风速概率分布对风电变流器中功率器件寿命的影响

通过建立功率器件寿命的概率评估模型,计入实际风电场中风速概率分布对功率器件寿命的影响,评估了不同风电场下不同风机系统中功率器件的可靠性,分析了风速概率分布与功率器件寿命之间的关系,并对研究结果进行深入讨论与验证。结果表明,在实际风电场中,功率器件因基频结温波动而消耗的寿命主要消耗在概率较小而大于某一特定风速的区域,且这一特定风速临近额定风速。因此,不同的风速区间应采取不同的控制策略,可有效降低器件寿命消耗。所得结论为研究如何提高风电变流器中功率器件寿命提供了一种新思路。     

考虑机侧变流器复杂热载荷特性的寿命评估

风电机侧变流器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块运行时承受着复杂的多时间常数特性热载荷,是风电系统中最为薄弱的环节之一。然而现有研究更多是简单选取工作点数据或者仅考虑稳态工况以及无法考虑外部环境的长期随机变化。因此,本文建立了一种能够综合计及IGBT模块热载荷的复杂时间常数特性影响的寿命评估模型。分析了实际风电场中不同时间常数热载荷的寿命消耗特点,以及风速分布与寿命消耗之间的关系。研究了不同气温等效方法对寿命评估的影响规律,最后通过实验验证了该方法的准确性。结果表明,双馈风机中低频周期热载荷造成的寿命消耗更为严重,占到整体寿命消耗的64.42%。基频周期寿命消耗与风速概率密度具有严重的不对称性,超过60%的IGBT模块寿命主要消耗在低概率密度的高风速区间。气温等效方法对基频周期热载荷影响可以忽略不计,而忽略气温波动将导致低频周期寿命消耗评估结果减小12.26%。     

考虑不同时间尺度的风电变流器功率模块可靠性评估模型

考虑到变风速运行下风电变流器功率模块的结温波动既受到风速的影响,同时也存在由换流引起的基频结温波动。为了综合衡量这两个时间尺度下结温波动对变流器可靠性的影响,提出考虑不同时间尺度下结温波动特点的可靠性评估模型。针对受风速影响较大的长时间尺度结温波动,根据FIDES可靠性评估导则,引入热应力因子和温度循环因子对不同风速均值、风速湍流强度运行状态下的可靠性影响进行评估。针对由换流引起的短时间尺度下的基频结温波动,采用多状态概率评估思想将风速大小进行概率划分,并基于功率模块失效机理评估不同风速对功率模块故障率的贡献。最后,以某风场变流器为例,对其可靠性进行评估,并分析设计参数对可靠性的影响。文中结论对于制定检修计划,提高功率模块设计可靠度提供了依据。     

基于寿命消耗分布规律的风电变流器IGBT模块热管理控制策略

结温波动是引起绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)热疲劳失效的重要原因之一,降低其幅值能够提高IGBT模块的可靠性。该文提出一种基于寿命消耗分布规律的热管理控制策略。所提策略首先结合一整年的风速和气温数据,量化分析IGBT模块的寿命消耗分布规律,讨论需要被重点管理的结温波动类型和大小;然后,通过将结温阈值下限设定为最低环境温度,研究对低频结温波动实现有效抑制的结温阈值上限。结果表明,风电变流器应侧重于抑制IGBT模块幅值较高的低频结温波动,并且应计入长时间的任务剖面以便反映出结温波动的实际分布规律。案例和实验验证所提策略不仅可以有效抑制低频结温波动,而且显著降低IGBT模块的寿命消耗。所提策略为如何提高长时间运行工况下IGBT模块的可靠性提供一种新方法。     

考虑运行功率变化影响的风电变流器可靠性评估

针对风电变流器运行功率随机变化可能导致其可靠性降低的问题,提出考虑功率大小及波动强度变化影响的变流器可靠性多状态概率评估模型。利用多状态概率分析法,以变流器输出功率大小和波动强度作为二维状态划分因子,对应其热应力因子和温度循环因子,建立变流器的元器件故障率统一计算模型。利用变流器元器件的结温计算方法,结合雨流法提取结温循环信息,建立风电变流器子系统级的可靠性多状态概率评估模型。以某风电场SCADA信息为例,比较了不同可靠性评估模型的收敛性,并分析功率大小和功率波动强度对机侧和网侧变流器故障率的影响。结果表明,所建立的可靠性评估模型更能合理反映功率变化对器件结温均值和结温波动的影响,评估的机侧变流器故障率比网侧更大,且随着功率波动强度增加,变流器故障率也增加。     

