本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域大功率變換器熱設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的高效熱設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

變流系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、新能源、船舶岸電、消防應(yīng)急供電、不間斷供電等國(guó)家重要行業(yè)。總體上看，小功率變流技術(shù)非常成熟，但大功率變流系統(tǒng)已有的研究主要集中在主電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面，還存在控制、散熱、串并聯(lián)、抗干擾等技術(shù)難題亟待學(xué)術(shù)界和工程界解。從行業(yè)角度看，我國(guó)在用于航空航天的電子電氣設(shè)備熱設(shè)計(jì)方面發(fā)展較為成熟；但用于新能源并網(wǎng)變流器、電機(jī)調(diào)速等電氣設(shè)備的熱設(shè)計(jì)技術(shù)還處于起步階段。高效的熱設(shè)計(jì)技術(shù)不僅可以控制功率開(kāi)關(guān)器件工作于安全的溫度范圍，保證大功率變流系統(tǒng)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(tǒng)的方式、體積、重量和成本，對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到功率開(kāi)關(guān)器件與散熱系統(tǒng)的最佳匹配。

按國(guó)際慣例，船舶用電頻率為60Hz，而對(duì)于工頻為50Hz的我國(guó)等有關(guān)港口國(guó)家，其岸電需用“電子式岸電裝備”進(jìn)行“變頻變壓”。推廣靠港船舶使用岸電對(duì)大型港口和較大規(guī)模造船產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排工作具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。大功率船舶岸電變流系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到船舶岸電能否安全穩(wěn)定地工作，但目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)大功率船舶岸電變流系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)難題的研究鮮有報(bào)道。目前，工程技術(shù)人員僅僅依賴于自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)變流系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)模塊進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，缺少系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性，難以保證系統(tǒng)在極端復(fù)雜工況下的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)參數(shù)通常也不是最優(yōu)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的高效熱設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種用于大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的高效熱設(shè)計(jì)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(tǒng)所采用的IGBT模塊制造廠商提供的IGBT模塊參數(shù)表，計(jì)算在占空比與時(shí)間滿足正弦關(guān)系下的大功率船舶岸電變流系統(tǒng)中各個(gè)IGBT模塊中的IGBT器件和續(xù)流二極管的通態(tài)損耗，具體計(jì)算方法如公式(1)和(2)所示：

其中，P_IGBTc表示IGBT器件的通態(tài)損耗，P_Dc表示續(xù)流二極管的通態(tài)損耗，I₀表示流過(guò)IGBT器件的電流，V_c0表示IGBT器件輸出電壓在電流I₀＝0時(shí)的開(kāi)啟電壓，R_c表示IGBT器件的通態(tài)電阻，V_f0表示續(xù)流二極管輸出電壓在電流I₀＝0時(shí)的開(kāi)啟電壓，R_f表示續(xù)流二極管的通態(tài)電阻；

(2)計(jì)算各個(gè)IGBT器件和續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)損耗，具體計(jì)算方法(3)和(4)所示：

其中，P_IGBTs表示IGBT器件的開(kāi)關(guān)損耗，P_Ds表示續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)損耗，f_s表示IGBT器件的開(kāi)關(guān)頻率，P_IGBTon表示IGBT器件在額定狀態(tài)下的單脈沖開(kāi)通損耗，P_IGBToff表示IGBT器件在額定狀態(tài)下的單脈沖關(guān)斷損耗，P_Doff表示續(xù)流二極管在額定狀態(tài)下的單脈沖關(guān)斷損耗；

(3)按照公式(5)計(jì)算大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的總功耗P_T：

P_T＝6*N*(P_IGBTc+P_IGBTs+P_Dc+P_Ds) (5)

其中，N表示每相并聯(lián)的IGBT模塊數(shù)量；

(4)查詢IGBT模塊參數(shù)表獲得IGBT器件穩(wěn)定工作狀態(tài)下所容許的溫度上限值T_wm和IGBT內(nèi)部芯片到IGBT模塊表面的熱阻值R_t，并依據(jù)大功率船舶岸電變流系統(tǒng)容許的工作環(huán)境溫度上限值T_em，可以計(jì)算出系統(tǒng)容許的溫升上限值T_mr＝T_em-T_wm；

(5)按照公式(6)計(jì)算待設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的熱阻R_design，并查詢技術(shù)手冊(cè)中熱阻風(fēng)壓曲線確定采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱模式的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓值，依據(jù)公式(7)計(jì)算所需的風(fēng)量值Q_design，然后綜合依據(jù)風(fēng)壓值和風(fēng)量值這兩個(gè)重要技術(shù)參數(shù)可以確定出風(fēng)機(jī)的型號(hào)；

