CN110826170A - 一种电力电子变流器功率器件损耗实时计算*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子变流器技术领域,提出了一种电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,基于RTDS实时仿真装置,利用RSCAD仿真软件,构建电力电子变流器实时仿真模型和功率器件损耗计算模型,电力电子变流器实时仿真模型接入实际控制器形成电力电子变流器‑RTDS硬件在环仿真***,模拟现场实际运行工况,将功率器件损耗计算所需的电压、电流信息输出至功率器件损耗计算模型,形成电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,实现结合动态控制信息的功率器件损耗精确计算,从而优化电力电子变流器散热***设计,提高产品寿命与可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变流器技术领域,涉及一种基于RTDS(Real Time DigitalSimulator,实时数字仿真器)的电力电子变流器功率器件损耗实时计算***。
背景技术
电力电子变流器是由功率器件、控制回路以及电抗器、电容器等辅助元件构成的电能变换***,通常有交-直变换、直-交变换、交-交变换、交-直-交变换等几种形式,由于能够实现灵活多样的电能变换,在电力、能源、化工、石油、交通等行业有着广泛的应用。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,以下简称IGBT)及其反并联二极管是电力电子变流器最常用的功率器件。作为电力电子变流器的核心元件,功率器件的性能和寿命直接决定了整个电力电子变流器的性能和寿命。功率器件在工作过程中由于损耗而产生的热量直接影响到整个装置温度,而功率器件所在环境的温度又和功率器件损耗有着密切的关系。研究表明,在电力电子变流器运行过程中,随着温度的升高,功率器件失效率又呈指数增长的趋势。因此,对电力电子变流器功率器件损耗进行精确计算从而合理设计散热***是非常有必要的。
目前电力电子变流器功率器件损耗计算通常针对特定拓扑、特定算法采用离线计算方式,如中国专利文献公开号为CN104615842A,公开日为2015年5月13日,发明名称为一种全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法,该方法涉及的全桥型模块化多电平换流器由六只桥臂组成,每两只桥臂串联形成一个相单元,每只桥臂由全桥型级联子模块和桥臂电抗器串联组成,子模块包括若干绝缘栅双极型晶闸管及续流二极管以及电容,每只绝缘栅双极型晶闸管与续流二极管反向并联构成开关器件支路,每两个开关器件支路级联并与电容并联,功率器件损耗计算方法包括以下步骤:1)获得桥臂电流、当前环境工作温度t及每个功率模块中绝缘栅双极型晶闸管的栅极电压及通态损耗和二极管的通态损耗;2)根据功率器件开关损耗曲线进行高次曲线拟合,计算出各个绝缘栅双极型晶闸管和二极管的开关损耗。但是该方法仅面向特定拓扑结构的电力电子变流器,缺乏通用性,同时计算过程中无法动态结合控制信息,不能准确反映不同控制策略下功率器件的损耗。
鉴于上述技术方案的缺陷,因此需要进一步研究新的方案以便于对电力电子变流器功率器件进行实时计算。
发明内容
本发明的目的是提出一种电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,基于RTDS(Real Time Digital Simulator)实时仿真器,利用RSCAD仿真软件,构建电力电子变流器实时仿真模型和功率器件损耗计算模型,电力电子变流器实时仿真模型接入实际控制器形成电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***,模拟现场实际运行工况,将功率器件损耗计算所需的电压、电流信息输出至功率器件损耗计算模块,形成电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,实现结合动态控制信息的功率器件损耗精确计算。
为此,本发明采取如下技术方案:
首先,在RTDS实时仿真器上,利用RSCAD仿真软件,根据电力电子变流器实际拓扑结构,构建电力电子变流器实时仿真模型;
