本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及功率器件的结温监测方法、装置、设备及存储介质。
背景技术：
现已投运的柔性直流输电工程主要采用模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,mmc)拓扑，一般由6个桥臂构成，每个桥臂由几十甚至几百个功率模块串联组成，功率模块的集合统称为换流阀。换流阀通常在最苛刻环境温度、电网运行条件和最高结温下设计通流能力，实际设计中一般留出较大的过流关断和通流裕量。
功率模块由一次回路和二次回路组成。一次回路包括：取能电源、电容器c、均压电阻r、igbt(insulatedgatebipolartransistor)器件t1与t2、二极管d1与d2、旁路开关k1和旁路晶闸管k2。二次回路包括：控制板卡(powermodulecontorll,pmc)和igbt驱动板等。正常工作时，电容器c充电到一定阶段，取能电源开始工作并给二次控制板卡pmc供电；pmc向上级阀控系统上送子模块信息，该信息包括功率模块的故障信息、运行状态、电容电压，并接收上级阀控系统的命令信息，命令信息包括igbt导通指令、旁路开关命令以及运行参数。
目前的换流阀监测系统较为简单，仅能监视功率模块的电压、开关频率等少量数据，不能定量评估当前系统、环境、水冷条件下换流阀实际裕量。随着功率器件数目的增多、现场运行环境的复杂度提升，由于器件温度过高引起的换流阀的故障率也随之增高，亟需研究开发换流阀的智能在线结温监测系统。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了功率器件的结温监测方法、装置、设备及存储介质，监测当前运行条件、功率器件的结温等数据并提供过温报警信息，使得运行人员能够提前发现存在潜在故障的功率模块，及时对其进行检修维护。
柔性直流输电系统功率器件的结温监测方法，包括以下步骤：
对功率模块的特征参数进行采样，特征参数包括换流阀桥臂电流，功率模块的电容电压，散热器的外壳温度以及igbt的脉冲信息；
根据采集到的电容电压，散热器外壳温度，换流阀桥臂电流和igbt的脉冲信息进行计算各功率器件的损耗，所述功率器件包括igbtt1、igbtt2二极管d1以及二极管d2；
根据散热器外壳温度，各功率器件的损耗，功率器件到散热器外壳的热阻，计算各功率器件的结温。
进一步的，igbtt1、igbtt2的结温计算公式分别为：
tj1＝tin1 pt1e(rhi re)
tj2＝tin1 pt1e(rhi re) pt2e(rhi re)-pt1c(rhi rc)
其中，tj1为igbtt1的结温，tj2为igbtt2的结温，tin1为第一散热器的外壳温度，pt1e为t1的e极损耗；pt1c为t1的c极损耗；pt2e为t2的e极损耗；pt2c为t2的c极损耗；re为igbtt1、t2的e极热阻；rc为igbtt1、t2的c极热阻；rhi为第一散热器外壳到igbtt1的热阻。
进一步的，二极管d1以及二极管d2的结温计算公式分别为：
td1＝tin1 pd1k(rhd rk)；
td2＝tin1 pd1k(rhd rk) pd2k(rhd rk)-pd1a(rhd ra)；
其中，td1为二极管d1的结温，td2为二极管d2的结温，tin1为第一散热器的外壳温度，pdlk为d1的k极损耗；pd1a为d1的a极损耗；pd2k为d2的k极损耗；pd2a为d2的a极损耗；ra为d1、d2的a极热阻；rk为d1、d2的k极热阻；rhd为第一散热器外壳到d1的热阻。
进一步的，设置过温告警保护定值，对超过保护定值的温度进行报警赋值。
进一步的，将计算得到的结温上送给在线监测后台显示。
进一步的，在计算功率模块的功率器件的结温之前，先进行功率模块的通信故障判断，若存在通信故障，则停止计算；反之，则计算功率器件的结温。
一种柔性直流输电系统功率器件的结温监测装置，包括：
采集模块，用于采集特征参数，所述特征参数包括桥臂电流，功率模块的电容电压，散热器的外壳温度以及igbt的脉冲信息，并将采样的数据传递至计算模块；
计算输出模块，用于根据特征参数计算各功率器件的结温，并传递至显示模块；
显示模块，用于显示各功率器件的结温。
一种计算机设备，包括：电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的结温监测方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的结温监测方法的步骤。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本方案采集与功率器件相连的散热器表面壳温，再根据igbt、二极管、散热器的热场分布建立功率器件级的热阻模型，给出了器件的结温计算公式，通过器件的结温计算公式和测量得到的器件的特征参数，计算器件的结温。仅需要采集1个散热器的温度，即可计算4个器件结温，具有采样数据少、算法结构简单的优点。
进一步的，设置功率器件的结温的过温报警阈值，对存在过温的器件进行监测，可主动预测存在异常的功率器件并对其进行检修维护，避免因功率器件损坏造成更大范围的换流阀设备损坏，达到规避风险、提高系统的运行可靠性的目的。
