一种光伏电网混合供电逆变器的热电协同控制方法与流程

本发明属于新能源发电与电力电子，具体涉及一种光伏电网混合供电逆变器的热电协同控制方法。

背景技术：

1、光伏逆变器在高频开关及光伏与市电互补切换过程中不可避免地产生瞬态热冲击与功率阶跃。当igbt等功率器件出现初期老化、栅氧局部减薄、滤波电感微饱和或市电补电突增时，芯片表面热流密度可在数秒内由低值阶跃至高值，导致结温瞬时大幅抬升。这些早期热故障特征幅值较小，且被环境温度、开关脉冲损耗及环境噪声严重淹没。若不能及时提取与抑制，将导致绝缘击穿、焊层疲劳、焊线剥离等继发性失效，造成停机损失与维修费用。

2、现有研究存在以下不足：

3、第一，目前工程上普遍采用铝挤散热片配合强制风冷或水冷板进行热管理。强制风冷在高环温条件下对瞬态热冲击的抑制能力有限，当热信噪比较低时，结温预测误差较大，难以满足早期热预警需求。水冷板则依赖泵机运行，存在冬季防冻、夏季结露等问题，不利于户用场景的嵌入式在线运行。

4、第二，现有热管散热方案多集中于集中式逆变器，其蒸发段与功率器件仍通过导热硅脂和螺栓夹持连接，界面热阻较高，且未考虑户用场景中光伏与市电互补供电带来的快速阶跃热负荷对热管启动和干涸极限的冲击。

5、第三，无蓄电池的光伏与市电混合供电拓扑虽然省去储能环节以降低成本，但现有方案仅关注电气能量调度，未解决功率器件瞬态热积聚问题，导致家庭阳台等狭小空间内逆变器因散热不良频繁触发热保护，用户体验差。

6、第四，现有控制算法普遍将功率调度与热管理作为独立环路运行，缺乏功率-温度协同控制机制，无法在功率阶跃工况下同时保障母线电压稳定性与功率器件热安全。

7、因此，如何设计一种能够在功率阶跃工况下兼顾母线电压稳定与功率器件热安全、适用于无蓄电池光伏电网混合供电逆变器的热电协同控制方法，是当前新能源发电领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种光伏电网混合供电逆变器的热电协同控制方法。

2、为实现上述目的，本发明提供一种光伏电网混合供电逆变器的热电协同控制方法，包括：

3、以第一频率同步采样光伏输出功率与负载功率，计算所述光伏输出功率与所述负载功率之间的功率差值；

4、根据所述功率差值执行功率分配决策，当所述功率差值大于或等于零时，关闭市电侧开关电源，由光伏单独供电，当所述功率差值小于零时，采用增量式pid算法调节所述市电侧开关电源的pwm占空比，使直流母线电压保持在设定值，所述增量式pid算法基于所述直流母线电压与所述设定值之间的电压偏差进行运算；

5、以第二频率采样功率器件结温与相变热管壁温，计算所述功率器件结温与所述相变热管壁温之间的温差；

6、采用pi算法根据所述温差与目标温差设定值之间的温差偏差动态调节风机转速，当所述温差超过第一温差阈值时，线性提升所述风机转速直至所述温差降至目标温差范围内，当所述温差低于第二温差阈值时，降低所述风机转速至静音档转速；以及

7、执行过温保护，当所述功率器件结温超过预设过温阈值并持续达到设定时间时，将逆变输出功率下调至额定功率的预设比例，并且通过通信模块将所述功率器件结温、所述相变热管壁温及功率数据上报至云端。

