一种双馈风机变流器IGBT热管理方法、系统和存储介质

一种双馈风机变流器igbt热管理方法、系统和存储介质
技术领域
1.本发明涉及变流器热管理领域，尤其是涉及一种双馈风机变流器igbt热管理方法、系统和存储介质。


背景技术：

2.风电变流器作为风能转换系统中的枢纽，其长期处于随机、间歇的运行工况中，igbt成为最高失效率模块，并极易连锁产生系统故障。在海上风电、山区风口等区域，双馈感应电机(doubly fed induction generator,dfig)机侧变流器频繁切换整流、逆变工作模式之间，igbt结温波动增大。尽管正常风速工况下的风机变流系统热管理策略已相对成熟，但相对于正常工况情况，湍流风在在s级小时间尺度内呈现更快变化周期和更强间歇特性。因而，对于双馈风机而言，研究湍流风速下的机侧变流器热管理控制策略尤为重要。
3.风速波动条件下的igbt模块会产生两种结温波动类型：基频结温波动和低频结温波动。基频结温波动与变流器输出频率有关，低频结温波动往往受到风速波动影响。低频结温波动一般为变流器中幅值较高的结温波动，对igbt模块的寿命消耗影响更大。现有控制策略侧重对基频结温波动的抑制，且控制范围有限。湍流风速下低频结温波动占比较大，其强度较大时小时间尺度内便会造成极大寿命消耗，并且结温波动幅值、均值、频率均呈现随机化特性,使热管理无法进行确切的量化控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双馈风机变流器igbt热管理方法、系统和存储介质。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种双馈风机变流器igbt热管理方法，包括以下步骤：
7.s1、获取实时风速，计算第一功率；
8.s2、根据不同风速下对应结温数据，建立风速-结温拟合曲线，并根据结温阈值范围，利用风速-结温拟合曲线获取第一风速范围；
9.s3、利用小波包算法对实时风速进行分解，对分解后的结果进行重构得到第二风速，将第二风速重复进行分解重构，当第二风速处于第一风速范围内时，使用当前第二风速计算得到第二功率；
10.s4、比较第一功率和第二功率的大小，若第二功率小于等于第一功率，则执行步骤s5；若第二功率大于第一功率，则执行步骤s6；
11.s5、将第四功率设置为第二功率的大小，执行步骤s8；
12.s6、判断风机是否失速，若风机失速，则执行步骤s7；若风机未失速，则执行步骤s5；
13.s7、若风机失速，则将第四功率设置为第三功率的大小，执行步骤s8；
14.s8、将第三功率输出至双馈风机变流器igbt模块。
15.进一步地，所述第一功率pm计算表达式如下：
16.pm＝0.5ρπr2v3c
p
(λ,β)
17.式中，ρ表示空气密度；r表示风轮半径；v表示风速；c
p
表示与桨距角β和叶尖速λ相关的风能利用系数。
18.进一步地，所述对实时风速进行分解的具体表达式如下：
[0019][0020][0021]
式中，表示分解的风速，h
0k
表示低频滤波器的系数，h
1k
表示高频滤波器的系数，wn表示实时角速度。
[0022]
进一步地，所述风速-结温拟合曲线建立步骤如下：
[0023]
获取不同风速下变流器的运行参数，根据开关损耗模型，计算出开关损耗和导通损耗；
[0024]
根据风机运行参数和igbt模块参数，结合开关损耗和导通损耗计算出不同风速下的结温；
[0025]
将所有结温和风速数据进行拟合，得到风速-结温拟合曲线。
[0026]
进一步地，重构后的第二风速ve计算表达式如下：
[0027][0028]
式中，表示对应的分解次数，h
k-2l
和g
k-2l
均表示风速幅值。
[0029]
进一步地，所述风机失速的判别表达式为：
[0030][0031]
式中，w表示当前的风机角速度，λ表示风机叶尖速，λ
stall
表示标准叶尖速。进一步地，所述第二功率pe的计算表达式如下：
[0032]
pe＝0.5ρπr2v
e3cp
(λ，β)
[0033]
式中，ρ表示空气密度；r表示风轮半径；ve表示第二风速；c
p
表示与桨距角β和叶尖速λ相关的风能利用系数。
[0034]
进一步地，所述第三功率po的计算表达式如下：
[0035]
