【中国发明,中国发明授权】天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法

有权-审定授权 中国

申请号:
CN201410827337.X
专利权人:
哈尔滨工业大学
授权公告日/公开日:
2017.05.31
专利有效期:
2014.12.25-2034.12.25
技术分类:
H02:发电、变电或配电
转化方式:
转让
价值度指数:
56.0分
价格:
面议
1411 0

发布人

哈尔滨工业大学

联系人何老师

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著录项

申请号
CN201410827337.X
申请日
20141225
公开/公告号
CN104410317A
公开/公告日
20150311
申请/专利权人
[哈尔滨工业大学]
发明/设计人
[段建东, 李树生, 孙力, 王志刚, 国海峰, 王令金, 李寻迹, 郭安东, 张润松, 刘龙海, 赵克, 吴凤江, 安群涛]
主分类号
H02M7/5387
IPC分类号
C12N 9/0008(2013.01) C12N 9/16
CPC分类号
C12N 9/0008(2013.01) C12N 9/16(2013.01)
分案申请地址
国省代码
中国,CN,黑龙江(23)
颁证日
G06T1/00
代理人
[张利明]

摘要

天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,属于天然气电站有源逆变装置领域。本发明是为了解决现有逆变装置通常工作在硬开关环境,开关频率低且谐波大,从而导致补偿速度慢,工作效率低的问题。本发明所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,根据功率器件的特性,对IGBT模块控制参数、阻尼LCL滤波器、直流滤波电容、Snubber电路等器件参数做出合理的选择,对功率回路的参数进行了优化,并利用优化后的参数构建出新的优化功率回路实现逆变器装置工作频率、谐波抑制能力和系统响应速度的提升,降低了系统体积和成本,提高其性能和可靠性。适用于天然气电站的有源逆变装置功率回路的优化。

法律状态

法律状态公告日 20170531
法律状态 授权
法律状态信息 授权
法律状态公告日 20150408
法律状态 实质审查的生效
法律状态信息 实质审查的生效
IPC(主分类):H02M 7/5387
申请日:20141225
法律状态公告日 20150311
法律状态 公开
法律状态信息 公开
暂无数据

权利要求

权利要求数量(9

独立权利要求数量(1

1.天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于,该方法包括以下单元:

IGBT模块选型及控制参数的设计单元:

首先,根据天然气电站所需的有源逆变装置的容量,确定IGBT模块的型号;然后根 据IGBT模块的型号获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率f sw和此开关频率下IGBT 模块的功耗P total-loss;

Snubber电路的参数设计单元:

首先,根据IGBT器件在栅极电压下降时间的标称值t f,获得虚拟电容值C SN;然后, 根据该虚拟电容值C SN获得缓压电容值C S,最后,根据缓压电容值C S获得缓冲电阻阻值的 范围,并将最大的缓冲电阻阻值R S作为标称值电阻值;

阻尼LCL滤波器的参数设计单元:

首先,根据IGBT的最优开关频率f sw、天然气电站有源逆变器额定功率和允许的输出 电流纹波,确定逆变器侧滤波电感值L 1、交流滤波电容值C和网侧滤波电感值L 2的范围; 然后,通过上述参数的范围、逆变器输出电流谐波含量、阻尼损耗和无功容量比例,确定 电感比k和阻尼电阻R d;

直流滤波电容的参数设计单元:

根据天然气电站要求的逆变装置电压调节响应时间,并留取裕量,获得滤波电容值C dc;

根据上述单元获得的所有参数构建天然气电站有源逆变装置功率回路,从而获得优化 后的天然气电站有源逆变装置功率回路。

2.根据权利要求1所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, IGBT模块选型及控制参数的设计单元中,确定IGBT模块的型号所需要的参数包括:IGBT 模块的最大集射极电压V ces、重复峰值电流最大值I cm和重复峰值电流有效值I c,确定上述 参数的方法为;

使IGBT模块的截止耐压值V ce等于直流支撑电压值u dc,并将该直流支撑电压值u dc作 为最大集射极电压V ces的参考值,考虑裕量,并取80%的额定电压,通过下式获得最大集射 极电压值V ces,

V ces=u dc/0.8=V ce/0.8;

根据下式获得重复峰值电流最大值I crm:

I crm = 2 i g = 2 S / ( 3 u g )

其中,S为逆变器额定视在容量,i g和u g分别为逆变器输出的相电流和相电压;

假设IGBT模块工作时间为半个工频周期IGBT模块控制占空比为50%,根据下式获 得重复峰值电流有效值I c:

I c = I crm 4 .