其中，λ表示工程估算比例系數(shù)，通常取1.6～2之間的實(shí)數(shù)，ρ表示空氣密度，c表示空氣的比熱容；

(6)依據(jù)大功率船舶岸電變流系統(tǒng)尺寸要求，確定大功率船舶岸電變流系統(tǒng)中待設(shè)計(jì)的散熱子系統(tǒng)空間尺寸的上限值，包括散熱子系統(tǒng)厚度的上限值d_max，散熱子系統(tǒng)表面積的上限值S_max；

(7)在步驟(5)和(6)的基礎(chǔ)上，結(jié)合公式(8)確定大功率船舶岸電變流系統(tǒng)中待設(shè)計(jì)的采取強(qiáng)制風(fēng)冷方式的散熱子系統(tǒng)厚度d_design和表面積S_design應(yīng)滿足的約束條件：

其中，α表示散熱系統(tǒng)所采用材料的熱導(dǎo)率，β表示與散熱系統(tǒng)表面和安裝角度相關(guān)的修正因子，β的取值范圍通常為0.01至0.05范圍的實(shí)數(shù)；

(8)按照公式(9)確定大功率船舶岸電變流系統(tǒng)中待設(shè)計(jì)的散熱子系統(tǒng)空間尺寸的優(yōu)化模型：

min F(x)＝min{w₁(d_design)²+w₂(S_design)²},x＝(d_design,S_design)

0<d_design≤d_max

0<S_design≤S_max

其中，F(xiàn)(x)表示決策向量x對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)，w₁和w₂表示權(quán)重系數(shù)；

(9)采用MATLAB軟件優(yōu)化工具箱中的實(shí)數(shù)編碼遺傳算法對(duì)步驟(8)中的優(yōu)化模型進(jìn)行求解，獲得大功率船舶岸電變流系統(tǒng)中待設(shè)計(jì)的散熱子系統(tǒng)空間尺寸的最優(yōu)值，包括最優(yōu)的厚度值d_opti和最優(yōu)的表面積值S_opti。

本發(fā)明的有益效果是：采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)際工程運(yùn)行要求的大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的高效熱設(shè)計(jì)效果，具有現(xiàn)有技術(shù)所不具備的以下優(yōu)點(diǎn)：大功率船舶岸電變流系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)模型更為精準(zhǔn)，散熱系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)參數(shù)更優(yōu)，散熱效率和可靠性等性能得以提升。

附圖說(shuō)明

圖1為用于大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的高效熱設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)步驟示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的目的和效果將更加明顯。

圖1為用于大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的高效熱設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)步驟示意圖。以一個(gè)功率為1兆瓦的大功率船舶岸電變流系統(tǒng)為例，采用本發(fā)明提出的高效熱設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)施。

所述的一種用于大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的高效熱設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1、輸入大功率船舶岸電變流系統(tǒng)所采用的英飛凌公司提供的型號(hào)為FF450R120KT3的IGBT模塊參數(shù)表：V_c0＝1.0V，R_c＝2.3mΩ，V_f0＝1.0V，R_f＝2.3mΩ，f_s＝3kHz，P_IGBTon＝28mJ，P_IGBToff＝44mJ，P_Doff＝38mJ；計(jì)算在占空比與時(shí)間滿足正弦關(guān)系下的大功率船舶岸電變流系統(tǒng)中各個(gè)IGBT模塊中的IGBT器件和續(xù)流二極管的通態(tài)損耗，具體計(jì)算方法如公式(1)和(2)所示：

其中，P_IGBTc表示IGBT器件的通態(tài)損耗，P_Dc表示續(xù)流二極管的通態(tài)損耗，I₀表示流過(guò)IGBT器件的電流，V_c0表示IGBT器件輸出電壓在電流I₀＝0時(shí)的開(kāi)啟電壓，R_c表示IGBT器件的通態(tài)電阻，V_f0表示續(xù)流二極管輸出電壓在電流I₀＝0時(shí)的開(kāi)啟電壓，R_f表示續(xù)流二極管的通態(tài)電阻。

2、計(jì)算各個(gè)IGBT器件和續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)損耗，具體計(jì)算方法(3)和(4)所示：

其中，P_IGBTs表示IGBT器件的開(kāi)關(guān)損耗，P_Ds表示續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)損耗，f_s表示IGBT器件的開(kāi)關(guān)頻率，P_IGBTon表示IGBT器件在額定狀態(tài)下的單脈沖開(kāi)通損耗，P_IGBToff表示IGBT器件在額定狀態(tài)下的單脈沖關(guān)斷損耗，P_Doff表示續(xù)流二極管在額定狀態(tài)下的單脈沖關(guān)斷損耗。

