风电变流器IGBT模块结温计算及功率循环能力评估

【摘要】：由于风能的间歇式固有特征，风电机组长时间、频繁和大范围的随机出力变化，往往导致风电变流器IGBT模块（由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）及晶体二极管（Diode）组成）持续承受剧烈的电热应力冲击，尤其是风电机组机侧变流器长期处于低频下运行，其IGBT模块因结温波动变化而导致其运行可靠性较低的问题凸显。为了准确获取风电变流器IGBT模块的结温并评估其运行可靠性，论文以双馈风电机组的变流器IGBT模块为对象，研究其损耗及结温计算模型，并提出机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法。其选题符合我国大力发展风力发电的战略需求，研究成果对提高大功率风电变流器可靠性的状态监测水平有着重要的学术意义和应用价值。 本文主要内容包括： ①在对IGBT模块封装结构及热传递过程深入了解的基础上，重点掌握器件的电热耦合特性及常见的失效机理，为进一步开展结温计算及功率循环能力的研究奠定基础。 ②为了准确计算变流器IGBT模块的结温，研究并建立了基于开关周期损耗分析方法的IGBT模块结温计算模型，针对实际IGBT模块，将本文结温模型的计算结果，与采用基于输出周期损耗分析的常规结温计算模型的结果进行比较，并和PLECS电力电子热仿真结果进行验证。 ③为准确分析双馈风电变流器IGBT模块损耗及结温的变化规律，考虑双馈风电机组运行特性和变流器控制策略，建立了双馈风电变流器IGBT模块损耗及结温计算模型，并分别对风电机组全运行工况下机侧和网侧IGBT模块的损耗及结温进行了研究。 ④为准确评估实际湍流风速对双馈风电机组机侧变流器IGBT模块功率循环能力的影响，基于雨流算法提取随机结温波动信息，建立了双馈风电机组机侧变流器IGBT模块平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）的评估模型，并分析了不同湍流风速对其结温波动特性和功率循环能力的影响。 上述研究内容为风电变流器IGBT模块结温的在线准确评估及湍流风速下模块可靠性的定量分析奠定了理论基础和技术支撑。 【关键词】：双馈风电机组 变流器IGBT模块 结温 湍流风速 功率循环能力
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM46;TN322.8
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 课题背景及研究意义8-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 风电变流器 IGBT 模块结温研究现状10-11
• 1.2.2 风电变流器 IGBT 模块可靠性研究现状11-12
• 1.3 本文的研究内容12-14
• 2 IGBT 模块电热耦合特性及失效机理14-22
• 2.1 引言14
• 2.2 IGBT 模块电热耦合特性14-18
• 2.2.1 IGBT 模块封装结构14-15
• 2.2.2 IGBT 模块热传递过程分析15-16
• 2.2.3 不同结温下 IGBT 模块损耗特性16-18
• 2.3 IGBT 模块失效机理18-20
• 2.3.1 热机械应力失效18-20
• 2.3.2 过电应力失效20
• 2.4 小结20-22
• 3 基于开关周期损耗分析的 IGBT 模块结温计算方法22-40
• 3.1 引言22
• 3.2 不同工作模式 IGBT 模块开关周期损耗计算22-28
• 3.2.1 IGBT 模块损耗计算原理22-24
• 3.2.2 逆变/整流模式下 IGBT 模块开关周期损耗计算方法24-28
• 3.3 基于开关周期损耗分析的 IGBT 模块结温计算模型28-32
• 3.3.1 IGBT 与 FWD 器件的等效热网络28-29
• 3.3.2 变流器 IGBT 模块结温计算模型29-31
• 3.3.3 基于 MATLAB/Simulink 的 IGBT 模块结温仿真模型31-32
• 3.4 实例比较和验证32-37
• 3.4.1 常规结温计算方法32-33
• 3.4.2 不同结温计算方法的实例比较33-36
• 3.4.3 本文结温计算方法的实例验证36-37
• 3.5 小结37-40
• 4 双馈风电变流器 IGBT 模块结温仿真及分析40-56
• 4.1 引言40
• 4.2 双馈风电机组建模及运行特性40-46
• 4.2.1 双馈风力发电机的工作原理40-41
• 4.2.2 风力机控制特性41-42
• 4.2.3 变流器控制策略42-44
• 4.2.4 双馈风电机组运行特性分析44-46
• 4.3 机侧及网侧变流器 IGBT 模块稳态结温分析46-54
• 4.3.1 双馈风电变流器 IGBT 模块损耗及结温计算模型46-47
• 4.3.2 机侧及网侧变流器 IGBT 模块损耗分析47-50
• 4.3.3 机侧及网侧变流器 IGBT 模块稳态结温分析50-54
• 4.4 小结54-56
• 5 计及湍流风速的机侧变流器 IGBT 模块功率循环能力评估56-68
• 5.1 引言56-57
• 5.2 机侧变流器 IGBT 模块失效模型57-58
• 5.2.1 器件功率循环失效模型57-58
• 5.2.2 机侧变流器 IGBT 模块的 MTBF 计算模型58
• 5.3 湍流风速对机侧变流器结温波动的影响58-61
• 5.3.1 短期湍流风速仿真58-60
• 5.3.2 湍流风速对结温波动的影响60-61
• 5.4 机侧变流器 IGBT 模块功率循环能力改进评估模型61-64
• 5.4.1 基于雨流算法的随机结温波动信息提取61-62
• 5.4.2 IGBT 模块循环能力改进评估模型62-64
• 5.5 风速对 IGBT 模块循环能力的影响64-67
• 5.5.1 年平均风速的影响64-66
• 5.5.2 湍流强度的影响66-67
• 5.6 小结67-68
• 6 结论与展望68-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-78
• 附录78-79
• A. 变流器及 IGBT 模块参数78
• B. 1.5 MW 双馈风电机组的主要仿真参数78
• C. 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目78-79

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