热路模拟方法及采用该方法的换流阀组件热路模拟方法

技术领域

本发明涉及一种热路模拟方法，特别是直流输电换流阀组件热路模拟方法， 属于高压直流输电技术中散热设计领域。

背景技术

高压直流输电(HVDC)换流阀目前主要采用晶闸管串联形式组成，其核心元 器件晶闸管作为一种功率半导体器件，工作状态密切依赖于其芯片(硅)的温度， 即结温。当结温升高时，硅的介电能力减弱、载流子寿命增加、耐疲劳能力降低， 在HVDC换流阀中相应地表现为耐压能力降低、反向恢复电荷增加、反向恢复过 冲增强、使用寿命降低。总之，直流输电换流阀晶闸管的结温既影响直流输电换 流阀的运行可靠性，又影响其使用寿命。

在晶闸管运行过程中，晶闸管芯片的温升主要由芯片自身工作产生的损耗引 起。因此，HVDC晶闸管阀中普遍配有专门的水冷散热器将损耗带走，以控制结 温在可靠的工作范围以内，如稳态运行结温限制在90℃以下。控制稳态结温主 要依靠提高散热效率、降低晶闸管自身和散热器的热阻以及它们之间的接触热 阻。

综上，在晶闸管水冷散热器设计和冷却系统设计时需要对晶闸管的结温进行 计算和预测，目前采用的方法主要有试验法、计算法和有限元仿真。试验法的主 要问题是晶闸管结温的测量，一般通过测量晶闸管壳温，再根据热传导理论推算 晶闸管结温，试验环境和测温点的选择对结果影响较大。目前采用的计算法的主 要问题是计算单个晶闸管和散热器，没有考虑阀组件散热结构和水路对晶闸管结 温计算的影响。有限元仿真方法的优点是可以得到阀组件的温度分布云图，结果 直观，但是其模型复杂，参数获取困难，仿真结果存在不确定性。

发明内容

本发明提供了一种热路模拟方法及采用该方法的换流阀组件热路模拟方法， 用于稳态运行时晶闸管结温计算和仿真的阀组件热路模型，解决现有技术建模复 杂，参数获取困难的问题。

本发明的目的是采用下述方案实现的：

一种热路模拟方法，包括如下步骤：

1)建立热路中的物理量与电路中物理量的对应关系：温度对应电压，热流 量对应电流，热阻对应电阻；

2)依据上述对应关系，采用电路模型来建立待模拟设备的热路模型，包括： 根据待模拟设备的散热方式，建立待模拟设备的整体散热模型；根据待模拟设备 中与散热相关的各个元件或单元的散热特性，所述各个元件或单元的热路模型。

热路中的物理量与电路中物理量的对应关系还包括：热容对应电容。

本发明利用电路模型来建立阀组件热路模型以进行热路模拟，为热路模拟提 供了一种崭新的思路，而且这样能够直接借助现有的电路模拟软件(如PSPICE 等仿真软件)，不用再设计其他专用软件。

本发明还提供了一种换流阀组件热路模拟方法，包括如下步骤：

1)建立热路中的物理量与电路中物理量的对应关系：温度对应电压，热流 量对应电流，热阻对应电阻；

2)依据上述对应关系，采用电路模型来建立阀组件的热路模型：阀组件热 路模型由若干晶闸管热路、水冷散热器热路和阻尼电阻热路串联组成；晶闸管热 路由模拟晶闸管散热量的电流源和模拟晶闸管热阻的电阻组成；散热器热路由模 拟散热器进水温度的电压源、散热器冷却水温升的电流控制电压源和模拟散热器 热阻的电阻组成；阻尼电阻热路由模拟阻尼电阻散热量的电流源和模拟阻尼电阻 热阻的电阻组成。

双面散热、结构对称的晶闸管，晶闸管热路由模拟晶闸管散热量的电流源和 两个模拟晶闸管结壳热阻的电阻组成T型结构：电流源正极和两个电阻一端连接 在一起，电流源负极接地，两电阻另一端分别用于连接晶闸管热路输入和输出。

所述水冷散热器热路分为左半散热器和右半散热器，左半散热器和右半散热 器进水温度相同；每个半散热器热路由模拟散热器进水温度的电压源、散热器冷 却水温升的电流控制电压源和模拟散热器热阻的电阻组成：电压源、电流控制电 压源串联，形成的正极连接半散热器输入，负极接地，电阻一端连接半散热器输 入，另一端连接半散热器输出。

所述阻尼电阻热路由模拟阻尼电阻散热量的电流源和模拟阻尼电阻热阻的 电阻组成：电流源正极连接模型输入，负极接地，电阻一端连接阻尼电阻热路输 入，另一端连接阻尼电阻热路输出。

在晶闸管设计阶段，利用本发明提供的热路模型，根据晶闸管损耗、阻尼回 路损耗以及晶闸管结温限值，通过计算或仿真提出对水冷散热器热阻的要求。在 运行阶段，利用本发明提供的热路模型，可以对晶闸管结温进行预测。