4.根据权利要求2所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, Snubber电路的参数设计单元中,通过下式获得虚拟电容值C SN:

C SN = 0.5 I crm t f V ce .

5.根据权利要求4所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, Snubber电路的参数设计单元中,通过下式获得缓压电容值C S:

C S=0.64C SN。

6.根据权利要求5所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, Snubber电路的参数设计单元中,通过下式获得缓冲电阻阻值的范围:

V ce / R s < 0.6 I crm R S C S < 0.8 τ min

其中,τ min为IGBT最短导通时间,W C为IGBT截止、二极管导通、缓压电容充电且IGBT 模块的截止耐压缓升时单次脉冲的电能。

3.根据权利要求1或2所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征 在于,IGBT模块选型及控制参数的设计单元中,通过下式获得IGBT在允许结温温升下的 最优开关频率f sw的总功耗P total-loss:

P total - loss = P IGBT + P VD = I crm 4 ( V ce - sat + V f ) + ( E off - test + E on - test + E rec - test ) I crm 4 I c - test V ce V ce - test

其中,P IGBT为IGBT器件的损耗,P VD为反并联二极管的损耗,V ce-sat为IGBT器件饱和 导通电压,V f为正向导通电压,V ce为IGBT模块的截止耐压值;

通过下式获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率f sw范围:

1 f sw > > ( t d - on + t r + t d - off + t f ) I crm 4 I c - test V ce V ce - test P total - loss < 0.6 P tot

其中,t d-on和t d-off分别为开通延时和关断延时标称值,t r和t f分别为栅极电压上升和栅极 电压下降时间的标称值,I crm为重复峰值电流最大值,P tot为IGBT模块在正常结温下总损耗 标称值;

式中所有参数均在出厂测试条件下获得,E on-test和E off-test分别为出厂测试条件下的开通和 关断单脉冲损耗标称值,该值能够通过查找技术手册获取;E rec-test为出厂测试条件下的反向 恢复能耗,该值能够通过查找技术手册获取;I c-test为出厂测试电流,V ce-test为出厂测试电压。

7.根据权利要求1所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, 阻尼LCL滤波器的参数设计单元中,根据下式确定逆变器侧滤波电感值L 1的范围:

2 u dc 16 f sw Δ i 1 L 1 3 2 u g u dc 2 4 - 2 u g 2 2 ω o P u ( m + 1 ) ,

其中,u dc为IGBT模块的直流支撑电压值,Δi 1为天然气电站允许的电流纹波最大值, u g为逆变器输出的相电压,ω o为基频角频率,P u为逆变器输出有功功率上限,m为网侧滤 波电感值L 2与逆变器侧滤波电感值L 1的比值;

根据下式确定交流滤波电容值C的范围:

C f zc P u 3 ω o u g 2

其中,f zc为滤波电容吸收的无功功率占逆变装置额定容量的百分比,f zc<5%;

1 + | AF h | max 4 π 2 | AF h | max f h 2 C L 2 3 2 u g u dc 2 4 - 2 u g 2 2 ω o P u ( 1 k + 1 )

其中,AF h为h次谐波衰减因子,即AF h=i 2h/i 1h,i 2h为网侧电流h次谐波,i 1h为逆变器 侧电流h次谐波,f h为h次谐波频率。

8.根据权利要求1所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, 阻尼LCL滤波器的参数设计单元中,电感比k为0.25,阻尼电阻值R d取衰减因数在68%时 对应的电阻阻值。

9.根据权利要求1所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, 直流滤波电容的参数设计单元中,根据下式获得滤波电容值C dc:

