一種變流器IGBT模塊的結溫計算方法、裝置和變流器

本發明涉及變流器igbt結溫計算，尤其是涉及一種變流器igbt模塊的結溫計算方法、裝置和變流器。

背景技術：

1、隨著可再生能源在全球電力系統中的日益普及，電網穩定性所面臨的挑戰日漸增加。特別是風電和光伏發電系統，它們必須具備處理電網短路故障導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的整體穩定性及不間斷電力供應至關重要。在此背景下，變流器等功率電子設備中的關鍵組件，如絕緣柵雙極型晶體管(igbt)，在電網發生暫態故障期間，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激。暫態故障如短路故障會導致器件中的電流瞬間顯著增加，進而在短時間內產生大量熱能，從而影響其性能和壽命。

2、目前，結溫估算技術主要依靠等效熱網絡模型與有限元分析兩種方法。等效熱網絡模型由于計算速度快，易于實施，因此在工業應用中被廣泛采用。然而，此類模型主要針對穩態熱條件設計，對毫秒級暫態熱沖擊的傳導演化適用不夠，導致結溫的精確度有限，尤其在描述復雜的低電壓穿越事件時，對往復熱沖擊、熱傳導和熱損耗無法準確反映，影響了新型電力系統故障電壓穿越對變流器核心元件igbt溫度這一關鍵參量的掌控。與之相對的有限元方法，盡管能夠提供精確的溫度分布預測，但因計算量巨大，不適合用于在線監測或實時控制。因此，急需開發一種新型技術，能夠在短時間尺度內準確計算功率器件igbt在低電壓穿越期間的暫態結溫，以提高變流器的可靠性和電網的穩定性。此技術應能夠優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確的數據支持。

3、經過檢索，中國發明專利公開號cn113343447b公開了一種低電壓穿越工況下的igbt結溫估算方法、系統及介質，方法包括：將變流器的功率曲線以瞬態畸變功率持續時間tlvrt為時間粒度進行離散，將離散功率與igbt模塊各層的熱時間常數相匹配；通過連續化處理得到連續熱網表達；將離散功率與連續熱網表達進行匹配，得到重構熱網絡模型；基于重構熱網絡模型計算igbt模塊結溫。該現有專利存在未明確指出如何根據實時變化的環境條件動態更新熱網參數，限制了方法在多變工況下的應用效果的問題。

4、如何實現變流igbt功率芯片暫態結溫的快速準確計算，成為需要解決的技術問題。

技術實現思路

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

2、本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

3、根據本發明的一個方面，提供了一種變流器igbt模塊的結溫計算方法，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參數數據集；

6、步驟s3：獲取實時電壓電流數據，并根據步驟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建立的熱網參數代入熱網模型，并更新熱網模型參數；

8、步驟s5：利用更新后的熱網模型參數，對步驟s3獲取的實時電壓電流數據與損耗數據，計算低電壓穿越期間igbt模塊結溫。

9、優選地，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通態損耗和igbt開關損耗，二極管的損耗包括二極管通態損耗和二極管反向恢復損耗；

10、所述igbt通態損耗的計算公式為：

11、

12、

13、其中，vce(sat)為igbt的飽和電壓降；it為t時刻對應的通態電流；ri為igbt的通態電阻；d(t)為導通占空比式中，+和-分別對應整流和逆變模式；m為調制度；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的開通損耗和關斷損耗；

17、二極管通態損耗pcon_diode和開關損耗psw_diode的計算公式分別為：

18、

19、其中，vf0為pn結電壓；if為二極管正向通態電流的有效值；rf為斜率電阻；fsw為igbt的開關頻率；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損耗；vdc為直流母線電壓；m為調制比；cosα為變流器的輸出功率因數。

20、更加優選地，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，pcon_igbt為igbt通態損耗，psw_igbt為igbt開關損耗，pcon_diode為二極管通態損耗，psw_diode為二極管關斷損耗。

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：根據傳熱有限元理論，迭代熱傳導有限元方程、電場方程和熱應力的有限元方程，求解多場耦合結果，其中多場為熱傳導、電傳導和熱應力；

28、步驟s23：對整個三維幾何模型模型進行網格劃分，創建有限元網格并設置邊界條件；

29、步驟s24：注入不同電壓跌落程度下的實時畸變功率損耗，進行瞬態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的瞬態熱阻抗數據；

30、步驟s25：對瞬態熱阻抗數據進行擬合，得到與不同電壓跌落程度相對應的熱阻和熱容參數的數據集合。

31、更加優選地，得到與不同電壓跌落程度相對應的所述瞬態熱阻抗數據具體為：

32、在熱網絡中，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的瞬態熱阻抗曲線集合。

36、優選地所述的步驟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據，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為一個周期內電壓的有效值。

41、優選地所述的更新熱網模型參數包括：

42、步驟s41，定義熱網模型的輸入與輸出，其中輸入參數包括電壓跌落度、環境溫度和流經igbt的電流，輸出參數包括熱網模型更新后的熱阻和熱容；

43、步驟s42，更新熱網模型參數：根據輸入參數，從已有數據中匹配熱網模型參數，并代入熱網模型來更新熱網模型中的相關參數。

44、優選地所述計算低電壓穿越期間igbt模塊結溫具體為：

45、低電壓穿越期間小時間尺度igbt模塊結溫的計算模型：

46、

47、

48、式中，tj_igbt(t+tlvrt)表示一整個時間尺度igbt的結溫，tj_diode(t+tlvrt)表示一整個時間尺度二極管的結溫，tlvrt為故障電壓持續時間；tc表示環境溫度；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層熱網熱阻、rj表示更新后第j層熱網熱阻。

49、根據本發明的另一個方面，提供了一種變流器igbt模塊的結溫計算裝置，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的損耗包括通態損耗和開關損耗，二極管的損耗包括通態損耗和反向恢復損耗；

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參數數據集；

52、第三處理單元(103)，用于獲取實時電壓電流數據，并根據第一單元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)，用于將熱網參數代入熱網模型，并更新熱網模型參數；

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

55、根據本發明的第三方面，提供了一種變流器，所述變流器采用所述的結溫快速計算方法進行結溫估算。

56、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

57、1)本發明根據采集的實時電壓電流數據、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參數數據集更新熱網模型參數，基于更新的熱網模型參數計算暫態工況小時間尺度igbt模塊結溫，實現快速、精確的igbt模塊結溫檢測，從而為制定有效抑制變流器結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溫依據。

58、2)本發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參數數據集，因此不受電壓跌落程度的影響，能夠適應不同程度的電壓跌落，這種適應性提高了方法在變化多端的實際電網條件下的可靠性和計算效果。

59、3)本發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果相當，在計算速度上遠超有限元方法，與等效熱網絡的計算速度在一個數量級，達到了計算速度和精度的雙提升。