po＝k
p
(ω-ωo) ki∫(ω-ωo) b
[0036][0037][0038]
式中，ω表示当前角速度，ωo表示额定角速度，r表示风轮半径，k
p
、ki分别表示比
例系数和积分系数；λ
opt
表示风机运行最优尖速比；分别表示风速平均值和标准方差，t表示一次采样周期。
[0039]
一种双馈风机变流器igbt热管理系统，其特征在于，包括依次连接的数据获取单元，第一处理单元，第二处理单元，第三处理单元，第四处理单元和第五处理单元：
[0040]
所述数据获取模块获取实时风速；
[0041]
所述第一处理模块根据所述实时风速，计算第一功率；
[0042]
所述第二处理模块根据不同风速下对应结温数据，建立风速-结温拟合曲线，并根据结温阈值范围，利用风速-结温拟合曲线获取第一风速范围；
[0043]
所述第三处理模块利用小波包算法对实时风速进行分解，对分解后的结果进行重构得到第二风速，将第二风速重复进行分解重构，当第二风速处于第一风速范围内时，使用当前第二风速计算得到第二功率；
[0044]
所述第四处理模块比较第一功率和第二功率的大小，若第二功率小于等于第一功率，则将第四功率设置为第二功率的大小；第二功率大于第一功率，判断风机是否失速：
[0045]
若风机失速，则将第四功率设置为第三功率的大小；
[0046]
若风机未失速，则将将第四功率设置为第二功率的大小；
[0047]
所述第五处理模块将第四模块中得到的第三功率输出至双馈风机变流器igbt 模块。
[0048]
一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的一种双馈风机变流器igbt热管理方法的步骤。
[0049]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0050]
1、本发明通过获取实时风速，建立风速-结温拟合曲线，并根据结温阈值范围设定第一风速范围，使用小波包算法对风速分解重构，并设定判断标准，根据判断结果选取不同的计算功率作为第四功率输出至igbt模块，现热管理，由于实时风速为稳定的数字变量，通过采集这一变量实现了确切的量化控制，提高了热管理的精确性。
[0051]
2、本发明在方法中使用了大量风机运行标准参数，并通过多层计算的方式输出功率，确保了数据的准确性和科学性。
附图说明
[0052]
图1为本发明的流程示意图。
[0053]
图2为本发明中涉及的foster热模型图。图3为未使用本管理方法的igbt结温曲线。图4为使用本管理方法后的igbt结温曲线。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0055]
本实施例提供了一种双馈风机变流器igbt热管理方法，包括以下步骤：
[0056]
步骤s1、通过风速检测装置获取实时风速，并计算第一功率，第一功率pm的计算表达式如下：
[0057]
pm＝0.5ρπr2v3c
p
(λ,β)
[0058]
式中，ρ表示空气密度；r表示风轮半径；v表示风速；c
p
表示与桨距角β和叶尖速λ相关的风能利用系数。
[0059]
步骤s2、根据不同风速下对应的结温数据，建立风速-结温拟合曲线，具体建立过程如下：
[0060]
首先设定不同风速并获取变流器运行的参数。其次，根据开关损耗模型，结合变流器运行参数和风速计算出开关损耗和导通损耗。并结合风机运行参数与igbt 模块数据手册参数，根据开关损耗和导通损耗建立foster热网络模型，如图2所示，其中，t
i1
、t
d1
分别表示igbt和二极管的结温；t
ic
、t
dc
分别表示igbt和二极管的壳温；th为散热器温度；ta为环境温度；z
ijc
、z
ich
分别为igbt的结-壳、壳-散热器热阻抗，z
djc
、z
dch
分别为二极管的结-壳和壳-散热器热阻抗，zh为散热器热阻抗，上述热阻抗参数均可从厂商提供的数据手册中获取。然后将开关损耗和导通损耗作为输入的激励信号，进而计算结温。最后建立风速-结温拟合曲线。
[0061]
得到风速-结温拟合曲线后，并根据设定的结温阈值范围，获取第一风速范围。
[0062]
步骤s3、利用小波包算法对实时风速进行分解，分解的具体表达式如下：
[0063][0064][0065]
