考虑光伏电源可靠性的配电网无功电压调控策略

光伏电源主动参与配电网无功调控会增大光伏逆变器输出电流,导致绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)最大结温升高、结温波动加剧,严重影响光伏电源的可靠运行。为了实现光伏电源无功主动支撑,同时保证光伏电源可靠运行,提出考虑光伏电源可靠性的配电网无功电压调控策略,采用基于任务剖面的IGBT可靠性评估方法,实现光伏逆变器中IGBT可靠性的量化评估;考虑分布式光伏电源无功支撑能力,建立基于IGBT最大结温、配电网网损、光伏有功削减的有源配电网多目标无功优化模型,通过线性化与二阶锥松弛将非线性非凸模型转化为二阶锥规划模型,实现模型快速求解;利用IEEE 33节点典型配电系统与实际配电系统验证了所提策略在提升光伏电源最小寿命、平均寿命、可靠性等方面的有效性。     

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。     

负载电流对IGBT器件中键合线的寿命影响和机理分析

通过器件的功率循环试验可建立寿命模型,如最常用的CIPS08公式,用来预测实际工况下的寿命情况。其中结温波动和结温最大值对键合线寿命的影响最大,但是在功率循环试验中往往需要同时调节负载电流大小和开通时间来达到相同的结温波动和结温最大值。为了进一步评估负载电流和开通时间这两个参数对键合线寿命的贡献,尤其是负载电流的影响机制,该文对650V/20A的TO封装IGBT器件在相同的结温波动和结温最大值,但在不同的负载电流大小和开通时间的组合条件下进行了功率循环试验。结果表明,不同的负载电流和开通时间组合对器件寿命有不可忽略的影响,电流增大会显著降低IGBT器件中键合线的寿命。为了解释试验出现的现象并揭示其作用机制,该文建立TO封装IGBT器件的电-热-力多物理场有限元模型,考虑铝键合线和表面金属层的弹塑性特性,分析电流影响键合线应力大小的机理。同时引入金属疲劳寿命模型,得到的仿真寿命趋势与试验结果相吻合。该文研究可为IGBT器件的精确模型建立和键合线疲劳寿命预测提供指导意义。     

负载电流对IGBT器件中键合线的寿命影响和机理分析

通过器件的功率循环试验可建立寿命模型,如最常用的CIPS08公式,用来预测实际工况下的寿命情况。其中结温波动和结温最大值对键合线寿命的影响最大,但是在功率循环试验中往往需要同时调节负载电流大小和开通时间来达到相同的结温波动和结温最大值。为了进一步评估负载电流和开通时间这两个参数对键合线寿命的贡献,尤其是负载电流的影响机制,该文对650V/20A的TO封装IGBT器件在相同的结温波动和结温最大值,但在不同的负载电流大小和开通时间的组合条件下进行了功率循环试验。结果表明,不同的负载电流和开通时间组合对器件寿命有不可忽略的影响,电流增大会显著降低IGBT器件中键合线的寿命。为了解释试验出现的现象并揭示其作用机制,该文建立TO封装IGBT器件的电-热-力多物理场有限元模型,考虑铝键合线和表面金属层的弹塑性特性,分析电流影响键合线应力大小的机理。同时引入金属疲劳寿命模型,得到的仿真寿命趋势与试验结果相吻合。该文研究可为IGBT器件的精确模型建立和键合线疲劳寿命预测提供指导意义。     

抑制IGBT器件结温的双馈风电变流器分段DSVPWM策略

针对双馈风电机组机侧变流器绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动大的问题,提出了一种抑制IGBT结温且不影响机组运行性能的机侧变流器调制策略。首先,基于不连续空间矢量调制(DSVPWM)在一定负载功率因数角可降低变流器开关损耗的思路,通过推导双馈风电机组机侧变流器功率因数角表达式,详细分析了机侧变流器功率因数角的变化范围。其次,为了有效抑制IGBT结温,针对机侧变流器功率因数角变化范围大的问题,提出以机侧变流器功率因数角变化范围为依据的分段DSVPWM策略。最后,建立了考虑IGBT热性能的双馈风电变流器电-热耦合模型,对机组不同出力下的变流器电-热性能进行了仿真分析。结果表明,与传统连续空间矢量调制(CSVPWM)策略相比,所提出的分段DSVPWM策略能有效抑制机侧变流器IGBT结温及结温波动。     

一种基于调节缓冲电容的IGBT热管理方法

针对结温波动加快绝缘栅双极型晶体管(IGBT)老化失效的问题,提出一种基于调节缓冲电容改变IGBT关断轨迹的热管理方法。依据IGBT寿命模型,通过关断轨迹调节关断损耗大小以平滑结温波动的方法能提高IGBT使用寿命。与现有的热管理方法相比,该方法具有对主电路影响小、实现简单等优点。首先,阐述热管理电路的工作原理,分析缓冲电路对IGBT关断损耗的影响。然后,建立IGBT损耗计算模型,归纳关断轨迹热管理调节能力的评估方法,以1.2 MW直驱风机系统为例,关断轨迹热管理可以平滑20%额定功率的负载变化造成的结温波动。最后,对该热管理方法进行小功率的实验验证。     

基于转速控制的双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制策略

针对当前双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近结温波动大、影响器件运行可靠性的问题,提出一种基于机组转速控制的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动抑制策略。首先,基于最大功率点跟踪(MPPT)控制原理,并结合变流器IGBT模块等效热网络,建立双馈风电变流器结温计算模型。其次,针对机侧变流器在同步转速点附近结温波动出现的"尖峰"现象,从减少机组低频运行范围和提升同步转速附近区域穿越速度的思路出发,提出基于功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪控制策略。最后,搭建基于PLECS和Simulink联合平台的双馈风力发电系统仿真模型,对机组在亚同步和超同步转速间动态往返变化的变流器电-热性能及其在同步转速附近区域的稳态结温进行仿真,并开展变流器结温抑制效果验证的等效实验。仿真和实验结果验证了所提改进控制策略对抑制机组同步转速点附近变流器IGBT结温波动的有效性。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

加速器脉冲电源的IGBT结温波动预测

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)磁铁电源大多是开关电源,工作于脉冲大电流、高精度模式,各种功率等级的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)数量庞大,IGBT的稳定工作对电源可靠、稳定工作至关重要.从IGBT损耗计算入手,分析和测量了IGBT在特定脉冲运行模式下的结温波动规律.以600 A/1200 V IGBT为例,对3种实际电流工况进行了实验分析,采用热成像仪对IGBT结温进行测量,结温数据的误差在3.5 ℃以内,验证了所提结温分析方法的正确性.最后,根据Bayerer寿命模型进行了基于结温波动的可靠性评估.     

计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化控制策略

光伏电源参与配电网无功电压调节是提升光伏高渗透配电网运行经济性和可靠性的有效手段,但光伏电源提供无功支撑会使得光伏电源IGBT最大结温升高、结温波动加剧,进而影响光伏电源和配电网的安全稳定运行。为此,该文提出一种计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化控制策略。首先,利用CatBoost算法计算IGBT结温,提高了IGBT结温计算效率,避免了传统结温算法对IGBT热模型参数的依赖;然后,建立考虑IGBT结温约束的有源配电网多目标无功优化模型,利用二分法求解IGBT结温约束下的光伏电源最大输出功率,实现了IGBT结温约束向二阶锥约束的转换;最后,利用IEEE33节点典型配电系统验证了所提策略在光伏高渗透配电网无功电压优化、光伏电源运行可靠性提升方面的有效性,并提出了综合考虑配电网网损、光伏电源可靠性的光伏电源IGBT结温限值整定原则。