一种功率器件的结温监测装置，包括采集模块、计算输出模块和显示模块，分别实现特征参数采集，计算以及显示功能，计算器件的结温并进行显示，便于实时监测功率器件的结温。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柔性直流输电系统换流阀拓扑图；
图2为本发明实施例提供的功率模块结构图；
图3为功率模块中散热器、二极管和igbt的位置关系图；
图4a为本发明实施例提供的igbt1的热阻模型；
图4b为本发明实施例提供的igbt2的热阻模型；
图5a为本发明实施例提供的二极管d1的热阻模型；
图5b为本发明实施例提供的二极管d2的热阻模型；
图6为本发明实施例提供的器件结温监测流程图；
图7为本发明提供的结温监测装置的模块结构示意图；
图8为本发明提供的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明提供了一种换流阀功率器件的结温在线监测方法，对igbt、二极管的内部结温监测方法进行研究，由于igbt和二极管均为密封器件，无法直接测量其的内部温度，本方案采集与功率器件相连的散热器表面壳温，采用热路等效模型建立散热器温度、器件结温的关系模型，再通过热阻模型间接推导出功率器件的结温。
本方案中变量定义如下：
tj1为igbtt1的结温，tj2为igbtt2的结温；
td1为二极管d1的结温，td2为二极管d2的结温；
tin1为第一散热器的外壳温度；
pt1e为t1的e极损耗；pt1c为t1的c极损耗；
pt2e为t2的e极损耗；pt2c为t2的c极损耗；
pdlk为d1的k极损耗；pd1a为d1的a极损耗；
pd2k为d2的k极损耗；pd2a为d2的a极损耗；
re为igbtt1、t2的e极热阻，t1、t2为同一型号器件，两者的e极热阻相同；
rc为igbtt1、t2的c极热阻，t1、t2为同一型号器件，两者的c极热阻相同；
ra为d1、d2的a极热阻，d1、d2为同一型号器件，两者的a极热阻相同；
rk为d1、d2的k极热阻，d1、d2为同一型号器件，两者的k极热阻相同；
rhi为第一散热器外壳到igbtt1的热阻，rhd为第一散热器外壳到d1的热阻；to2为第二散热器的出水口温度；to3为第二散热器的出水口温度；x0、x1均为通过计算或测量可以得到的中间变量，y1为待计算的量。
根据散热器温度、器件结温的热阻模型，对于半桥功率模块，定义：
根据上述的模型，容易写出：
其中：
将矩阵a0、a1代入关系式，可以计算出igbtt1、igbtt2二极管以及二极管td2为的结温：
tj1＝tin1 pt1e(rhi re)(3)
tj2＝tin1 pt1e(rhi re) pt2e(rhi re)-pt1c(rhi rc)(4)
td1＝tin1 pd1k(rhd rk)(5)
td2＝tin1 pd1k(rhd rk) pd2k(rhd rk)-pd1a(rhd ra)(6)
结合实际经验，取pt1e为t1的总损耗pt1的85％；取pt1c为t1的总损耗pt1的15％；rc为igbt热阻rjc_igbt的85％；re为igbt热阻rjc_igbt的15％。
图1为柔性直流输电换流阀拓扑图，交流电压源经软启动电阻brk、变压器t与换流阀进行连接，单个换流阀由六个桥臂组成，根据交流电压源的电压等级，每个桥臂由几十至几百个功率模块组成。
图2为功率模块的结构图，包括一次回路与二次回路，功率模块中，c为电容，r为均压电阻，k1为旁路开关，k2为具备自爆旁路功能的旁路晶闸管，t1和t2均为igbt器件，d1和d2均为二极管器件，pmc为控制板卡，功率模块额定电压为2100v。
参照图3，在每个功率模块中，共有三个散热器，t1和二极管d1两侧分别设置有第一散热器和第二散热器，t2和二极管d2两侧分别设置有第二散热器和第三散热器。
图4a为igbt的t1的热阻模型，pt1为t1的总损耗；tj1为igbtt1的结温，pt1c为t1的c极损耗；pt1e为t1的e极损耗；re为igbtt1、t2的e极热阻；rc为igbtt1、t2的c极热阻；rhi为第一散热器外壳到igbtt1的热阻；tin1为第一散热器的外壳温度；tin2为第二散热器的外壳温度。
图4b为igbt的t2的热阻模型，pt2为t2的总损耗；tj2为igbtt2的结温，pt2c为t2的c极损耗；pt2e为t2的e极损耗；re为igbtt1、t2的e极热阻；rc为igbtt1、t2的c极热阻；rhi为第一散热器外壳到igbtt1的热阻；tin2为第二散热器的外壳温度；tin3为第三散热器的外壳温度。
图5a为二极管d1的热阻模型，pd1为二极管d1的总损耗；td1为二极管d1的结温；pd1a为二极管d1的a极损耗；pdlk为二极管d1的k极损耗；ra为d1、d2的a极热阻；rk为d1、d2的k极热阻；rhd为第一散热器外壳到d1的热阻；tin1为第一散热器的外壳温度；tin2为第二散热器的外壳温度。
图5b为二极管d2的热阻模型，pd2为二极管d2的总损耗；td2为二极管d2的结温；pd2a为二极管d2的a极损耗；pd2k为二极管d2的k极损耗；ra为d1、d2的a极热阻；rk为d1、d2的k极热阻；rhd为第一散热器外壳到d1的热阻；tin2为第二散热器的外壳温度；tin3为第三散热器的外壳温度。图6为本发明实施例提供的功率器件结温监测流程图，所述监测流程包括以下步骤：
