一種用於大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計方法與流程
2023-05-10 00:40:22
本發明涉及電力電子技術領域大功率變換器熱設計技術領域，特別涉及一種用於大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計方法。
背景技術：
變流系統已經廣泛應用於電力系統、新能源、船舶岸電、消防應急供電、不間斷供電等國家重要行業。總體上看，小功率變流技術非常成熟，但大功率變流系統已有的研究主要集中在主電路的設計和實現方面，還存在控制、散熱、串並聯、抗幹擾等技術難題亟待學術界和工程界解。從行業角度看，我國在用於航空航天的電子電氣設備熱設計方面發展較為成熟；但用於新能源併網變流器、電機調速等電氣設備的熱設計技術還處於起步階段。高效的熱設計技術不僅可以控制功率開關器件工作於安全的溫度範圍，保證大功率變流系統的可靠性，還能夠在滿足熱要求的前提下，綜合考慮散熱系統的方式、體積、重量和成本，對散熱系統進行優化，達到功率開關器件與散熱系統的最佳匹配。
按國際慣例，船舶用電頻率為60Hz，而對於工頻為50Hz的我國等有關港口國家，其岸電需用「電子式岸電裝備」進行「變頻變壓」。推廣靠港船舶使用岸電對大型港口和較大規模造船產業的節能減排工作具有重要的經濟效益和社會效益。大功率船舶岸電變流系統熱設計的好壞，直接關係到船舶岸電能否安全穩定地工作，但目前國內外針對大功率船舶岸電變流系統熱設計關鍵技術難題的研究鮮有報導。目前，工程技術人員僅僅依賴於自身經驗對變流系統的開關模塊進行熱設計，缺少系統性和準確性，難以保證系統在極端複雜工況下的安全可靠運行，同時依賴經驗設計的散熱系統參數通常也不是最優的。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供了一種用於大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計方法。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種用於大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計方法，該方法包括以下步驟：
(1)輸入大功率船舶岸電變流系統所採用的IGBT模塊製造廠商提供的IGBT模塊參數表，計算在佔空比與時間滿足正弦關係下的大功率船舶岸電變流系統中各個IGBT模塊中的IGBT器件和續流二極體的通態損耗，具體計算方法如公式(1)和(2)所示：
其中，PIGBTc表示IGBT器件的通態損耗，PDc表示續流二極體的通態損耗，I0表示流過IGBT器件的電流，Vc0表示IGBT器件輸出電壓在電流I0＝0時的開啟電壓，Rc表示IGBT器件的通態電阻，Vf0表示續流二極體輸出電壓在電流I0＝0時的開啟電壓，Rf表示續流二極體的通態電阻；
(2)計算各個IGBT器件和續流二極體的開關損耗，具體計算方法(3)和(4)所示：
其中，PIGBTs表示IGBT器件的開關損耗，PDs表示續流二極體的開關損耗，fs表示IGBT器件的開關頻率，PIGBTon表示IGBT器件在額定狀態下的單脈衝開通損耗，PIGBToff表示IGBT器件在額定狀態下的單脈衝關斷損耗，PDoff表示續流二極體在額定狀態下的單脈衝關斷損耗；
(3)按照公式(5)計算大功率船舶岸電變流系統的總功耗PT：
PT＝6*N*(PIGBTc+PIGBTs+PDc+PDs) (5)
其中，N表示每相併聯的IGBT模塊數量；
(4)查詢IGBT模塊參數表獲得IGBT器件穩定工作狀態下所容許的溫度上限值Twm和IGBT內部晶片到IGBT模塊表面的熱阻值Rt，並依據大功率船舶岸電變流系統容許的工作環境溫度上限值Tem，可以計算出系統容許的溫升上限值Tmr＝Tem-Twm；
(5)按照公式(6)計算待設計的散熱系統對應的熱阻Rdesign，並查詢技術手冊中熱阻風壓曲線確定採用強制風冷散熱模式的風機風壓值，依據公式(7)計算所需的風量值Qdesign，然後綜合依據風壓值和風量值這兩個重要技術參數可以確定出風機的型號；
其中，λ表示工程估算比例係數，通常取1.6～2之間的實數，ρ表示空氣密度，c表示空氣的比熱容；
(6)依據大功率船舶岸電變流系統尺寸要求，確定大功率船舶岸電變流系統中待設計的散熱子系統空間尺寸的上限值，包括散熱子系統厚度的上限值dmax，散熱子系統表面積的上限值Smax；
(7)在步驟(5)和(6)的基礎上，結合公式(8)確定大功率船舶岸電變流系統中待設計的採取強制風冷方式的散熱子系統厚度ddesign和表面積Sdesign應滿足的約束條件：
其中，α表示散熱系統所採用材料的熱導率，β表示與散熱系統表面和安裝角度相關的修正因子，β的取值範圍通常為0.01至0.05範圍的實數；
(8)按照公式(9)確定大功率船舶岸電變流系統中待設計的散熱子系統空間尺寸的優化模型：
min F(x)＝min{w1(ddesign)2+w2(Sdesign)2},x＝(ddesign,Sdesign)
0<ddesign≤dmax
0<Sdesign≤Smax
其中，F(x)表示決策向量x對應的適應度函數，w1和w2表示權重係數；
(9)採用MATLAB軟體優化工具箱中的實數編碼遺傳算法對步驟(8)中的優化模型進行求解，獲得大功率船舶岸電變流系統中待設計的散熱子系統空間尺寸的最優值，包括最優的厚度值dopti和最優的表面積值Sopti。
