一种兼顾结温估计的光电变流器主动热控制方法

本技术涉及光电变流器的，尤其是涉及一种兼顾结温估计的光电变流器主动热控制方法。

背景技术：

1、为解决日益凸显的能源危机，以光电为代表的新能源并网比例逐渐增大，为保障新能源高效可靠并网，光电变流器被广泛应用于电力系统中，为电能高质高效转换提供了优良保障。

2、电力电子开关器件是光电变流器的核心部件，常用电力电子开关器件为igbt,igbt失效与否，直接关系到光电变流器的可靠运行；随着电力系统工况变得越来越复杂，igbt的发热情况也日渐恶化。

3、一方面，igbt结温过高时，芯片失效概率增加，性能也将有所下滑；另一方面，igbt结温会上下波动，造成芯片内部热应力失衡，这不仅直接影响到芯片工作性能，还会降低芯片寿命；因此，需要针对光电变流器中igbt进行结温估计，并在此基础上采取主动热控制策略，以提高igbt的寿命和可靠性。

4、主动热控制可以通过调节开关频率、改变直流母线电压、改变pwm调制方式、调节无功电流、限制负载电流幅值、改善驱动电路等方式实现。大多数主动热控制方式或响应时间较长，或实现难度较高，或难以达到缓解结温波动的目的，仅能降低损耗，对结温波动的控制效果十分有限，未能考虑出现由基频电流所引起的周期性最大热循环的问题,因此需要改进。

技术实现思路

1、为了降低由基频电流引起的周期性最大热循环，并在提高光电变流器的运行可靠性，保障光能的高效高质并网，本技术提供了一种兼顾结温估计的光电变流器主动热控制方法。

2、本技术的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种兼顾结温估计的光电变流器主动热控制方法，包括步骤：

4、建立具备mppt控制和虚拟同步控制的光电变流器，利用p-f控制和q-v控制，并经过dq变换实时计算得到变流器输出的有功功率p和无功功率q；

5、基于所述光电变流器，构建对应的功率损耗模型以获取光电逆变器中的igbt模块的功率损耗近似值；

6、基于所述光电逆变器中的igbt模块，构建对应的器件模型和热网络模型，在获取所述功率损耗近似值后对选定igbt模块进行结温估计，得到平均结温；

7、基于得到的所述平均结温，构建主动热控制器以对igbt模块进行自适应开关频率控制，结温过高时降低开关频率，结温过低时提升开关频率。

8、可选的，所述建立具备mppt控制和虚拟同步控制的光电变流器，利用p-f控制和q-v控制，并经过dq变换实时计算得到变流器输出的有功功率p和无功功率q，包括：

9、建议光伏电池p-u特性曲线；

10、基于mppt控制，根据光伏电池的输出的有功功率和端电压之间的关系适时调整参考电压，以使光伏电池保持最大输出功率运行；

11、模拟同步发电机的转动方程以及同步发电机的下垂特性，构建所述p-f控制和所述q-v控制。

12、可选的，所述功率损耗近似值的损耗类型包括igbt器件的导通损耗、二极管的导通损耗；导通损耗包括瞬时导通损耗和平均导通损耗，igbt器件的瞬时导通损耗和并联二极管的瞬时导通损耗数学表达式如下：

13、pcond(igbt)＝vceice  (6)

14、pcond(diode)＝vfif  (7)

15、其中，所述pcond(igbt)和所述pcond(diode)分别表示igbt器件和并联二极管的导通损耗，所述vce和所述vf分别为igbt器件和并联二极管的瞬时导通电压，所述ice和所述if分别为igbt器件和并联二极管的瞬时导通电流，igbt器件的平均导通损耗和并联二极管的平均导通损耗数学表达式如下：

16、

17、

18、其中，所述pavgcond(igbt)和所述pavgcond(diode)分别表示igbt器件和并联二极管的平均导通损耗，所述vce0和所述vf0分别为igbt器件和并联二极管的瞬时导通电压，所述icp和所述ifp分别为igbt器件和并联二极管的导通电流幅值，所述rce和所述rf分别为igbt器件和二极管的通态电阻，所述m为调制比。

19、可选的，所述功率损耗近似值的损耗类型还包括igbt器件的开关损耗和二极管的开关损耗，igbt器件的开关损耗和并联二极管的开关损耗用单个周期内的平均功率损耗表示，其数学表达式如下：

20、

21、

22、其中，fsw为开关频率，即导通的半周期内igbt器件开关次数，esw(on)p为igbt器件开通一次时造成的能量损耗，esw(off)p为igbt器件或并联二极管关断一次时造成的能量损耗，icp、ifp分别为igbt器件和并联二极管导通电流幅值，vdc为直流母线电压，icen、ifn分别为igbt器件和并联二极管额定导通电流，分别为igbt器件和并联二极管vcen、vfn为额定导通电压，kp、kq、kv为修正系数，具体数值根据器件数据手册确定。