其次,通过RTDS实时仿真器的IO接口,将电力电子变流器实时仿真模型和电力电子变流器实际控制器连接起来,形成电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***,对电力电子变流器现场实际运行工况进行实时模拟仿真,生成功率器件损耗计算所需的电压、电流信息;
然后,在RTDS实时仿真器,利用RSCAD仿真软件,建立IGBT导通损耗计算模块、IGBT开关损耗计算模块、二极管导通损耗计算模块、二极管开关损耗计算模块以及结温计算模块,利用电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***产生的电压、电流信息,形成电力电子变流器功率器件损耗计算***,实现功率器件损耗的精确计算。
所述电力电子变流器实时仿真模型至少包括:由功率器件组成的变流器主回路仿真模型、滤波电感仿真模型、电源仿真模型以及负荷仿真模型等。
所述电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***,是指利用RTDS实时仿真器丰富的I/O接口,将电力电子变流器实时仿真模型与电力电子变流器实际控制器连接起来,模拟电力电子变流器现场运行实际工况,仿真得出功率器件电压、电流信息,至少包括:IGBT集电极电流IC、IGBT集电极与发射极端电压VT,二极管正向电流IF、二极管阴极与阳极端电压VD等。
所述IGBT导通损耗计算模块,形成过程为:以电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***给出的IGBT集电极电流IC为输入量,根据产品手册中两条典型的IGBT输出特性VCE=gT1(IC)和VCE=gT2(IC)计算得到两个典型结温下的饱和压降VCE1和VCE2;再以IGBT结温计算模块给出的TJT为输入量,对VCE1和VCE2进行线性插值得到当前结温下的饱和压降VCE;取VCE和IC的乘积即可得到IGBT导通损耗PCONT。
所述二极管导通损耗计算模块,形成过程为:以电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***给出的二极管正向电流IF为输入量,根据产品手册中两条典型的二极管正向特性VF=gD1(IF)和VF=gD2(IF)计算得到两个典型结温下的正向压降VF1和VF2;再以二极管结温计算模块给出的TJD为输入量,对VF1和VF2进行线性插值得到当前结温下的正向压降VF;取VF和IF的乘积即可得到二极管导通损耗PCOND。
所述IGBT开关损耗计算模块,形成过程为:实时监测来自电力电子变流器实际控制器的IGBT驱动信号,在其上升沿时锁存电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***输出的IGBT集电极与发射极端电压VT,在其下降沿时锁存电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***输出的IGBT集电极电流IC;以锁存量IC为输入量,根据产品手册中典型的IGBT开通特性EON=fT1(IC)和关断特性EOFF=fT2(IC),计算得到典型结温TJT1、电压VT1条件下的开通损耗EON1和关断损耗EOFF1;再以IGBT结温计算模块给出的TJT以及锁存量VT为输入量,计算得到当前工况下的开通损耗EON和关断损耗EOFF,取开通损耗EON和关断损耗EOFF之和即为IGBT开关损耗PSWT。计算公式为:
其中,T为N次计算所对应的时间周期,KVT和TSWT分别为产品手册中IGBT电压折算系数和结温折算系数。
所述二极管开关损耗计算模块,形成过程为:实时监测电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***给出的二极管正向电流IF、二极管阴极与阳极端电压VD,在正向电流IF稳定趋近于零时锁存端电压VD,在端电压VD为负值时锁存正向电流IF;以锁存量IF为输入量,根据产品手册中典型的二极管反向恢复特性EERR=fD(IF),计算得到典型结温TJD1、电压VD1条件下的反向恢复损耗EERR1;再以二极管结温计算模块给出的TJD以及锁存量VD为输入量,计算得到当前工况下的反向恢复损耗EERR,从而得到二极管开关损耗PSWD。计算公式为:
