一种无功功率配给方法及其验证方法技术

本发明专利技术公开了一种无功功率配给方法及其验证方法，该方法主要在微电网系统控制层面进行，在PQ控制基础上重构视在功率曲线，降低视在功率的低频波动幅值。在视在功率曲线重构过程中，采用包络检波以及无功配给算法，结温表达过程中采用电热耦合模型，寿命预测过程中则涉及雨流计数法、Lesit寿命预测模型以及线性累加方法；该算法可在微电网系统层面重构视在功率曲线，具有降低视在功率波动、减少器件损伤度、提高微电网运行可靠性的特点。验证时首先获取视在功率重构前后变流器的运行信息，将其输入结温模型得到结温信息，再根据结温信息进行寿命预测，最终得到该算法对于微电网运行可靠性的影响。可靠性的影响。可靠性的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种无功功率配给方法及其验证方法


[0001]本专利技术属于电力电子技术
，具体涉及一种无功功率配给方法及其验证方法。

技术介绍

[0002]独立微电网作为整合分布式电源、为局部区域提供电力供应的重要方式，大量应用于舰船、卫星以及重大设备的供电场合。在独立微电网的运行过程中，关键变流器会因微源和负荷的随机变化，承受长期复杂的功率波动，功率波动引起的热循环也会导致半导体器件内部产生热应力疲劳，长期积累导致器件损坏，进而影响变流器的正常工作。针对减缓半导体器件热应力波动，提高系统运行可靠性的问题，主要方法分为器件级热应力控制和变流器级热应力控制两种。
[0003]在器件级热应力控制方面，主要通过改变半导体的开关频率、调制方式或驱动波形以降低热损伤，但实现过程控制牵扯电力电子变流器软硬件滤波、驱动电路及EMI抑制多个环节的调整，故该方法具有风险高、实现过程复杂、应用难度大等缺点。在变流器级热应力控制方面，主要针对多端口变流器，通过评估其个端口的热应力风险或寿命周期，将高风险端口功率向低风险端口转移。该方法实现过程仅针对多端口变流器，并且主要是对其进行功率再分配、再平衡，并未对其整体输出功率的波动形态做出实质性改变，故功率器件的结温深度循环依然存在。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种无功功率配给方法及其验证方法，避免了采用器件级热应力控制的高风险与实现复杂等问题，同时也克服了多端口变流器热应力控制难以改变输出功率波动形态的问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术所述一种无功功率配给方法及其验证方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，设定有功功率给定和无功功率给定，根据有功功率给定和无功功率给定得到视在功率给定，其中有功功率给定为低频正弦波动量，无功功率给定为恒定量；
[0007]步骤2，将视在功率进行视在功率包络，得到包络后的视在功率；
[0008]步骤3，根据包络后的视在功率进行无功配给计算，得到无功功率配给量。
[0009]进一步的，步骤2中，视在功率包络包括以下步骤：
[0010]将包络检波电路中的受控电压源以给定视在功率为输入信号，包络检波电路输出端的功率即为包络后的视在功率；
[0011]所述包络检波电路包括二极管VD，第一端连接受控电压源正极，第二端与电阻器R
f1
的第一端以及电容器C
f1
的第一端连接，电容器C
f2
的第二端连接受控电压源负极、电阻器R
f2
的第二端电容器C
f1
的第二端连接，电阻器R
f1
的第二端与电容器C
f2
的第一端以及电阻器R
f2
的第一端连接；电阻器R
f2
的第一端和第二端为包络检波电路的输出端。
[0012]进一步的，对于给定视在功率曲线S
AM
(t)＝S
CM
(1+m
a cosΩt)cosω
c
t，所述RC电路的等效RC值满足下式：
[0013][0014]其中，S
CM
为载波幅值，m
a
为调幅系数，Ω为低频信号角频率，ω
c
为高频载波信号角频率。
[0015]进一步的，包括以下步骤：
[0016]S1，将包络前视在功率中的有功功率和无功功率成分作为第一PQ控制环路的给定量，保持包络前有功功率给定不变，将包络后的无功配给量与原无功功率成分相加后作为第二PQ控制环路的给定量，运行第一PQ控制环路和第二PQ控制环路；
[0017]S2，采集变流器运行中功率开关管的集电极电流、占空比、结温以及开关频率，采集功率开关管的体二极管流过电流、占空比及二极管温度；根据功率开关管的集电极电流、占空比、结温以及开关频率计算功率开关管的总损耗，根据功率开关管的体二极管流过电流、占空比及二极管温度计算体二极管的总损耗；
[0018]S3，根据功率开关管的总损耗和体二极管的总损耗，采用电热耦合方法得到功率开关管和体二极管的结温数据；
[0019]S4，根据功率开关管和体二极管的结温数据计算关于结温均值T
m
和结温波动幅值ΔT的载荷数据；
[0020]S5，将载荷数据代入寿命预测模型，经累加后得到功率器件的损伤度；
[0021]S6，对比第一PQ控制环路和第二PQ控制环路运行下功率器件的损伤度，验证视在功率包络及无功配给算法对微电网运行可靠性的影响。
[0022]进一步的，S2包括以下步骤：
[0023]S2.1，采集变流器运行过程中的数据，该数据包括IGBT的集电极电流、占空比、结温及开关频率，同时采集IGBT的体二极管FWD流过电流、占空比及二极管温度；
[0024]S2.2，将S2.1采集到的变流器运行过程中的数据代入功率损耗模型，计算IGBT通态损耗、IGBT开通损耗、IGBT关断损耗、FWD通态损耗和FWD关断损耗；
[0025]S2.3，根据IGBT通态损耗、IGBT开通损耗和IGBT关断损耗计算IGBT损耗总和，根据FWD通态损耗和FWD关断损耗计算FWD损耗总和；