8、进一步地，所述光伏输出功率的计算方式为：

9、通过电压传感器与电流传感器分别获取光伏侧直流电压与直流电流，所述光伏输出功率的计算式为：

10、；

11、所述负载功率的计算方式为：通过电压传感器与电流传感器分别获取交流侧电压与交流电流，所述负载功率的计算式为：

12、；

13、其中，为功率因数；

14、所述功率差值的计算式为：

15、；

16、所述第一频率的取值范围为0.5-2khz，adc分辨率不低于12位。

17、进一步地，所述增量式pid算法的计算方式为：

18、；

19、；

20、其中，、、分别为比例系数、积分系数和微分系数，为第个采样时刻所述直流母线电压与所述设定值之间的电压偏差，为第个采样时刻的pwm占空比；

21、所述增量式pid算法设置积分分离阈值为额定功率的预设百分比范围，设置抗积分饱和限幅范围，pwm载波频率为15-25khz。

22、进一步地，所述功率器件结温通过贴装于功率器件模块内部的ntc热敏电阻获取，所述ntc热敏电阻的阻值与温度关系为：

23、；

24、其中，为25℃标称阻值，为材料常数，为当前温度；

25、所述相变热管壁温通过贴装于蒸发段外壁的铂电阻或热电偶获取；

26、所述温差的计算式为：

27、；

28、其中，为所述功率器件结温，为所述相变热管壁温；

29、所述第二频率的取值范围为0.2-1khz，adc分辨率不低于10位。

30、进一步地，所述pi算法的计算方式为：

31、；

32、；

33、其中，、分别为比例系数和积分系数，为第个采样时刻的温差偏差，为第个采样时刻的风机转速；

34、所述pi算法的比例系数取值范围为10-30，积分系数取值范围为0.2-1.0，抗积分饱和限幅范围为正负5%至正负15%，pwm载波频率为20-30khz。

35、进一步地，所述风机转速的调节采用分段线性策略：

36、当所述温差大于所述第一温差阈值时，以预设转速斜率线性提升所述风机转速直至所述温差降至所述目标温差范围内；

37、当所述温差介于所述第二温差阈值与所述第一温差阈值之间时，保持所述风机转速为当前值；

38、当所述温差小于或等于所述第二温差阈值时，降低所述风机转速至所述静音档转速，所述静音档转速的取值范围为800-1500rpm。

39、进一步地，还包括热电协同控制步骤：

40、当所述功率差值大于零且所述温差超过所述第一温差阈值时，先将所述风机转速线性提升至额定转速，再以预设功率斜率提升市电补电功率，所述预设功率斜率的取值范围为20-50w/s，以避免相变热管蒸发段出现干涸；

41、当所述功率差值小于零且所述功率器件结温低于预设低温阈值时，将所述风机转速降至所述静音档转速以降低能耗与噪声。

42、进一步地，还包括低温启动步骤：

43、当环境温度低于预设低温启动阈值时，上电后以预热转速驱动风机运行预设预热时长，所述预热转速的取值范围为1000-3000rpm，所述预设预热时长的取值范围为10-60s；

44、待所述相变热管壁温超过预设壁温启动阈值后，切入正常pi控制模式。

45、进一步地，所述过温保护采用硬件与软件双重冗余设计：

46、硬件层通过比较器实现当所述功率器件结温超过预设硬件截止温度时的硬件截止保护，响应时间小于20μs；

47、软件层实现当所述功率器件结温超过预设软件限功率温度并持续所述设定时间后的软件限功率运行；

48、故障上报通过加密通道传输至所述云端，所述云端基于热-流-固耦合仿真建立数字孪生模型，预测功率器件的寿命衰减趋势。

49、进一步地，所述通信模块将所述功率器件结温、所述相变热管壁温、所述光伏输出功率、市电补电功率及所述风机转速以预设报文周期上传至所述云端，所述预设报文周期的取值范围为0.5-2s；

50、所述通信模块支持远程ota升级，升级包经签名验证后写入控制器，升级过程中所述直流母线保持不间断供电。

51、本发明的有益效果如下：

52、本发明通过功率分配闭环与热管理闭环的协同控制，在光伏功率充足时由光伏单独供电、光伏功率不足时由市电实时补电，无需蓄电池即可实现稳定的直流母线电压输出，降低了系统成本。

53、本发明采用增量式pid算法调节市电侧开关电源的pwm占空比，能够在负载阶跃工况下实现直流母线电压的快速恢复，母线电压波动控制在设定纹波阈值内，满足涉网试验对功率输出稳定性的要求。

54、本发明采用pi算法对风机转速进行动态调节，结合分段线性控制策略，能够在功率器件热负荷阶跃工况下有效抑制结温过冲，同时在低热负荷工况下自动降低风机转速以降低能耗与噪声。

55、本发明引入热电协同控制机制，在功率阶跃与温度突变并存工况下，优先提升散热能力再缓升市电补电功率，避免相变热管蒸发段干涸，保障了系统的长期可靠运行。

56、本发明通过硬件与软件双重冗余的过温保护设计以及云端数字孪生模型的寿命预测功能，显著提升了逆变器的运行安全性和可维护性。