其中,T为N次计算所对应的时间周期,KVD和TSWD分别为产品手册中二极管电压折算系数和结温折算系数。
所述结温计算模块,使用电压源、电流源、电阻以及电容网络来表示,形成过程为:根据产品手册提取出IGBT、二极管以及散热***的阻容网络模块参数,以给定的环境温度Ta为电压源基准值,以同一散热***中所有IGBT和二极管的总损耗为电流源参数值输入至散热***阻容网络,以单个IGBT总损耗为电流源参数值输入至IGBT阻容网络得到每个IGBT的当前结温TJT,以单个二极管总损耗为电流源参数值输入至二极管阻容网络得到每个二极管的当前结温TJD。
本发明的有益效果如下:
本发明基于RTDS实时仿真***,利用RSCAD仿真软件,构建电力电子变流器实时仿真模型与功率器件损耗计算模块,结合电力电子变流器的实际控制器,形成电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,可以实现结合动态控制信息的功率器件损耗精确计算,从而优化电力电子变流器散热***设计,提高产品寿命与可靠性。
附图说明
图1为本发明的架构示意图。
图2为本发明IGBT导通损耗计算模块的示意图。
图3为本发明IGBT开关损耗计算模块的示意图。
图4为本发明二极管导通损耗计算模块的示意图。
图5为本发明二极管开关损耗计算模块的示意图。
图6为本发明结温计算模块的示意图。
具体实施方式
参见图1所示,本发明提出的电力电子变流器功率器件损耗计算***,是基于RTDS实时仿真器,利用RSCAD仿真软件,根据电力电子变流器实际拓扑结构,构建包括由功率器件组成的变流器主回路、滤波电感、电源以及负荷等在内的电力电子变流器实时仿真模型,根据功率器件产品手册信息,构建包括IGBT导通损耗计算模块、IGBT开关损耗计算模块、二极管导通损耗计算模块、二极管开关损耗计算模块以及结温计算模块等在内的电力电子变流器功率器件损耗计算模块。本发明利用RTDS实时仿真***的高速数字量输入接口(GTDI)、高速数字量输出接口(GTDO)、高速模拟量输入接口(GTAI)以及高速模拟量输出接口(GTAO)等IO接口,将电力电子变流器实时仿真模型和电力电子变流器实际控制器连接起来,形成电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***,对电力电子变流器现场实际运行工况进行实时模拟仿真,生成能够反映IGBT及其反并联二极管真实运行情况的电压、电流信息,包括IGBT集电极电流IC、IGBT集电极与发射极端电压VT,二极管正向电流IF、二极管阴极与阳极端电压VD等。电力电子变流器功率器件损耗计算模块根据上述电压、电流信息,分别进行IGBT导通损耗PCONT计算、IGBT开关损耗PSWT计算、二极管导通损耗PCOND计算、二极管开关损耗PSWD计算以及IGBT结温TJT和二极管结温TJD计算,从而得出功率器件损耗值。
参见图2所示,本发明构建的IGBT导通损耗计算模块,以电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***输出的IGBT集电极电流IC为输入量,根据产品手册中的典型结温TJT1(最低工作结温,通常取25℃)和TJT2(最高工作结温,通常取125℃/150℃/175℃)下的IGBT输出特性VCE=gT1(IC)和VCE=gT2(IC),计算得到典型结温下的饱和压降VCE1和VCE2,再以结温计算模块输出的IGBT当前结温TJT对VCE1和VCE2进行线性插值计算得到结温TJT下的饱和压降VCE,取饱和压降VCE和集电极电流IC的乘积即为IGBT导通损耗PCONT。