C dc 2 I dm t r * 3 u dc ln ( 3 - 4.68 u g u dc ) ,

其中,I dm为最大直流充电电流, 为逆变装置电压调节响应时间。

1.天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于,该方法包括以下单元: IGBT模块选型及控制参数的设计单元: 首先,根据天然气电站所需的有源逆变装置的容量,确定IGBT模块的型号;然后根 据IGBT模块的型号获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率fsw和此开关频率下IGBT 模块的功耗Ptotal-loss; Snubber电路的参数设计单元: 首先,根据IGBT器件在栅极电压下降时间的标称值tf,获得虚拟电容值CSN;然后, 根据该虚拟电容值CSN获得缓压电容值CS,最后,根据缓压电容值CS获得缓冲电阻阻值的 范围,并将最大的缓冲电阻阻值RS作为标称值电阻值; 阻尼LCL滤波器的参数设计单元: 首先,根据IGBT的最优开关频率fsw、天然气电站有源逆变器额定功率和允许的输出 电流纹波,确定逆变器侧滤波电感值L1、交流滤波电容值C和网侧滤波电感值L2的范围; 然后,通过上述参数的范围、逆变器输出电流谐波含量、阻尼损耗和无功容量比例,确定 电感比k和阻尼电阻Rd; 直流滤波电容的参数设计单元: 根据天然气电站要求的逆变装置电压调节响应时间,并留取裕量,获得滤波电容值Cdc; 根据上述单元获得的所有参数构建天然气电站有源逆变装置功率回路,从而获得优化 后的天然气电站有源逆变装置功率回路。 2.根据权利要求1所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, IGBT模块选型及控制参数的设计单元中,确定IGBT模块的型号所需要的参数包括:IGBT 模块的最大集射极电压Vces、重复峰值电流最大值Icm和重复峰值电流有效值Ic,确定上述 参数的方法为; 使IGBT模块的截止耐压值Vce等于直流支撑电压值udc,并将该直流支撑电压值udc作 为最大集射极电压Vces的参考值,考虑裕量,并取80%的额定电压,通过下式获得最大集射 极电压值Vces, Vces=udc/0.8=Vce/0.8; 根据下式获得重复峰值电流最大值Icrm: I crm = 2 i g = 2 S / ( 3 u g ) 其中,S为逆变器额定视在容量,ig和ug分别为逆变器输出的相电流和相电压; 假设IGBT模块工作时间为半个工频周期IGBT模块控制占空比为50%,根据下式获 得重复峰值电流有效值Ic: I c = I crm 4 . 3.根据权利要求1或2所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征 在于,IGBT模块选型及控制参数的设计单元中,通过下式获得IGBT在允许结温温升下的 最优开关频率fsw的总功耗Ptotal-loss: P total - loss = P IGBT + P VD = I crm 4 ( V ce - sat + V f ) + ( E off - test + E on - test + E rec - test ) I crm 4 I c - test V ce V ce - test 其中,PIGBT为IGBT器件的损耗,PVD为反并联二极管的损耗,Vce-sat为IGBT器件饱和 导通电压,Vf为正向导通电压,Vce为IGBT模块的截止耐压值; 通过下式获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率fsw范围: 1 f sw > > ( t d - on + t r + t d - off + t f ) I crm 4 I c - test V ce V ce - test P total - loss < 0.6 P tot 其中,td-on和td-off分别为开通延时和关断延时标称值,tr和tf分别为栅极电压上升和栅极 电压下降时间的标称值,Icrm为重复峰值电流最大值,Ptot为IGBT模块在正常结温下总损耗 标称值; 式中所有参数均在出厂测试条件下获得,Eon-test和Eoff-test分别为出厂测试条件下的开通和 关断单脉冲损耗标称值,该值能够通过查找技术手册获取;Erec-test为出厂测试条件下的反向 恢复能耗,该值能够通过查找技术手册获取;Ic-test为出厂测试电流,Vce-test为出厂测试电压。 4.根据权利要求2所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, Snubber电路的参数设计单元中,通过下式获得虚拟电容值CSN: C SN = 0.5 I crm t f V ce . 5.根据权利要求4所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, Snubber电路的参数设计单元中,通过下式获得缓压电容值CS: CS=0.64CSN。 6.根据权利要求5所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, Snubber电路的参数设计单元中,通过下式获得缓冲电阻阻值的范围: V ce / R s < 0.6 I crm R S C S < 0.8 τ min 其中,τmin为IGBT最短导通时间,WC为IGBT截止、二极管导通、缓压电容充电且IGBT 模块的截止耐压缓升时单次脉冲的电能。 7.根据权利要求1所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, 阻尼LCL滤波器的参数设计单元中,根据下式确定逆变器侧滤波电感值L1的范围: 2 u dc 16 f sw Δ i 1 ≤ L 1 ≤ 3 2 u g u dc 2 4 - 2 u g 2 2 ω o P u ( m + 1 ) , 其中,udc为IGBT模块的直流支撑电压值,Δi1为天然气电站允许的电流纹波最大值, ug为逆变器输出的相电压,ωo为基频角频率,Pu为逆变器输出有功功率上限,m为网侧滤 波电感值L2与逆变器侧滤波电感值L1的比值; 根据下式确定交流滤波电容值C的范围: C ≤ f zc P u 3 ω o u g 2 其中,fzc为滤波电容吸收的无功功率占逆变装置额定容量的百分比,fzc<5%; 1 + | AF h | max 4 π 2 | AF h | max f h 2 C ≤ L 2 ≤ 3 2 u g u dc 2 4 - 2 u g 2 2 ω o P u ( 1 k + 1 ) 其中,AFh为h次谐波衰减因子,即AFh=i2h/i1h,i2h为网侧电流h次谐波,i1h为逆变器 侧电流h次谐波,fh为h次谐波频率。 8.根据权利要求1所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, 阻尼LCL滤波器的参数设计单元中,电感比k为0.25,阻尼电阻值Rd取衰减因数在68%时 对应的电阻阻值。 9.根据权利要求1所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,其特征在于, 直流滤波电容的参数设计单元中,根据下式获得滤波电容值Cdc: C dc ≤ 2 I dm t r * 3 u dc ln ( 3 - 4.68 u g u dc ) , 其中,Idm为最大直流充电电流,为逆变装置电压调节响应时间。

