双馈风电变流器IGBT模块的损耗与结温准确计算模型及规律研究

为了解决交变热应力大范围波动会导致IGBT模块稳定性大幅下降,引起双馈风电变流器IGBT模块故障频发的问题,基于解析解理论以及不同损耗分析方法并结合双馈风电变流器实际运行特性,建立了IGBT模块功率损耗以及机侧、网侧结温稳态模型,并且分析了其在不同工况下的变化特性。结果表明,风速对机侧以及网侧变流器IGBT模块的功损耗以及结温变化特性影响较大,最终得到基于开关周期理论所建模型更加适用于分析IGBT模块结温以及损耗的精确模拟。双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随风速的增大而增大。     

双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析

针对双馈风电机组机侧变流器长期处于低频下运行导致故障率高的机理问题,提出其功率器件绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)结温准确计算方法及其变化规律的研究。首先基于不同损耗分析方法,结合IGBT热网络,建立了IGBT结温计算模型,并对一个实际IGBT在不同结温计算方法下的稳态结温进行比较。其次,结合双馈风电机组运行特性,分别建立其全范围工况下机侧变流器IGBT的结温计算模型。最后,分析了双馈风电机组在不同风速下机侧变流器IGBT稳态结温变化规律及其影响因素。结果表明,基于开关周期损耗的结温计算方法更适合较低频率运行下IGBT结温的准确计算;双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随变流器输出频率的降低而增大。     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

基于 SPWM 的直驱风电变流器功率模块分析

基于新疆地区特殊的地理环境造成的风电变流器IGBT功率模块由于承受剧烈的交变热应力而失效的情况,以某1.5 MW直驱风电变流器为研究对象,建立了其仿真模型,并推导了网侧以及机侧变流器功率模块的损耗和结温表达式。结合风电场实测风速,研究了变流器功率器件的损耗变化规律,分析了变流器各部件所受热应力冲击情况。研究结果表明网侧变流器的IGBT模块损耗最高,最易损坏。     

基于电热耦合模型的风电变流器IGBT结温特性研究

随着我国新能源电力的规模化开发,新能源发电系统(包括风电、光伏、生物质能、海浪等)装机容量不断增长,对新能源变流器的容量、效率和可靠性的要求也越来越高。研究风电变流器IGBT的结温有助于研究变流器的可靠性,为新能源安全运行提供了支持。目前,针对IGBT结温的计算主要是基于数据手册,损耗计算采用了热路模型或者场的方法,并且忽略了恶劣的运行环境以及IGBT不同工况故障带来的影响。针对其在不同运行工况下的结温特性问题,建立了IGBT功率模块的电热耦合模型,分析了在SPWM控制策略下IGBT功率模块结温特性的变化规律。仿真结果表明,在电网遇到的三相故障短路问题、开路问题以及高海拔地区风机恶劣的运行环境影响下,对IGBT的结温都会有很大的影响。     

双馈抽水蓄能机组用中点箝位式三电平变流器损耗与结温分布

针对双馈抽水蓄能机组(DFPSU)运行工况转换频繁,分析不同运行工况下中点箝位式(NPC)三电平变流器功率器件损耗及结温分布。基于DFPSU运行特点,以机侧变流器单相桥臂功率模块为例,研究了不同运行工况下各个功率器件开关动作和电流通路,理论上分析了器件损耗分布不均现象;基于功率器件导通损耗和开关损耗计算模型,建立其热网络等效电路和结温计算模型,考虑DFPSU控制策略,并基于PLECS平台建立了NPC三电平变流器功率器件电热耦合仿真模型;对机组在发电、电动和调相运行工况下的器件损耗和结温分布进行仿真。理论分析与仿真结果表明,不同运行工况下器件损耗不同,变流器中间位置的主开关和箝位二极管的损耗和平均结温最大,且机组在同步转速点附近器件结温波动最大。     

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。     

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。     

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。     

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。     

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。     

高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算

为设计可靠性高的高功率密度电机控制器,计算绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的损耗和结温至关重要。以某电动汽车用高功率密度电机控制器为研究对象,分析了利用数据手册计算IGBT模块损耗和结温的方法,利用FLUENT软件计算出实际冷却水温度下的热阻值,解决了数据手册中热性能数据不完善的问题。基于Matlab软件的M语言开发了损耗及结温计算程序,可以计算出不同工况下的损耗和结温等重要参数,为电机控制器的热设计提供指导。     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。     

用于风电的模块化多电平变流器IGBT的定制化设计

模块化多电平换流器(MMC)已广泛应用于风力发电系统中,其中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的设计直接影响着系统的各项性能。而IGBT模块的设计选型缺乏理论指导,存在IGBT模块裕量选取过大造成的成本浪费现象,因此文中提出一种基于双目标优化的IGBT的定制化设计方法。首先以损耗和芯片成本作为IGBT定制化设计的指标,结合风力发电的年运行工况,根据风速的概率分布来评估IGBT损耗,通过双目标粒子群算法求得Pareto前沿。最后,分别采用IGBT模块和分立元件2种方法进行定制化设计,结果表明所提设计方法在降低器件成本的同时可以兼顾变流器的损耗和可靠性。     

绝缘栅双极型晶体管动态电热联合仿真模型

简述了IGBT电热耦合模型理论,在Saber仿真环境里搭建了动态电热联合仿真模型,计算得到结温和各层温度的精确瞬变过程。在相同加热电流下,采用红外热成像仪探测IGBT模块芯片表面瞬态温度分布,通过分析结温温升及温度特性验证了仿真计算结果,探测结果表明芯片表面温度分布并不均匀,中心温度较边缘要高3~5 K且开始上升很快,随后进入一个缓慢的上升过程。采用该动态电热联合仿真模型可对不同工作状态下模块各层的温度和上升时间进行预测,并结合探测结果提出了提高IGBT可靠性的方法。