本發明的有益效果是：採用本發明可實現滿足實際工程運行要求的大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計效果，具有現有技術所不具備的以下優點：大功率船舶岸電變流系統熱設計模型更為精準，散熱系統工程設計參數更優，散熱效率和可靠性等性能得以提升。
附圖說明
圖1為用於大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計方法的實現步驟示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進一步說明，本發明的目的和效果將更加明顯。
圖1為用於大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計方法的實現步驟示意圖。以一個功率為1兆瓦的大功率船舶岸電變流系統為例，採用本發明提出的高效熱設計方法進行實施。
所述的一種用於大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計方法，包括以下步驟：
1、輸入大功率船舶岸電變流系統所採用的英飛凌公司提供的型號為FF450R120KT3的IGBT模塊參數表：Vc0＝1.0V，Rc＝2.3mΩ，Vf0＝1.0V，Rf＝2.3mΩ，fs＝3kHz，PIGBTon＝28mJ，PIGBToff＝44mJ，PDoff＝38mJ；計算在佔空比與時間滿足正弦關係下的大功率船舶岸電變流系統中各個IGBT模塊中的IGBT器件和續流二極體的通態損耗，具體計算方法如公式(1)和(2)所示：
其中，PIGBTc表示IGBT器件的通態損耗，PDc表示續流二極體的通態損耗，I0表示流過IGBT器件的電流，Vc0表示IGBT器件輸出電壓在電流I0＝0時的開啟電壓，Rc表示IGBT器件的通態電阻，Vf0表示續流二極體輸出電壓在電流I0＝0時的開啟電壓，Rf表示續流二極體的通態電阻。
2、計算各個IGBT器件和續流二極體的開關損耗，具體計算方法(3)和(4)所示：
其中，PIGBTs表示IGBT器件的開關損耗，PDs表示續流二極體的開關損耗，fs表示IGBT器件的開關頻率，PIGBTon表示IGBT器件在額定狀態下的單脈衝開通損耗，PIGBToff表示IGBT器件在額定狀態下的單脈衝關斷損耗，PDoff表示續流二極體在額定狀態下的單脈衝關斷損耗。
3、按照公式(5)計算大功率船舶岸電變流系統的總功耗PT：
PT＝6*N*(PIGBTc+PIGBTs+PDc+PDs) (5)
其中，N＝8。
4、查詢IGBT模塊參數表獲得IGBT器件穩定工作狀態下所容許的溫度上限值Twm和IGBT內部晶片到IGBT模塊表面的熱阻值Rt，並依據大功率船舶岸電變流系統容許的工作環境溫度上限值Tem，可以計算出系統容許的溫升上限值Tmr＝Tem-Twm。
(5)按照公式(6)計算待設計的散熱系統對應的熱阻Rdesign，並查詢技術手冊中熱阻風壓曲線確定採用強制風冷散熱模式的風機風壓值，依據公式(7)計算所需的風量值Qdesign，然後綜合依據風壓值和風量值這兩個重要技術參數可以確定出風機的型號；
其中，λ表示工程估算比例係數，λ＝1.8，ρ表示空氣密度，c表示空氣的比熱容。
6、依據大功率船舶岸電變流系統尺寸要求，確定大功率船舶岸電變流系統中待設計的散熱子系統空間尺寸的上限值，包括散熱子系統厚度的上限值dmax，散熱子系統表面積的上限值Smax。7、在步驟(5)和(6)的基礎上，結合公式(8)確定大功率船舶岸電變流系統中待設計的採取強制風冷方式的散熱子系統厚度ddesign和表面積Sdesign應滿足的約束條件：
其中，α表示散熱系統所採用鋁製材料的熱導率，α＝2.08，β表示與散熱系統表面和安裝角度相關的修正因子，β＝0.03。
8、按照公式(9)確定大功率船舶岸電變流系統中待設計的散熱子系統空間尺寸的優化模型：
min F(x)＝min{w1(ddesign)2+w2(Sdesign)2},x＝(ddesign,Sdesign)
0<ddesign≤dmax
0<Sdesign≤Smax
其中，F(x)表示決策向量x對應的適應度函數，w1和w2表示權重係數，w1＝50，w2＝1。
9、採用MATLAB軟體(版本號：7.11.0，R2010b)優化工具箱中的實數編碼遺傳算法對步驟(8)中的優化模型進行求解，其中實數編碼遺傳算法參數設置為：種群規模＝30，最大迭代次數＝100，選擇操作為均勻隨機操作，交叉概率＝0.8，變異概率＝0.01，獲得大功率船舶岸電變流系統中待設計的散熱子系統空間尺寸的最優值，包括最優的厚度值dopti和最優的表面積值Sopti。
本發明實施後獲得的效果：通過上述方法最終設計出了大功率船舶岸電變流系統的鋁製散熱子系統的優化參數為：最優的厚度值dopti＝7.02釐米和最優的表面積值Sopti＝0.95平方米，其中長度為5.00米，寬度為0.19米，相比現有技術設計得到的散熱系統尺寸減小了5％。經過對系統實際運行中在帶載和負載突變等多種工況下的實驗測試，實驗結果表明：採用本發明專利提供的高效熱設計方法的散熱效率相比現有技術至少提升了1.20％，可靠性至少提高了6.00％。
綜上所述，採用本發明可實現滿足實際工程運行要求的大功率船舶岸電變流系統的高效熱設計效果，具有現有技術所不具備的以下優點：大功率船舶岸電變流系統熱設計模型更為精準，散熱系統工程設計參數更優，散熱效率和可靠性等性能得以提升。