[0026]S2.4，建立考虑散热器热阻抗在内的功率开关管的热网络模型，将IGBT损耗总和FWD损耗总和等效为电压源注入热网络模型，得到结温数据；
[0027]步骤S2.5，将结温数据迭代至功率损耗模型，更新IGBT通态损耗、IGBT开通损耗、IGBT关断损耗、FWD通态损耗和FWD关断损耗，电热模型相互耦合，直至结温数据趋于稳定。
[0028]进一步的，S2.2中，
[0029]IGBT通态损耗P
vt.con
计算公式为：
[0030]P
vt.con
＝I
c
(t)[U
ce0_25℃
+K
v_vt
(T
j
‑
25)]δ(t)+I
c2
(t)[r
ce_25℃
+K
r_vt
(T
j
‑
25)]δ(t)；
[0031]其中，I
C
(t)为IGBT集电极电流关于时间t的函数，U
ce0_25℃
为IGBT在25℃时对应初始饱和压降，r
ce_25℃
为IGBT在25℃时对应的导通电阻，δ(t)为占空比关于时间t函数，K
v
‑
vt
和K
r
‑
vt
为IGBT初始饱和压降与导通电阻的温度系数，T
j
为IGBT结温；
[0032]IGBT开通损耗P
sw_Tr_on
计算公式为：
[0033][0034]IGBT关断损耗P
sw_Tr_off
计算公式为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无功功率配给方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设定有功功率给定和无功功率给定，根据有功功率给定和无功功率给定得到视在功率给定，其中有功功率给定为低频正弦波动量，无功功率给定为恒定量；步骤2，将视在功率进行视在功率包络，得到包络后的视在功率；步骤3，根据包络后的视在功率进行无功配给计算，得到无功功率配给量。2.根据权利要求1所述的一种无功功率配给方法，其特征在于，所述步骤2中，视在功率包络包括以下步骤：将包络检波电路中的受控电压源以给定视在功率为输入信号，包络检波电路输出端的功率即为包络后的视在功率；所述包络检波电路包括二极管VD，第一端连接受控电压源正极，第二端与电阻器R
f1
的第一端以及电容器C
f1
的第一端连接，电容器C
f2
的第二端连接受控电压源负极、电阻器R
f2
的第二端电容器C
f1
的第二端连接，电阻器R
f1
的第二端与电容器C
f2
的第一端以及电阻器R
f2
的第一端连接；电阻器R
f2
的第一端和第二端为包络检波电路的输出端。3.根据权利要求1所述的一种无功功率配给方法，其特征在于，对于给定视在功率曲线S
AM
(t)＝S
CM
(1+m
a
cosΩt)cosω
c
t，所述RC电路的等效RC值满足下式：其中，S
CM
为载波幅值，m
a
为调幅系数，Ω为低频信号角频率，ω
c
为高频载波信号角频率。4.权利要求1所述的一种无功功率配给方法的验证方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将包络前视在功率中的有功功率和无功功率成分作为第一PQ控制环路的给定量，保持包络前有功功率给定不变，将包络后的无功配给量与原无功功率成分相加后作为第二PQ控制环路的给定量，运行第一PQ控制环路和第二PQ控制环路；S2，采集变流器运行中功率开关管的集电极电流、占空比、结温以及开关频率，采集功率开关管的体二极管流过电流、占空比及二极管温度；根据功率开关管的集电极电流、占空比、结温以及开关频率计算功率开关管的总损耗，根据功率开关管的体二极管流过电流、占空比及二极管温度计算体二极管的总损耗；S3，根据功率开关管的总损耗和体二极管的总损耗，采用电热耦合方法得到功率开关管和体二极管的结温数据；S4，根据功率开关管和体二极管的结温数据计算关于结温均值T
m
和结温波动幅值ΔT的载荷数据；S5，将载荷数据代入寿命预测模型，经累加后得到功率器件的损伤度；S6，对比第一PQ控制环路和第二PQ控制环路运行下功率器件的损伤度，验证视在功率包络及无功配给算法对微电网运行可靠性的影响。5.根据权利要求4所述的一种无功功率配给方法的验证方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：S2.1，采集变流器运行过程中的数据，该数据包括IGBT的集电极电流、占空比、结温及开关频率，同时采集IGBT的体二极管FWD流过电流、占空比及二极管温度；S2.2，将S2.1采集到的变流器运行过程中的数据代入功率损耗模型，计算IGBT通态损
耗、IGBT开通损耗、IGBT关断损耗、FWD通态损耗和FWD关断损耗；S2.3，根据IGBT通态损耗、IGBT开通损耗和IGBT关断损耗计算IGBT损耗总和，根据FWD通态损耗和FWD关断损耗计算FWD损耗总和；S2.4，建立考虑散热器热阻抗在内的功率开关管的热网络模型，将IGBT损耗总和FWD损耗总和等效为电压源注入热网络模型，得到结温数据；步骤S2.5，将结温数据迭代至功率损耗模型，更新IGBT通态损耗、IGBT开通损耗、IGBT关断损耗、FWD通态损耗和FWD关断损耗，电热模型相互耦合，直至结温数据趋于稳定。6.根据权利要求4所述的一种无功功率配给方法的验证方法，其特征在于，所述S2.2中，IGBT通态损耗P
vt.con
计算公式为：P
vt.con
＝I
c
(t)[U
ce0_25℃
+K
v_vt
(T
j
‑
25)]δ(t)+I
c2
(t)[r
ce_2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宝泉，李昊轩，张浩铭，韩猛，刘艺，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：