说明书

技术领域

本发明属于天然气电站有源逆变装置领域,尤其涉及天然气电站有源逆变装置功率回 路获得方法。

背景技术

天然气电站是由若干台天然气发电机组构成的大功率供电系统。相比于传统的柴油发 电机,天然气发电机组在节能减排和降低发电成本方面都有很大优势。但是,天然气发电 机组的动态功率调节能力较差,这种动态响应慢的特性制约其在冲击性有功/无功功率负载 等场合的应用,为此需要采用有源逆变装置快速补偿这种冲击性负载对瞬时有功或无功功 率的需求。

由于补偿功率较大,补偿速度较快,而现有逆变装置通常工作在硬开关环境、较低的 开关频率和较大的谐波,配备笨重的滤波器,未能最大效率的发挥逆变器的性能。

发明内容
附图说明

图1为有源逆变装置的电路结构示意图;

图2为天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法的参数设计顺序示意图;

图3为IGBT模块工作时的电流波形图,图中曲线1表示IGBT模块斩波电流,曲线2 表示相电流,点3表示臂内换流,A部分表示IGBT器件工作部分,B部分表示二极管工 作部分;

图4为天然气电站逆变装置受限功率圆,其中横坐标P表示逆变器有功成分,纵坐标Q 表示逆变器无功成分,圆的半径S表示逆变器额定视在容量,Q1表示无功功率上限,Q2表 示无功功率下限,P1表示有功功率下限,P2表示有功功率上限;

图5为天然气电站电网谐波曲线示意图;

图6为阻尼LCL滤波器谐波衰减因数随阻尼电阻变化曲线示意图;

图7为直流母线电压跃变时逆变器等效电路图。

具体实施方式

具体实施方式一:参照图2具体说明本实施方式,本实施方式所述的天然气电站有源 逆变装置功率回路获得方法,该方法包括以下单元:

IGBT模块选型及控制参数的设计单元:

首先,根据天然气电站所需的有源逆变装置的容量,确定IGBT模块的型号;然后根 据IGBT模块的型号获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率fsw和此开关频率下IGBT 模块的功耗Ptotal-loss;

Snubber电路的参数设计单元:

首先,根据IGBT器件在栅极电压下降时间的标称值tf,获得虚拟电容值CSN;然后, 根据该虚拟电容值CSN获得缓压电容值CS,最后,根据缓压电容值CS获得缓冲电阻阻值的 范围,并将最大的缓冲电阻阻值RS作为标称值电阻值;

阻尼LCL滤波器的参数设计单元:

首先,根据IGBT的最优开关频率fsw、天然气电站有源逆变器额定功率和允许的输出 电流纹波,确定逆变器侧滤波电感值L1、交流滤波电容值C和网侧滤波电感值L2的范围; 然后,通过上述参数的范围、逆变器输出电流谐波含量、阻尼损耗和无功容量比例,确定 电感比k和阻尼电阻Rd;

直流滤波电容的参数设计单元:

根据天然气电站要求的逆变装置电压调节响应时间,并留取裕量,获得滤波电容值Cdc;

