基于动态规整与Park矢量离心变化率的风电机组变流器健康状态评估

针对风电机组变流器绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块故障率高且故障发生在较短时间尺度上的情况，提出基于动态规整与Park矢量离心变化率的变流器IGBT健康状态评估方法，利用动态规整算法建立相似度计算模型，计算三相波形的最小规整距离与波形相似度并实现变流器运行状态判断；利用Park矢量椭圆离心率与变化率进行IGBT状态评估并设定评估指标。分别通过仿真及实际运行数据验证。验证结果表明，该方法具有较好的实用性，在故障发生前波形相似度逐渐降低，Park矢量离心率变化趋势持续增大，表明这种算法模型能够明显区分正常波形与异常波形。采用该方法能及时反映变流器健康状态，可以有效避免由于IGBT故障而导致电力电子系统关闭或损坏的情况。     

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。     

风电变流器IGBT模块损耗及结温的计算与分析

针对双馈风电变流器IGBT模块在交变热应力的长期作用下导致故障频发的问题,提出其损耗与结温的准确计算模型及不同工况下两者变化规律的研究。首先,建立了机侧及网侧变流器在整流或逆变模式下IGBT模块损耗及结温的计算模型;其次,对机组在不同运行工况下,其损耗和稳态结温进行分析。结果表明,随风速的增大,机侧与网侧变流器IGBT模块的损耗变化规律不同;机侧变流器IGBT模块的结温波动剧烈,尤其是在同步风速附近区域。     

三相电压源逆变器内部IGBT模块温度的求解及评估

三相电压源逆变器的工作性能、使用寿命等方面均与其内部绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块温度直接相关,故求解及评估该逆变器中IGBT模块的温度对于确保逆变器系统的安全可靠运行具有重要意义。针对现有模型及方法难以求解IGBT模块温度的问题,本文借鉴直接法的思想,提出了一种新的简单实用的IGBT模块温度求解算法。基于拟合及插值算法,推导并建立了IGBT模块功率损耗模型;基于电热比拟理论,探讨并建立了集中参数的IGBT模块等效Cauer传热网络模型,并将传热微分方程差分化;最终,在同一电路仿真器中构建出IGBT模块温度的求解算法。在三相电压源逆变器的算例中,通过与英飞凌IPOSIM的温度计算结果对比,表明本文算法最大误差为3.01%,且温度变化趋势与IPOSIM基本一致,最后利用该算法评估了逆变器在不同负载工况下的IGBT模块温度,所得结果可为合理地进行三相电压源逆变器的散热设计、长期可靠性评估等服务。     

MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

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。     

绝缘栅双极晶体管模块温度的快速求解算法

在绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的高效散热设计、变流器系统的长期可靠性评估等方面,通常需要了解IGBT模块温度,而现有模型及方法仿真耗时严重,难以实现IGBT模块温度的快速求解。针对该问题,文中借鉴直接法的思想,提出了一种新的IGBT模块温度快速求解算法。基于拟合及插值算法,推导并建立了IGBT模块功率损耗模型;基于电热比拟理论,探讨并建立了集中参数的IGBT模块等效Cauer传热网络模型,并将传热微分方程差分化;最终,在同一电路仿真器中构建出IGBT模块温度的快速求解算法。在两电平三相逆变器的算例中,通过与英飞凌IPOSIM的温度计算结果对比,表明文中算法最大误差为3.01%,且温度变化趋势与IPOSIM基本一致;通过与传统基于IGBT器件物理模型、热网络组件模型的计算时间对比,表明文中算法计算速度提高了近1 255倍。     

基于聚类分类算法的IGBT健康状态分类研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是功率变流器中最常用,也是故障率最高的元器件,因此其健康状态分类评估极为重要.文中基于聚类分类算法建立了IGBT模块的健康状态分类评估模型.首先根据聚类分类原理,简述了IGBT模块状态分类模型建立的步骤.然后以饱和压降和短路电流作为老化特征量,分析了老化过程特征量的变化趋势.最后搭建了IGBT模块健康状态分类评估模型,基于已有的数据集对模型进行了检测,模型分析结果与测试结果基本一致,验证了健康状态分类评估模型的准确性.     