1)、对功率模块的数据进行采样，采样数据包括电容电压，第一散热器的外壳温度，换流阀的桥臂电流，igbt的脉冲信息。
2)、功率模块的通信故障判断，如果存在通信故障，则停止计算结温。反之无通信故障，则进入结温计算程序，该程序执行周期为100us。
3)、结温计算程序第一步，采样数据处理，对电容电压，第一散热器的外壳温度，换流阀的桥臂电流，igbt的脉冲信息进行转换，转换成符合算法的数据类型。
4)、结温计算程序第二步，根据采集到的电容电压，散热器外壳温度，桥臂电流和igbt的脉冲信息进行计算igbtt1、igbtt2二极管以及二极管d2的损耗。
5)、结温计算程序第三步，根据散热器外壳温度，各igbt、二极管、散热器的热阻等数据，参照公式(3～6)，实时计算各功率器件的结温。设置过温告警保护定值，对超过保护定值的温度进行报警赋值。
6)、将计算好的结温、过温告警信息数据上送给在线监测后台显示，刷新速率<1s。
实施例2
本发明提供的一种柔性直流输电系统功率器件的结温监测装置，如图7所示，包括采集模块、计算输出模块和显示模块。
其中，采集模块，用于采集特征参数，所述特征参数包括桥臂电流，功率模块的电容电压，散热器的外壳温度以及igbt的脉冲信息，并将采样的数据传递至计算模块；计算输出模块，用于根据特征参数和公式(3)-(6)计算各功率器件的结温，并传递至显示模块；显示模块，用于显示各功率器件的结温。
实施例3
本发明提供的一种计算机设备，如图8所示，包括电连接的存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的功率器件的结温监测方法的步骤。
实施例4
所述结温监测装置如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
1.功率器件的结温监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
对功率模块的特征参数进行采样，特征参数包括换流阀桥臂电流，功率模块的电容电压，散热器的外壳温度以及igbt的脉冲信息；
根据采集到的电容电压，散热器外壳温度，换流阀桥臂电流和igbt的脉冲信息进行计算各功率器件的损耗，所述功率器件包括igbtt1、igbtt2二极管d1以及二极管d2；
根据散热器外壳温度，各功率器件的损耗，功率器件到散热器外壳的热阻，计算各功率器件的结温。
2.根据权利要求1所述的功率器件的结温监测方法，其特征在于，所述igbtt1、igbtt2的结温计算公式分别为：
tj1＝tin1 pt1e(rhi re)
tj2＝tin1 pt1e(rhi re) pt2e(rhi re)-pt1c(rhi rc)
其中，tj1为igbtt1的结温，tj2为igbtt2的结温，tin1为第一散热器的外壳温度，pt1e为t1的e极损耗；pt1c为t1的c极损耗；pt2e为t2的e极损耗；pt2c为t2的c极损耗；re为igbtt1、t2的e极热阻；rc为igbtt1、t2的c极热阻；rhi为第一散热器外壳到igbtt1的热阻。
3.根据权利要求1所述的功率器件的结温监测方法，其特征在于，所述二极管d1以及二极管d2的结温计算公式分别为：
td1＝tin1 pd1k(rhd rk)；
td2＝tin1 pd1k(rhd rk) pd2k(rhd rk)-pd1a(rhd ra)；
其中，td1为二极管d1的结温，td2为二极管d2的结温，tin1为第一散热器的外壳温度，pdlk为d1的k极损耗；pd1a为d1的a极损耗；pd2k为d2的k极损耗；pd2a为d2的a极损耗；ra为d1、d2的a极热阻；rk为d1、d2的k极热阻；rhd为第一散热器外壳到d1的热阻。
4.根据权利要求1所述的功率器件的结温监测方法，其特征在于，设置过温告警保护定值，对超过保护定值的温度进行报警赋值。
5.根据权利要求1所述的功率器件的结温监测方法，其特征在于，将计算得到的结温上送给在线监测后台显示。
6.根据权利要求1所述的功率器件的结温监测方法，其特征在于，在计算功率模块的功率器件的结温之前，先判断功率模块的通信是否故障，若存在通信故障，则停止计算；反之，则计算功率器件的结温。
7.一种功率器件的结温监测装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集特征参数，所述特征参数包括桥臂电流，功率模块的电容电压，散热器的外壳温度以及igbt的脉冲信息，并将采样的数据传递至计算模块；
计算输出模块，用于根据特征参数计算各功率器件的结温，并传递至显示模块；
显示模块，用于显示各功率器件的结温。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括：电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现权利要求1-6中任意一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
技术总结