本發(fā)明涉及變流器igbt結(jié)溫計算，尤其是涉及一種變流器igbt模塊的結(jié)溫計算方法、裝置和變流器。

背景技術(shù)：

1、隨著可再生能源在全球電力系統(tǒng)中的日益普及，電網(wǎng)穩(wěn)定性所面臨的挑戰(zhàn)日漸增加。特別是風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)，它們必須具備處理電網(wǎng)短路故障導(dǎo)致的局部電壓下降事件的能力，即所謂的低電壓穿越(lvrt)能力。此能力對于保持電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性及不間斷電力供應(yīng)至關(guān)重要。在此背景下，變流器等功率電子設(shè)備中的關(guān)鍵組件，如絕緣柵雙極型晶體管(igbt)，在電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)故障期間，尤其是在低電壓穿越事件中，必須能夠處理并控制由此引起的熱應(yīng)激。暫態(tài)故障如短路故障會導(dǎo)致器件中的電流瞬間顯著增加，進(jìn)而在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量熱能，從而影響其性能和壽命。

2、目前，結(jié)溫估算技術(shù)主要依靠等效熱網(wǎng)絡(luò)模型與有限元分析兩種方法。等效熱網(wǎng)絡(luò)模型由于計算速度快，易于實施，因此在工業(yè)應(yīng)用中被廣泛采用。然而，此類模型主要針對穩(wěn)態(tài)熱條件設(shè)計，對毫秒級暫態(tài)熱沖擊的傳導(dǎo)演化適用不夠，導(dǎo)致結(jié)溫的精確度有限，尤其在描述復(fù)雜的低電壓穿越事件時，對往復(fù)熱沖擊、熱傳導(dǎo)和熱損耗無法準(zhǔn)確反映，影響了新型電力系統(tǒng)故障電壓穿越對變流器核心元件igbt溫度這一關(guān)鍵參量的掌控。與之相對的有限元方法，盡管能夠提供精確的溫度分布預(yù)測，但因計算量巨大，不適合用于在線監(jiān)測或?qū)崟r控制。因此，急需開發(fā)一種新型技術(shù)，能夠在短時間尺度內(nèi)準(zhǔn)確計算功率器件igbt在低電壓穿越期間的暫態(tài)結(jié)溫，以提高變流器的可靠性和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。此技術(shù)應(yīng)能夠優(yōu)化器件的熱管理策略，防止由于過熱引起的損害，并為功率器件的長期運行壽命評估提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

3、經(jīng)過檢索，中國發(fā)明專利公開號cn113343447b公開了一種低電壓穿越工況下的igbt結(jié)溫估算方法、系統(tǒng)及介質(zhì)，方法包括：將變流器的功率曲線以瞬態(tài)畸變功率持續(xù)時間tlvrt為時間粒度進(jìn)行離散，將離散功率與igbt模塊各層的熱時間常數(shù)相匹配；通過連續(xù)化處理得到連續(xù)熱網(wǎng)表達(dá)；將離散功率與連續(xù)熱網(wǎng)表達(dá)進(jìn)行匹配，得到重構(gòu)熱網(wǎng)絡(luò)模型；基于重構(gòu)熱網(wǎng)絡(luò)模型計算igbt模塊結(jié)溫。該現(xiàn)有專利存在未明確指出如何根據(jù)實時變化的環(huán)境條件動態(tài)更新熱網(wǎng)參數(shù)，限制了方法在多變工況下的應(yīng)用效果的問題。

4、如何實現(xiàn)變流igbt功率芯片暫態(tài)結(jié)溫的快速準(zhǔn)確計算，成為需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種變流器igbt模塊的結(jié)溫計算方法、裝置和變流器。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種變流器igbt模塊的結(jié)溫計算方法，該方法包括以下步驟：

4、步驟s1：獲取低電壓穿越期間變流器igbt模塊的實時畸變功率損耗；

5、步驟s2：建立不同電壓跌落度下與畸變功率相匹配的熱網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)集；

6、步驟s3：獲取實時電壓電流數(shù)據(jù)，并根據(jù)步驟s1計算的實時畸變功率損耗，判斷低電壓穿越期間的電壓跌落程度；

7、步驟s4：將步驟s2建立的熱網(wǎng)參數(shù)代入熱網(wǎng)模型，并更新熱網(wǎng)模型參數(shù)；

8、步驟s5：利用更新后的熱網(wǎng)模型參數(shù)，對步驟s3獲取的實時電壓電流數(shù)據(jù)與損耗數(shù)據(jù)，計算低電壓穿越期間igbt模塊結(jié)溫。