式中，表示分解的风速，h
0k
表示低频滤波器的系数，h
1k
表示高频滤波器的系数，wn表示风机的实时角速度。
[0066]
得到分解后的风速后，进行重构，第二风速ve的具体表达式如下：
[0067][0068]
式中，表示对应的分解次数，h
k-2l
和g
k-2l
分别表示奇数次分解的风速幅值和偶数次分解的风速幅值。
[0069]
在对实时风速进行一次分解一次重构得到第二风速后，将第二风速与步骤s2 中得到的第一风速范围进行比较，若第二风速不处于第一风速范围内，则继续对第二风速进行小波包算法分解并重构，直至得到的第二风速处于第一风速范围内，则此时使用第二风速计算第二功率，计算表达式如下：
[0070]
pe＝0.5ρπr2ve3c
p
(λ，β) 式中，ρ表示空气密度；r表示风轮半径；ve表示第二风速；c
p
表示与桨距角β和叶尖速λ相关的风能利用系数。
[0071]
步骤s4、比较第一功率和第二功率的大小，若第二功率小于等于第一功率，则执行步骤s5。
[0072]
若第二功率大于第一功率，则执行步骤s6；
[0073]
步骤s5、将第四功率设置为第二功率的大小，并执行步骤s8；
[0074]
步骤s6、判断风机是否失速，当符合以下判定表达式时，则为失速：
[0075][0076]
式中，w表示当前的风机角速度，λ表示风机叶尖速，λ
stall
表示标准叶尖速，标准叶尖速通过厂商提供的数据手册中获取。
[0077]
若风机判定为失速，则执行步骤s7；若风机未失速，则执行步骤s5。
[0078]
步骤s7、将第四功率设置为第三功率的大小，，并执行步骤s8，第三功率的计算表达式如下：
[0079]
po＝k
p
(ω-ωo) ki∫(ω-ωo) b
[0080][0081][0082]
式中，ω表示当前角速度，ωo表示额定角速度，r表示风轮半径，k
p
、ki分别表示比例系数和积分系数；λ
opt
表示风机运行最优尖速比；分别表示风速平均值和标准方差，t表示一次采样周期。
[0083]
步骤s8、将第三功率输出至双馈风机变流器igbt模块。
[0084]
至此，本实施例提出的一种双馈风机变流器igbt热管理方法，适用于动态实时风速下小时间尺度内的结温管理理论方法，采用热网络模型，基于小波包算法设计，涵盖了风速，低频结温波动幅值、均值的治理。，结合限制结温波动阈值，对风速进行分解重构，在保障机组稳定运行的情况下，减小了igbt低频结温波动，延长了模块使用寿命。在使用本方法前后的变流器igbt模块的结温曲线分别如图 3和图4所示，可明显看出使用了本方法的结温曲线更缓和，波动更小。
[0085]
本实施例还提供了一种双馈风机变流器igbt热管理系统，包括依次连接的数据获取单元，第一处理单元，第二处理单元，第三处理单元，第四处理单元：
[0086]
数据获取模块获取实时风速；
[0087]
第一处理模块根据实时风速，计算第一功率；
[0088]
第二处理模块根据不同风速下对应结温数据，建立风速-结温拟合曲线，并根据结温阈值范围，利用风速-结温拟合曲线获取第一风速范围；
[0089]
第三处理模块利用小波包算法对实时风速进行分解，对分解后的结果进行重构得到第二风速，将第二风速重复进行分解重构，当第二风速处于第一风速范围内时，使用当前第二风速计算得到第二功率；
[0090]
第四处理模块比较第一功率和第二功率的大小，若第二功率较小，则将第四功率设置为第二功率的大小；
[0091]
第五处理模块将第四模块中得到的第三功率输出至双馈风机变流器igbt模块。
[0092]
若第一功率较小，判断风机是否失速：
[0093]
若风机失速，则将第四功率设置为第三功率的大小；
[0094]
若风机未失速，则将将第四功率设置为第二功率的大小。
[0095]
本实施例还提供了一种计算机存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现一种双馈风机变流器igbt热管理方法的步骤，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
[0096]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。