相比有限元分析法，本发明的建模简单。相比计算法，本发明提供的阀组件 热路模型，将晶闸管置于阀组件之中，考虑了阀组件散热结构和水路对晶闸管结 温计算的影响。

附图说明

图1是换流阀组件热路模型；其中：Rd——水冷散热器至阻尼电阻热阻

Rs——水冷散热器至晶闸管外壳热阻

Rjc——晶闸管结壳热阻

PR——电流源，阻尼电阻散热量

Pth——电流源，晶闸管散热量

t0——电压源，组件冷却水进水温度(第1个水冷散热器进水温度)

tiL——电压控制电压源，第i个水冷散热器左半散热器进水温度(i＝2,3，……)

tiR——电压控制电压源，第i个水冷散热器右半散热器进水温度(i＝2,3，……)

△tiL——电流控制电压源，第i个水冷散热器左半散热器冷却水温升 (i＝1,2,3，……)

△tiR——电流控制电压源，第i个水冷散热器右半散热器冷却水温升 (i＝1,2,3，……)

A是左半散热器、B是晶闸管、C是右半散热器、D是阻尼电阻；

图2是换流阀组件热路模型在PSPICE仿真软件下建立的仿真模型。

具体实施方式

本发明利用热路与电路的相似性，建立热路中的物理量与电路中物理量的对 应关系，利用电路模型来建立阀组件热路模型，以进行热路模拟。上述对应关系 如下表所示：

温度对应电压，热流量对应电流，类比电路，热阻相当于对温度的传导起到 的阻碍作用，用温度与热流量之比表示。

下面将本发明的方法应用于直流输电换流阀组件的散热设计中，结合附图1、 附图2、对本发明进一步说明。

对于直流输电换流阀组件，首先根据阀组件的散热方式，建立阀组件的整体 热路模拟结构，即阀组件热路模型；然后再建立阀组件中与散热相关的各个元件 或单元的热路模拟结构，即各元件或单元的热路模型。当然，也可以首先建立元 件或单元热路模型，再建立整体模型。

阀组件热路模型由若干晶闸管热路、水冷散热器热路和阻尼电阻热路串联组 成。

晶闸管热路由模拟晶闸管散热量的电流源和模拟晶闸管热阻的电阻组成，对 于双面散热，结构对称的晶闸管，晶闸管热路由模拟晶闸管散热量的电流源和两 个模拟晶闸管结壳热阻的电阻构成。

水冷散热器热路分为两部分，一是左半散热器，一是右半散热器，半散热器 热路由模拟散热器进水温度的电压源(电压源也包括电压控制电压源)、散热器 冷却水温升的电流控制电压源和模拟散热器热阻的电阻组成。左半散热器和右半 散热器进水温度相同。

阻尼电阻热路由模拟阻尼电阻散热量的电流源和模拟阻尼电阻热阻的电阻 组成。

如图1以三级晶闸管串联组成的阀组件热路为例，阀组件水路为串联。水路 串连的三级晶闸管串联组成的阀组件热路模型包括：晶闸管热路、水冷散热器热 路和阻尼电阻热路。共有3个晶闸管和4个散热器串联压接而成，阻尼电阻插入 水冷散热器中。

晶闸管热路由模拟晶闸管散热量的电流源P和模拟晶闸管热阻的电阻Rjc组 成，对于双面散热，结构对称的晶闸管，晶闸管热路由模拟晶闸管散热量的电流 源P和两个模拟晶闸管结壳热阻的电阻Rjc构成T型结构：电流源P正极和两个 电阻Rjc一端连接在一起，电流源负极接地，两电阻Rjc另一端分别用于连接晶 闸管热路输入和输出。j表示晶闸管编号。

所述水冷散热器热路分为两部分，一是左半散热器，一是右半散热器，半散 热器热路由模拟散热器进水温度的电压源(或电压控制电压源)tiL、散热器冷 却水温升的电流控制电压源△tiL和模拟散热器热阻的电阻Rs组成，左半散热器 和右半散热器进水温度相同。上述tiL和△tiL中i表示散热器编号，散热器编 号从左边开始依次为1,2，…，L表示左半散热器，R表示右半散热器。

电压源tiL、电流控制电压源△tiL串联，形成的正极连接模型输入，负极 接地，电阻Rs一端连接散热器热路输入，Rs另一端连接散热器热路输出。

阻尼电阻热路由模拟阻尼电阻散热量的电流源PR和模拟阻尼电阻热阻的电 阻Rd组成：电流源PR正极连接阻尼电阻热路输入，负极接地，电阻Rd一端连 接阻尼电阻热路输入，Rd另一端连接阻尼电阻热路输出。

附图2是本实施例在PSPICE中建立的仿真模型。

冷却水由#1散热器进入，由#2散热器流出，不考虑冷却水沿水管的散热， #1散热器出水温度是#3散热器进水温度，#3散热器出水温度是#4散热器入水温 度，#4散热器出水温度为#2散热器入水温度。对于#1散热器用恒压源模拟其进 水温度，其他散热器用电压控制电压源模拟其进水温度，用电流控制电压源模拟 散热器内冷却水温升。

以上是本发明的具体实施方式，本发明的思路在于利用热路与电路的相似 性，建立热路中的物理量与电路中物理量的对应关系，从而利用电路模型来建立 阀组件热路模型，以进行热路模拟。除了应用于上述实施例中的直流输电换流阀， 还能够用于其他电力领域或其他领域的器件或设备。而且，根据以上实施例给出 的启示，本领域技术人员也可以在设计具体的元件或单元的热路模型时，采用与 上述实施例不同的方式，例如在忽略某些因素时相应的简化模型。

在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述 实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应 技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述 实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。