非平稳工况下风电变流器的热载荷分析

以双馈风力发电中的转子侧功率变流器(RSC)为例,通过发电系统的功率关系和发电机稳态等效电路,推导出RSC基波频率的表达式,然后根据变流器中功率元件IGBT模块的损耗和热模型,分析了风速波动,电网低电压穿越(LVRT)等各种非平稳工况对IGBT功率模块热载荷特性的影响。结果表明:风速固有的快速变化和难以预测特性导致转子侧功率变流器长时间处于非平稳工况。IGBT模块处理的功率波动剧烈从而引起结温也随之发生剧烈波动,电网暂态故障后的LVRT使得变流器瞬时工况更加复杂。长时间非平稳工况下的热冲击导致IGBT模块的可靠性下降。该研究方法和研究结论为风电功率变流器的容量评估及可靠性分析提供了依据。此外研究还表明,风机系统的大惯性特性减少了发电机输出功率的高频波动。     

高原环境对风电变流器的影响

高原地区人烟稀少,风资源丰富,是风电发展的下一个热点区域。介绍了高原环境的特点和气候参数,提出高原环境对变流器影响的因素和解决的方法。     

高压半导体功率器件的寿命控制工程述评

对应用于高压功率器件的寿命控制技术进行了述评。着重分析了高能H^ 辐照、He^2 辐照等局域寿命控制技术,利用这种技术有可能实现高压功率器件突破性的进展。     

MMC-HVDC系统功率器件的结温估算与寿命预测

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,半桥功率模块的寿命预测较为困难,提出了一种功率模块器件的结温实时监测方法及寿命耗损的评估方法.首先,研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,建立功率器件级的热阻模型,研究模块结温实时监测方法.然后,通过Lesit寿命模型和线性损伤累积理论对模块寿命耗损进行定量研究,结果表明,功率波动...     

风电全功率变流器参数对可靠性的影响分析

风速的随机变化使得风电变流器处理变化的功率,导致器件的温度产生波动,影响变流器的可靠运行。现有的基于一个工作状态下的风电变流器可靠性评估,无法反映负载随机变化造成器件温度波动对变流器可靠性的影响。功率器件失效的主要形式为铝键合线失效与焊料层疲劳,本文综合考虑这两种失效因素,给出了可靠性评估模型和评估方法,分析了开关频率、功率因数及散热热阻的变化对风电全功率变流器可靠性的影响,并以1MW永磁同步风力发电机为例结合实际的风速及气温数据进行了验证。实例结果表明,开关频率与散热热阻的变化对变流器可靠性的影响比较大。根据分析结论,讨论了针对风电变流器的实际工作环境,考虑风速的概率分布,对利用变频或变散热条件的控制措施以提高变流器可靠性的可行性。结果表明,可通过根据风速等工况来改变开关频率和散热条件来提高变流器的可靠性。     

含有源功率解耦的单相H桥逆变器综合可靠性评估

为抑制单相H桥变换器系统中直流侧低频纹波,近年来出现了许多功率解耦方法减小或消除DCLink电容,延长DC-Link寿命,提高其可靠性。然而,由于有源功率解耦引入了额外器件,且原有器件的应力也有所改变,因此,有必要对变换器级的可靠性进行综合评估。基于2 k W的单相H桥逆变器,通过器件级的电-热应力模型、寿命模型、Weibull分布得到器件级可靠性,并基于器件级可靠性,通过可靠性框图(RBD)得到变换器级可靠性,与传统无源解耦逆变器相比较,综合评估带两种不同有源功率解耦的单相H桥逆变器可靠性。     

电力电子器件的热疲劳寿命预测

针对功率变流装置中电力电子器件因承受随机波动温度载荷而诱发的热疲劳退化问题,以焊锡层热疲劳失效这种常见的失效模式为例,提出了一种预测电力电子器件热疲劳寿命的方法。以电力电子器件热疲劳退化机理为基础, 首先建立器件的电-热耦合模型,结合运行工况实时预测器件结温及不易直接测量的焊锡层的温度载荷;随后建立器件的热-机械耦合模型,计算不同特征温度载荷周期内累积的塑性形变,作为焊锡层热疲劳寿命模型的输入参数。结合以上两种模型以及Miner线性累积损伤理论即可实现任一工况下电力电子器件热疲劳寿命的预测。末尾举例说明了方法的有效性。     