3、按照公式(5)計(jì)算大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的總功耗P_T：

P_T＝6*N*(P_IGBTc+P_IGBTs+P_Dc+P_Ds) (5)

其中，N＝8。

4、查詢IGBT模塊參數(shù)表獲得IGBT器件穩(wěn)定工作狀態(tài)下所容許的溫度上限值T_wm和IGBT內(nèi)部芯片到IGBT模塊表面的熱阻值R_t，并依據(jù)大功率船舶岸電變流系統(tǒng)容許的工作環(huán)境溫度上限值T_em，可以計(jì)算出系統(tǒng)容許的溫升上限值T_mr＝T_em-T_wm。

(5)按照公式(6)計(jì)算待設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的熱阻R_design，并查詢技術(shù)手冊(cè)中熱阻風(fēng)壓曲線確定采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱模式的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓值，依據(jù)公式(7)計(jì)算所需的風(fēng)量值Q_design，然后綜合依據(jù)風(fēng)壓值和風(fēng)量值這兩個(gè)重要技術(shù)參數(shù)可以確定出風(fēng)機(jī)的型號(hào)；

其中，λ表示工程估算比例系數(shù)，λ＝1.8，ρ表示空氣密度，c表示空氣的比熱容。

6、依據(jù)大功率船舶岸電變流系統(tǒng)尺寸要求，確定大功率船舶岸電變流系統(tǒng)中待設(shè)計(jì)的散熱子系統(tǒng)空間尺寸的上限值，包括散熱子系統(tǒng)厚度的上限值d_max，散熱子系統(tǒng)表面積的上限值S_max。7、在步驟(5)和(6)的基礎(chǔ)上，結(jié)合公式(8)確定大功率船舶岸電變流系統(tǒng)中待設(shè)計(jì)的采取強(qiáng)制風(fēng)冷方式的散熱子系統(tǒng)厚度d_design和表面積S_design應(yīng)滿足的約束條件：

其中，α表示散熱系統(tǒng)所采用鋁制材料的熱導(dǎo)率，α＝2.08，β表示與散熱系統(tǒng)表面和安裝角度相關(guān)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(tǒng)中待設(shè)計(jì)的散熱子系統(tǒng)空間尺寸的優(yōu)化模型：

min F(x)＝min{w₁(d_design)²+w₂(S_design)²},x＝(d_design,S_design)

0<d_design≤d_max

0<S_design≤S_max

其中，F(xiàn)(x)表示決策向量x對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)，w₁和w₂表示權(quán)重系數(shù)，w₁＝50，w₂＝1。

9、采用MATLAB軟件(版本號(hào)：7.11.0，R2010b)優(yōu)化工具箱中的實(shí)數(shù)編碼遺傳算法對(duì)步驟(8)中的優(yōu)化模型進(jìn)行求解，其中實(shí)數(shù)編碼遺傳算法參數(shù)設(shè)置為：種群規(guī)模＝30，最大迭代次數(shù)＝100，選擇操作為均勻隨機(jī)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(tǒng)中待設(shè)計(jì)的散熱子系統(tǒng)空間尺寸的最優(yōu)值，包括最優(yōu)的厚度值d_opti和最優(yōu)的表面積值S_opti。

本發(fā)明實(shí)施后獲得的效果：通過(guò)上述方法最終設(shè)計(jì)出了大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的鋁制散熱子系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)為：最優(yōu)的厚度值d_opti＝7.02厘米和最優(yōu)的表面積值S_opti＝0.95平方米，其中長(zhǎng)度為5.00米，寬度為0.19米，相比現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)得到的散熱系統(tǒng)尺寸減小了5％。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中在帶載和負(fù)載突變等多種工況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用本發(fā)明專(zhuān)利提供的高效熱設(shè)計(jì)方法的散熱效率相比現(xiàn)有技術(shù)至少提升了1.20％，可靠性至少提高了6.00％。

綜上所述，采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)際工程運(yùn)行要求的大功率船舶岸電變流系統(tǒng)的高效熱設(shè)計(jì)效果，具有現(xiàn)有技術(shù)所不具備的以下優(yōu)點(diǎn)：大功率船舶岸電變流系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)模型更為精準(zhǔn)，散熱系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)參數(shù)更優(yōu)，散熱效率和可靠性等性能得以提升。