根据上述单元获得的所有参数构建天然气电站有源逆变装置功率回路,从而获得优化 后的天然气电站有源逆变装置功率回路。

本实施方式所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法,包括IGBT模块选型 及控制参数的设计单元、Snubber电路的参数设计单元、阻尼LCL滤波器的参数设计单元 和直流滤波电容的参数设计单元。其中IGBT模块是逆变器可靠工作的核心模块,因此先 从IGBT模块切入,即由天然气电站逆变器装置容量确定IGBT模块的型号,在允许的额定 功耗情况下,获得最佳开关频率;然后在该最佳开关频率下,添加辅助的Snubber电路以 及采用介质冷却方式可进一步降低IGBT模块的结温温升,改善IGBT模块工作环境。再对 Snubber电路,阻尼LCL滤波器以及直流滤波电容进行优化设计。其中IGBT模块结合 Snubber电路参数的优化设计,对提升逆变器工作频率和逆变装置控制回路的响应速度、降 低滤波器体积、成本和开关损耗等有着至关重要的作用,而阻尼LCL滤波器和直流滤波电 容参数优化设计,则可进一步改善逆变器响应速度,增强其谐波抑制能力。大功率逆变器 装置工作时开关频率较低,为了实现小型化,因此采用LCL滤波器。LCL输出滤波器性能 的优异,但不合适的参数设计会恶化其工作性能。

本发明所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法主要特征是根据天然气电站 特定工况,即冲击性有功/无功功率负载,允许谐波含量,燃气机动态响应等,结合有源逆 变器容量、体积、成本、散热条件、谐波抑制能力等,优化选择功率器件参数。因此可以 在同等散热条件和装机容量下,不牺牲系统可靠性,对功率回路的参数选型进行优化设计, 提升主电路性能,并可降低逆变器装置成本。

价值度评估

技术价值

经济价值

法律价值

0 0 0

56.0

0 50 75 100
0~50 50~75 75~100 价值较低 中等价值 价值较高

专利价值度是通过科学的评估模

型对专利价值进行量化的结果,

基于专利大数据针对专利总体特

征指标利用计算机自动化技术对

待评估专利进行高效、智能化的

分析,从技术、经济和法律价值

三个层面构建专利价值评估体

系,可以有效提升专利价值评估

的质量和效率。

总评:56.0


该专利价值中等 (仅供参考)

        该专利的技术、经济、法律价值经系统自动评估后的总评得分处于平均水平,可以重点研究利用其技术价值,根据法律价值的评估结果选择合适的使用借鉴方式。
        本专利文献中包含【1 个实施例】、【2 个技术分类】,从一定程度上而言上述指标的数值越大可以反映出所述专利的技术保护及应用范围越广。 【专利权的维持时间10 年】专利权的维持时间越长,其价值对于权利人而言越高。

技术价值    30.0

该指标主要从专利申请的著录信息、法律事件等内容中挖掘其技术价值,专利类型、独立权利要求数量、无效请求次数等内容均可反映出专利的技术性价值。 技术创新是专利申请的核心,若您需要进行技术借鉴或寻找可合作的项目,推荐您重点关注该指标。

部分指标包括:

授权周期(发明)

29 个月

独立权利要求数量

1 个

从属权利要求数量

6 个

说明书页数

7 页

实施例个数

1 个

发明人数量

13 个

被引用次数

0 次

引用文献数量

0 个

优先权个数

0 个

技术分类数量

2 个

无效请求次数

0 个

分案子案个数

0 个

同族专利数

0 个

专利获奖情况

保密专利的解密

经济价值    7.0

该指标主要指示了专利技术在商品化、产业化及市场化过程中可能带来的预期利益。 专利技术只有转化成生产力才能体现其经济价值,专利技术的许可、转让、质押次数等指标均是其经济价值的表征。 因此,若您希望找到行业内的运用广泛的热点专利技术及侵权诉讼中的涉案专利,推荐您重点关注该指标。

部分指标包括:

申请人数量

1

申请人类型

院校

许可备案

0 次

权利质押

0 次

权利转移

0 个

海关备案

法律价值    19.0

该指标主要从专利权的稳定性角度评议其价值。专利权是一种垄断权,但其在法律保护的期间和范围内才有效。 专利权的存续时间、当前的法律状态可反映出其法律价值。故而,若您准备找寻权属稳定且专利权人非常重视的专利技术,推荐您关注该指标。

部分指标包括:

存活期/维持时间

10

法律状态

有权-审定授权