)明者】R.G.瓦戈納, D.史密斯 申請人:通用電氣公司