参见图3所示,本发明构建的IGBT开关损耗计算模块,根据产品手册提取出在结温为TJT1、电压为VT1的典型测试条件下的开通特性EON=fT1(IC)和关断特性EOFF=fT2(IC)以及IGBT电压折算系数KVT和结温折算系数TSWT;实时监测来自电力电子变流器实际控制器的IGBT驱动信号,在其上升沿时锁存电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***输出的IGBT集电极与发射极端电压VT,在其下降沿时锁存电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***输出的IGBT集电极电流IC;以所存量IC为输入,由EON=fT1(IC)和EOFF=fT2(IC)计算得到结温为TJT1、电压为VT1条件下的开通损耗EON1和关断损耗EOFF1;再根据锁存量VT、电压折算系数KVT、结温折算系数TSWT以及结温计算模块输出的IGBT当前结温TJT对开通损耗EON1和关断损耗EOFF1进行折算从而得到当前电压VT、当前结温TJT下的开通损耗EON和关断损耗EOFF,进行得到IGBT开关损耗PSWT,计算式为
其中,T为N次计算所对应的时间周期,N≥1。
参见图4所示,本发明构建的二极管导通损耗计算模块,以电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***输出的二极管正向电流IF为输入量,根据产品手册中的两条典型结温TJD1(最低工作结温,通常取25℃)和TJD2(最高工作结温,通常取125℃/150℃/175℃)下的二极管正向特性VF=gD1(IC)和VF=gD2(IC),计算得到典型结温下的正向压降VF1和VF2,再以结温计算模块输出的二极管结温TJD对VF1和VF2进行线性插值计算得到结温TJD下的正向压降VF,取正向压降VF和正向电流IF的乘积即为二极管导通损耗PconD。
参见图5所示,本发明构建的二极管开关损耗计算模块,根据产品手册提取出在结温为TJD1、电压为VD1的典型测试条件下的反向恢复特性EERR=fD(IF)以及二极管电压折算系数KVD和结温折算系数TSWD;实时监测电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***给出的二极管正向电流IF、二极管阴极与阳极端电压VD,在正向电流IF稳定趋近于零时锁存端电压VD,在端电压VD为负值时锁存正向电流IF;以锁存量IF为输入,由EERR=fD(IF)计算得到结温为TJD1、电压为VD1条件下的反向恢复损耗EERR1;再根据锁存量VD、电压折算系数KVD、结温折算系数TSWD以及结温计算模块输出的IGBT当前结温TJD对反向恢复损耗EERR1进行折算从而得到当前电压VD、当前结温TJD下的反向恢复损耗EERR,进行得到二极管开关损耗PSWD,计算式为
其中,T为N次计算所对应的时间周期。
参见图6所示,本发明构建的结温计算模块,由电压源、电流源、电阻以及电容来表示,根据产品手册分别提取出IGBT、二极管以及散热***的阻容网络模型参数(RT1,RT2,RT3,RT4,CT1,CT2,CT3,CT4)、(RD1,RD2,RD3,RD4,CD1,CD2,CD3,CD4)以及(Rh,Ch),以给定的环境温度Ta为电压源基准值,将所有IGBT和二极管的总损耗∑(PT+PD)作为电流源参数值输入至散热***阻容网络(Rh,Ch)后计算得到散热***与功率器件接触面温度TS;将单个IGBT总损耗PT作为电流源参数值输入至IGBT阻容网络(RT1,RT2,RT3,RT4,CT1,CT2,CT3,CT4)即可得到每个IGBT的结温TJT;将单个二极管总损耗PD作为电流源参数值输入至二极管阻容网络(RD1,RD2,RD3,RD4,CD1,CD2,CD3,CD4)即可得到每个二极管的结温TJD。
Claims (5)
1.一种电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,其特征在于:
步骤1,在RTDS实时仿真器上,利用RSCAD仿真软件,根据电力电子变流器实际拓扑结构,构建电力电子变流器实时仿真模型;
步骤2,通过RTDS实时仿真器的IO接口,将构建得到的电力电子变流器实时仿真模型和电力电子变流器实际控制器连接起来,形成电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***;电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***用于对电力电子变流器现场实际运行工况进行实时模拟仿真,生成电力电子变流器功率器件损耗计算所需的电压、电流信息,生成的电压、电流信息至少包括:IGBT集电极电流IC、IGBT集电极与发射极端电压VT,二极管正向电流IF、二极管阴极与阳极端电压VD;