9、優(yōu)選地，所述的實時畸變功率損耗包括igbt的損耗和二極管的損耗，其中igbt的損耗包括igbt通態(tài)損耗和igbt開關(guān)損耗，二極管的損耗包括二極管通態(tài)損耗和二極管反向恢復(fù)損耗；

10、所述igbt通態(tài)損耗的計算公式為：

11、

12、

13、其中，vce(sat)為igbt的飽和電壓降；it為t時刻對應(yīng)的通態(tài)電流；ri為igbt的通態(tài)電阻；d(t)為導(dǎo)通占空比式中，+和-分別對應(yīng)整流和逆變模式；m為調(diào)制度；ω為角頻率；φ為基波電壓和電流之間的相位；

14、igbt開關(guān)損耗計算公式為：

15、psw_igbt(it)＝fsw(eon(it)+eoff(it))

16、其中，fsw為器件的開關(guān)頻率，eon(it)和eoff(it)分別表示電流it作用下igbt的開通損耗和關(guān)斷損耗；

17、二極管通態(tài)損耗pcon_diode和開關(guān)損耗psw_diode的計算公式分別為：

18、

19、其中，vf0為pn結(jié)電壓；if為二極管正向通態(tài)電流的有效值；rf為斜率電阻；fsw為igbt的開關(guān)頻率；vnom為模塊額定電壓；inom為模塊額定電流；err為額定電壓下二極管的反向恢復(fù)損耗；vdc為直流母線電壓；m為調(diào)制比；cosα為變流器的輸出功率因數(shù)。

20、更加優(yōu)選地，n個所述igbt模塊的總損耗plot為：

21、plot＝n·(ploss_lgbt+ploss_diode)

22、ploss_igbt＝pcon_igbt+psw_igbt

23、ploss_diode＝pcon_diode+psw_diode

24、其中n為igbt模塊的個數(shù)，pcon_igbt為igbt通態(tài)損耗，psw_igbt為igbt開關(guān)損耗，pcon_diode為二極管通態(tài)損耗，psw_diode為二極管關(guān)斷損耗。

25、可選地，所述的步驟s2包括：

26、步驟s21：將igbt和二極管的三維幾何模型導(dǎo)入有限元仿真軟件，并為三維幾何模型模型中的各個部分指定材料特性；

27、步驟s22：根據(jù)傳熱有限元理論，迭代熱傳導(dǎo)有限元方程、電場方程和熱應(yīng)力的有限元方程，求解多場耦合結(jié)果，其中多場為熱傳導(dǎo)、電傳導(dǎo)和熱應(yīng)力；

28、步驟s23：對整個三維幾何模型模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建有限元網(wǎng)格并設(shè)置邊界條件；

29、步驟s24：注入不同電壓跌落程度下的實時畸變功率損耗，進(jìn)行瞬態(tài)熱阻抗曲線的有限元求解，得到與不同電壓跌落程度相對應(yīng)的瞬態(tài)熱阻抗數(shù)據(jù)；

30、步驟s25：對瞬態(tài)熱阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到與不同電壓跌落程度相對應(yīng)的熱阻和熱容參數(shù)的數(shù)據(jù)集合。

31、更加優(yōu)選地，得到與不同電壓跌落程度相對應(yīng)的所述瞬態(tài)熱阻抗數(shù)據(jù)具體為：

32、在熱網(wǎng)絡(luò)中，溫度作為電壓信號，器件損耗作為電流信號，因此芯片到殼的瞬態(tài)熱阻抗zjc(t)表示為芯片到殼的溫度差tj(t)-tc(t)與熱傳遞路徑上的器件損耗p的比值，計算公式為：