基于改进动态时间规整算法的终端波形比对方法

为深入挖掘配电终端录波性能分析，提出了一种用于一二次深度融合设备检测终端录波平台的改进型动态时间规整算法。通过分帧及加窗完成对波形的预处理，计算源信号波形与受噪声干扰的终端录波波形的短时能熵比；将两组波形的短时能熵比序列作为输入测试向量，利用DTW对两个波形的能熵比序列进行路径规划并求解相似度；计算两组短时能熵比序列的公共子串长度定义优化匹配系数，修正波形相似度。实验仿真和实测数据分析结果表明，结合能熵比与公共子串的DTW算法提升了算法的计算效率和准确率。实验证明该方法能为配电终端的录波性能评估提供数据支撑。     

Vague集相似度量分析在架空输电线路运行状态评估中的应用

本文针对模糊集的推广形式——Vague集,阐述了Vague集理论与架空输电线路运行状态评估的新方法,建立了线路运行状态评估的Vague集模型。在状态评估中,Vague集之间的相似度量是评价待检测线路的运行状态与评估模型之间的测度,线路与评估模型的某个运行状态之间相似度量值越大,线路就越接近这个运行状态。通过对实际线路进行计算分析阐明了Vague集之间的相似度量分析在架空输电线路运行状态评估中的应用是可行的。     

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。     

动态时间规整算法诊断高压断路器故障

为诊断与分析高压断路器的故障,采用动态时间规整算法(DTW),该算法利用高压断路器振动波形具有重复性和独特性的特点,通过比较待测波形与参考波形时间特征量相似度的大小获得诊断结果。该算法只需一组健康数据作为基准参考数据,不但可诊断出高压断路器是否异常,还可确定某一时段对应动作事件的状态。用MATLAB编写动态时间规整算法程序,以试验实测波形为例,对断路器振动波形进行仿真分析,其结果与实际一致,验证了该算法应用于断路器故障诊断的有效性。     

模块化多电平换流器IGBT模块失效机理和状态监测研究综述

全控型绝缘栅双极晶体管(insulated gated bipolar transistor, IGBT)模块作为模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)的核心功率器件,其失效机理研究和状态监测技术对保证MMC的运行可靠性具有重要意义。IGBT模块劣化引起的运行参数失真和内部结构异常将严重影响MMC的工作性能。目前IGBT模块状态监测综述较多,但缺乏对MMC中IGBT模块状态监测的相关总结。首先分析了MMC的结构特性与工作原理。然后根据焊接式和压接式两种类型IGBT的失效机理,总结了IGBT模块的状态监测技术,并补充了MMC子模块中IGBT模块的状态监测方法并进行分析。最后针对目前研究中存在的不足,结合当下的研究现状,展望了未来柔性直流输电系统中IGBT模块状态监测与评估的研究方向。     

IGBT模块的新型开关模型与损耗分析

为解决绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）模块开关模型适用性差、拟合度低、开关损耗难以实时连续计算的问题,通过分析IGBT模块开关过程的动、静态特性,着重考虑器件结温和杂散参数等参考量对IGBT开关过程中的瞬时电压、电流波形的影响,基于曲线拟合理论,建立了IGBT模块的开关模型与损耗模型。所建立的开关模型通用性强,适用于相邻开关周期内开关管导通电流不相等的电路;损耗模型精确度高,能够实时累加计算电路的损耗数值。基于Matlab/Simulink环境对开关过程进行仿真并搭建了双重移相DC-DC实验样机进行验证,仿真与实验结果验证了所提出的开关模型及损耗模型的正确性和准确性。     