23、可选的，所述构建对应的器件模型和热网络模型，在获取所述功率损耗近似值后对选定igbt模块进行结温估计，得到平均结温，包括：

24、获取壳温tc以及热阻对应的温差；

25、基于热网络模型，将各热阻对应的温差与壳温tc累加，即可求得结温tj。单一热阻抗对应温差表达式如下：

26、

27、其中，δti表示第i阶热阻抗上的温差，pi表示第i阶热阻抗的瞬时功率损耗，τi表示第i阶rc回路的时间常数，ri表示第i阶热阻抗对应的热阻；

28、将所获取的igbt器件的导通损耗和开关损耗、二极管的导通损耗和开关损耗相加得到igbt模块的功率损耗近似值，将igbt模块的功率损耗近似值代入表达式(5)，在测得壳温tc的条件下，依据热网络模型即可求得结温tj和平均结温tj(avg)，其数学表达式如下：

29、

30、

31、其中，pcond和pavgcond分别为对应igbt器件的瞬时导通损耗和平均导通损耗。

32、可选的，主动热控制器包括低通滤波器，所述基于得到的所述平均结温，构建主动热控制器以对igbt模块进行自适应开关频率控制，包括：

33、当判定igbt模块稳定运行时，获取该时期的平均结温tj(avg)为参考值以及通过低通滤波器获取对应的结温的测量值；定义结温波动幅值为：

34、δtj＝tj(avg)-tj             (10)

35、当δtj为大于0时，判定结温过低，提高开关频率；当δtj小于0时，判定结温过高，降低开关频率。

36、可选的，所述主动热控制器还包括滞回控制器，所述当δtj为大于0时，判定结温过低，提高开关频率；当δtj小于0时，判定结温过高，降低开关频率，包括：

37、当结温以上升沿或下降沿的形式经过某值时，发出指令以调节开关频率。

38、可选的，开关频率的取值视波动幅值δtj绝对值大小而定，绝对值越大，开关频率的变化量则越大。

39、本技术的上述发明目的二是通过以下技术方案得以实现的：

40、一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种兼顾结温估计的光电变流器主动热控制方法的步骤。

41、本技术的上述目的三是通过以下技术方案得以实现的：

42、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种兼顾结温估计的光电变流器主动热控制方法的步骤。

43、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

44、1.mppt控制、虚拟同步控制、结温估计、主动热控制与光电并网变流器电路模型形成了控制闭环，各模块间相互反馈；mppt控制保证变流器尽可能输出期望的最大有功功率，虚拟同步控制通过测量并网变流器输出侧三相电压、电流，计算有功、无功功率，进而依据p-f控制和p-f控制dq-abc变化输出电压信号波。功率损耗模型通过提取igbt器件的损耗参量，得出误差较小的结温值，且通过热网络模型将平均结温值反馈至器件模型和损耗模型中，进一步提高结温估计精度。获得近似结温后，主动热控制模型将根据获取的平均结温值调整载波频率，进而改变igbt器件的开关频率，从而实现对光电变流器的主动热控制，使变流器具备与同步电机相似的运行特性。最终在减小结温波动的同时对温升起到了抑制作用；降低了igbt期间内部基频电流引起的周期性最大热循环，实现了内部igbt器件寿命的延长和可靠性的提高。

45、2.虚拟同步机模型可以实现光电变流器的可靠并网。通过模拟同步发电机的定子、转子运动方程，变流器运行工况可近似于同步发电机，此时的变流器表现出惯性和阻尼特性，具备较为良好的并网能力；

46、3.虚拟同步型控制的p-f控制环节模拟同步发电机的转动方程，利用转动惯量j将电网侧输出有功功率p和电网频率f联系起来，使变流器在实现对有功功率p和电网频率f的控制的同时，具备一定的惯性。为进一步控制无功功率q和输出电压u，需利用同步发电机的下垂特性，下垂特性表征无功功率q和输出电压u之间的一次线性关系和相反的变化趋势，要建立二者间的线性关系，采用阻尼系数dq作为一次方程系数，从而在实现无功调压的同时，使变流器具备一定阻尼特性。

47、4.结温升高的本质在于器件工作过程中产生热功率损耗，功率损耗越高，结温爬升越高，因此，若要实现对结温波动的控制，则需要控制开关器件产生的功率损耗。igbt器件和二极管的开关损耗均与开关频率呈正比例关系，开关频率越高，开关损耗越高，因此，开关频率和结温是相关联的，随着开关频率升高，结温也将升高，反之，开关频率降低，结温也将降低。为了判断结温高低与否，需要为结温的高低判断设定一个参考值，当结温超过该参考值时，降低开关频率，当结温低于该参考值时，提高开关频率。

48、5.通过增设滞回控制器，防止开关频率切换过快。滞回控制器如图4所示，该图表现了δtj大于0时的控制思路，δtj小于0时的控制图则以点(0,fsw0)为对称点，和图4形成对称。当结温以上升沿或下降沿的形式经过某值时，再调节开关频率，可以减小开关频率变化对器件运行寿命的影响。