33、

34、式中，tj(t)代表igbt芯片的瞬時溫度，tc(t)為igbt的殼體瞬時溫度；

35、由此得到與不同電壓跌落程度相對應(yīng)的瞬態(tài)熱阻抗曲線集合。

36、優(yōu)選地所述的步驟s3中判斷低電壓穿越期間的電壓跌落程度的過程包括：

37、步驟s31：實時采集電壓電流數(shù)據(jù)，檢測起止時刻、相位跳變、跌落深度這三個特征量；

38、步驟s32：利用一個周期的采樣值的均方根得出電壓的有效值，電壓跌落深度d的計算公式為：

39、

40、us為故障前的電壓，urms為一個周期內(nèi)電壓的有效值。

41、優(yōu)選地所述的更新熱網(wǎng)模型參數(shù)包括：

42、步驟s41，定義熱網(wǎng)模型的輸入與輸出，其中輸入?yún)?shù)包括電壓跌落度、環(huán)境溫度和流經(jīng)igbt的電流，輸出參數(shù)包括熱網(wǎng)模型更新后的熱阻和熱容；

43、步驟s42，更新熱網(wǎng)模型參數(shù)：根據(jù)輸入?yún)?shù)，從已有數(shù)據(jù)中匹配熱網(wǎng)模型參數(shù)，并代入熱網(wǎng)模型來更新熱網(wǎng)模型中的相關(guān)參數(shù)。

44、優(yōu)選地所述計算低電壓穿越期間igbt模塊結(jié)溫具體為：

45、低電壓穿越期間小時間尺度igbt模塊結(jié)溫的計算模型：

46、

47、

48、式中，tj_igbt(t+tlvrt)表示一整個時間尺度igbt的結(jié)溫，tj_diode(t+tlvrt)表示一整個時間尺度二極管的結(jié)溫，tlvrt為故障電壓持續(xù)時間；tc表示環(huán)境溫度；ploss_igbt表示igbt的功率損耗值；ploss_diode表示二極管的功率損耗值；ri表示更新前的第i層熱網(wǎng)熱阻、rj表示更新后第j層熱網(wǎng)熱阻。

49、根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種變流器igbt模塊的結(jié)溫計算裝置，所述裝置包括：

50、第一處理單元(101)，用于獲取低電壓穿越期間變流器igbt模塊的實時畸變功率損耗；其中實時畸變功率損耗包括igbt的損耗和二極管的損耗，其中igbt的損耗包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，二極管的損耗包括通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗；

51、第二處理單元(102)，用于建立不同電壓跌落度下與畸變功率相匹配的熱網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)集；

52、第三處理單元(103)，用于獲取實時電壓電流數(shù)據(jù)，并根據(jù)第一單元101計算的實時畸變功率損耗，判斷低電壓穿越期間的電壓跌落程度；

53、第四處理單元(104)，用于將熱網(wǎng)參數(shù)代入熱網(wǎng)模型，并更新熱網(wǎng)模型參數(shù)；

54、第五處理單元(105)，利用更新后的熱網(wǎng)模型參數(shù)計算低電壓穿越期間igbt模塊結(jié)溫。

55、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種變流器，所述變流器采用所述的結(jié)溫快速計算方法進(jìn)行結(jié)溫估算。

56、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

57、1)本發(fā)明根據(jù)采集的實時電壓電流數(shù)據(jù)、以及計算低電壓穿越期間變流器igbt模塊的實時畸變功率損耗，判斷低電壓穿越期間的電壓跌落程度，用不同電壓跌落度下與畸變功率相匹配的熱網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)集更新熱網(wǎng)模型參數(shù)，基于更新的熱網(wǎng)模型參數(shù)計算暫態(tài)工況小時間尺度igbt模塊結(jié)溫，實現(xiàn)快速、精確的igbt模塊結(jié)溫檢測，從而為制定有效抑制變流器結(jié)溫升高及大幅波動的熱管理策略以及變流器功率模塊的壽命評估提供結(jié)溫依據(jù)。

58、2)本發(fā)明的方法建立不同電壓跌落度下與畸變功率相匹配的熱網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)集，因此不受電壓跌落程度的影響，能夠適應(yīng)不同程度的電壓跌落，這種適應(yīng)性提高了方法在變化多端的實際電網(wǎng)條件下的可靠性和計算效果。

59、3)本發(fā)明與有限元方法的對比實驗表明，在精確度方面與有限元的仿真結(jié)果相當(dāng)，在計算速度上遠(yuǎn)超有限元方法，與等效熱網(wǎng)絡(luò)的計算速度在一個數(shù)量級，達(dá)到了計算速度和精度的雙提升。