火电厂热工仪表取样管电伴热系统的设计与应用

介绍了火电厂热工仪表取样管电伴热的原理以及电伴热技术在北方地区火力发电厂中的优势,结合火电厂热工仪表取样管保温特点,分析了与热工仪表取样管电伴热设计有关的3个因素:保温层厚度、管线内介质温度、保温材料的导热系数,并以北方地区某火力发电厂热工仪表取样管电伴热系统设计应用为例,论证了该计算方法的设计误差率低,以及能够充分发挥电伴热系统的优势和降低工程造价等优点。     

冷却器全停信号在大型电力变压器保护上的合理应用

随着电力系统的发展,变压器的单台容量逐年增大,保护变压器的运行安全越加重要。目前,惯例用风冷全停信号来保护变压器。这里分析该信号在大型变压器保护上的应用,找出它与环温、负荷等运行参数的关联,供设计变压器保护参考。     

电子设备环境温度试验方法的研究

电子设备的高低温试验是电子设备生产定型的依据之一,在实际应用中单纯的高低温试验并不能完全体现出电子设备对环境温度的适应性,因此必须进行整个环境温度的适应性试验。本文根据电子设备环境温度试验中出现的问题,提出了电子设备环境温度试验的方法,此方法同样适用于电子设备的维修。     

环境温度对桥差保护电容器组不平衡电流的影响研究

本文研究环境温度与桥差保护电容器组不平衡电流的关系,首先分析温度对并联电容器的影响,通过试验得到不同电容器的温度系数,进而得到电容器温度系数的普遍规律,在此基础上,对桥差不平衡电容器组进行考虑温度因素的仿真分析,最后参考换流站实际运行情况,分析直流工程中桥差保护电容器组的不平衡电流与温度的关系.为直流工程中电容器组调平...     

基于遗传算法的车用永磁同步电机在线热模型参数辨识方法

随着车用永磁同步电机(PMSM)转速的不断提升,实现对电机绕组与转子温度实时监测在电机热管理系统中至关重要。利用结合电机热模型的在线温升系统同步运算,可以较为经济和准确地对电机关键且难测区域温度进行实时估计。然而,复杂热模型虽然可以保证温度估计的准确度,但会显著提升在线系统的运算量。为解决上述问题,提出了一种新的结合解析化热模型与数据驱动的方法,在实现复杂热模型有效降阶的同时,保证模型精度。经验证,该方法可以将热模型节点数降低超过80%,并使关键区域温度的稳态估计精度达到1.78%,瞬态估计精度达4.18℃,满足热管理系统的快速响应需求和精度要求。     

功率半导体模块的温控散热器设计方法

随着可再生能源不断开发,电力电子系统的运行条件愈发严苛,对功率半导体器件的可靠性提出了严峻的挑战,其中,严苛的环境温度及器件温度的快速变化是影响功率器件寿命的2个主要因素。因此,模拟环境温度对功率器件的影响是分析器件老化因素的关键步骤。由于传统模拟环境温度的方法昂贵且不能模拟温度的急剧变化,因此提出了一种功率半导体器件的温控散热器设计方法。该设计方法引入了基于PLECS的热仿真模型及基于占空比可变开关信号的温度控制算法,能够实现功率半导体器件环境温度的模拟。相较于传统方法(如温箱),该方法能够实现更快的温度响应速度,且成本更低。搭建了实验样机,通过实验验证了该设计方法的有效性。     

基于环境温度变化对有刷电动机工作特性影响的研究

电机是一种不均质体,由多种不同温度特性和膨胀系数的金属和非金属材料组成,因此环境温度骤变会引发电机故障甚至失效。为了探究环境温度变化对永磁式有刷直流力矩电动机工作性能的影响,本文以一台有刷直流力矩电动机为例,基于不同温变速率的温度循环筛选试验验证,建立试验现象分析与试验数据对比,明确了环境温度变化对有刷直流力矩电动机性能指标或系统可靠运行的影响,为军用武器装备系统研制阶段的方案设计提供了一定的工程实践价值和理论依据。     

常温发黑工艺研究

对３种常温发黑液进行常温除油、酸洗及发黑工艺试验，并与高温碱性发黑进行性能对比试验和各项腐蚀性能检验，确定常温发黑工艺流程。