步骤3,在RTDS实时仿真器,利用RSCAD仿真软件,建立IGBT导通损耗计算模块、IGBT开关损耗计算模块、二极管导通损耗计算模块、二极管开关损耗计算模块以及结温计算模块,配合步骤(2)生成的电压、电流信息,形成电力电子变流器功率器件损耗计算***,分别得出IGBT导通损耗PCONT、IGBT开关损耗PSWT、二极管导通损耗PCOND、二极管开关损耗PSWD,实现功率器件损耗的精确计算。
2.根据权利要求1所述的于RTDS的电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,其特征在于:步骤(3)中所述IGBT导通损耗计算模块,以电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***输出的IGBT集电极电流IC为输入,由电力电子变流器功率器件产品手册中的IGBT输出特性VCE=gT1(IC)和VCE=gT2(IC)计算得到典型结温TJT1和TJT2下的饱和压降VCE1和VCE2;再以结温计算模块的IGBT当前结温TJT为输入,对VCE1和VCE2进行线性插值得到当前结温下的饱和压降VCE;取VCE和IC的乘积即为IGBT导通损耗PCONT。
3.根据权利要求1所述的基于RTDS的电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,其特征在于:步骤(3)中所述IGBT开关损耗计算模块,实时监测电力电子变流器实际控制器输出的IGBT驱动信号,在IGBT驱动信号上升沿时锁存IGBT集电极与发射极端电压VT,在IGBT驱动信号下降沿时锁存IGBT集电极电流IC;以锁存的IGBT集电极电流IC为输入,由功率器件产品手册中的IGBT开通特性EON=fT1(IC)和关断特性EOFF=fT2(IC),计算得到结温为TJT1、电压为VT1的典型测试条件下的开通损耗EON1和关断损耗EOFF1;再以锁存的IGBT集电极与发射极端电压VT和结温计算模块给出的IGBT当前结温TJT为输入进行折算,得到当前工况下的开通损耗EON和关断损耗EOFF,折算公式为:
从而得到IGBT开关损耗PSWT,计算公式为:
其中,T为N次计算所对应的时间周期,N≥1,KVT为电力电子变流器功率器件产品手册中的IGBT电压折算系数,TSWT为电力电子变流器功率器件产品手册中的结温折算系数。
4.根据权利要求1所述的基于RTDS的电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,其特征在于:所述二极管导通损耗计算模块,以电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***给出的二极管正向电流IF为输入,由电力电子变流器功率器件产品手册中的二极管正向特性VF=gD1(IF)和VF=gD2(IF)计算得到典型结温TJD1和TJD2下的正向压降VF1和VF2;再以结温计算模块给出的二极管当前结温TJD为输入,对VF1和VF2进行线性插值得到当前结温下的正向压降VF;取VF和IF的乘积即为二极管导通损耗PCOND。
5.根据权利要求1所述的基于RTDS的电力电子变流器功率器件损耗实时计算***,其特征在于:所述二极管开关损耗计算模块,实时监测电力电子变流器-RTDS硬件在环仿真***给出的二极管正向电流IF、二极管阴极与阳极端电压VD,在正向电流IF稳定趋近于零时锁存的端电压VD,在端电压VD为负值时锁存正向电流IF;以锁存的正向电流IF为输入,由电力电子变流器功率器件产品手册中的二极管反向恢复特性EERR=fD(IF),计算得到结温为TJD1、电压为VD1的典型测试条件下的反向恢复损耗EERR1;再以锁存的端电压VD和结温计算模块给出的二极管当前结温TJD为输入进行折算,得到当前工况下的反向恢复损耗EERR,折算公式为:
从而得到二极管开关损耗PSWD,计算公式为:
其中,T为N次计算所对应的时间周期,KVD为电力电子变流器功率器件产品手册中的二极管电压折算系数,TSWD为电力电子变流器功率器件产品手册中的结温折算系数。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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