软穿通型3300 V/1200 A IGBT模块建模与仿真

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是功率模块作为电力电子领域中的重要大功率器件,在大容量场合越来越受重视。高压大功率IGBT模块国产化需求迫切,针对国产IGBT器件的模型研究成为不可缺少的环节。提出一种IGBT模块建模方法,基于IGBT工艺仿真与物理机制建立IGBT芯片模型,利用Q3D软件提取IGBT模块杂散参数,在Saber软件中结合芯片模型与杂散参数建立IGBT模块模型。然后,采用IGBT模块模型在Saber软件中搭建双脉冲仿真电路,得到IGBT模块的仿真波形。最后进行实验研究,将仿真波形与实验波形进行对比,结果基本一致,可见利用该方法所建的IGBT模块模型比较精确,为IGBT器件的应用仿真研究奠定了基础。     

计及疲劳损伤的多时间尺度风电变流器IGBT可靠性评估

现有的风电变流器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性评估方法在计及疲劳损伤时无法兼顾计算效率与准确度,为此提出了一种多时间尺度可靠性评估算法.首先,基于监测控制和数据采集(SCADA)数据建立风速的威布尔概率分布模型,依据风电变流器拓扑结构推导IGBT模块的电热耦合模型,并引入了常用的寿命预测模型;其次,对风电变流器IGBT进行时间尺度划分,并针对某2 MW风力发电系统,从不同时间尺度开展IGBT可靠性评估;最后,得出了计及疲劳损伤的可靠性评估参量,与现有统计数据对比,从累积损伤度和寿命预测2个方面来验证所提算法的可行性和准确性.结果表明,所提算法相较于现有算法,可以更加准确高效地评估IGBT的健康状况.     

基于特征提取的有源电力滤波器故障诊断方法

针对有源电力滤波器APF(Active Power Filter)的IGBT功率管易发生故障的问题,提出了基于故障特征提取的有源电力滤波器故障诊断方法。构建了APF故障仿真模型和基于小波包分析的故障特征提取方法,仿真分析了APF网侧电流波形,并运用小波包分析对IGBT故障时的网侧电流波形进行处理,提取了IGBT故障特征向量,最后运用神经网络对特征向量的分类来实现对APF的故障诊断。在APF故障诊断系统上进行测试,验证了该诊断方法的有效性和可行性。     

基于DTW的多状态负荷的非侵入式负荷分解

非侵入式负荷监测（NILM）是大数据和人工智能的重要应用领域,能够显著提升电网的智能化水平和节能效果。长期以来在NILM中采用稳态特征进行负荷分解时,优点是可识别功率近似的负荷,但是不能处理多状态负荷。为此,采用滑动时间窗作为事件探测算法,提出一种基于动态时间规整（DTW）的多状态特征的NILM模型。该模型首先对多状态负荷进行特征提取,并建立多状态特征的稳态波形模板库;然后利用滑动时间窗算法提取待分解负荷的稳态波形特征,将提取的稳态波形运用DTW算法与稳态波形模板库中的负荷特征计算最小距离进行辨识。该方法能够显著提升稳态条件下多状态负荷的辨识效果。最后采用公共数据集REDD进行测试验证,证明了所提方法的有效性。     

基于模糊动态时间弯曲算法的主动配电网电压运行状态评估

主动配电网(ADN)电压运行状态评估能够有效集成运行产生的多源异构数据表征ADN电压运行状态。为了客观反映关键节点的电压控制能力、互联分区的无功互动支撑和配电网全局的无功平衡水平,构建“点-区-网”多颗粒度评估指标体系;提出一种融合模糊识别和动态时间弯曲的模糊动态时间弯曲(FDTW)评估算法,将电压运行状态评估问题转化为模糊序列模式识别问题,并采用最小弯曲距离比较待评估样本与参考样本的相似度。以某ADN为应用实例,验证了所提指标体系和FDTW评估算法的有效性。     

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。