风电变流器中IGBT的可靠性研究

【摘要】：风力发电是目前新能源的焦点之一,度电成本达到了与火电相近的程度,具备大规模开发的条件,近年发展非常迅速。我国目前的主流机型是1.5MW等级的双馈和直驱风机,1.5MW及以上功率等级的风机将是未来的发展趋势；而双馈,直驱和半直驱将在未来共同存在。风电设备工作于野外,要求20年以上的寿命,工作条件苛刻,维修不便利,因此可靠性要求高。然而,野外昼夜气温变化大,加上风速又无时无刻不在变化,以及潮湿,盐雾,风沙,极端的高温和低温,这些都对变流器的稳定可靠运行造成严峻挑战。截止到2010年底,我国风电变流器中(包括5MW风机),使用的功率器件全部是IGBT,由于IGBT的特殊结构,该类器件的功率循环/热循环能力远不如晶闸管(包括GTO/IGCT),而风电变流器中,由于风无时无刻不在变化,为了实现最大风能捕获,以致机侧变流器的电流电压以及频率需要随风的变化而变动,而网侧变流器的电流需要随风的变化而变化,以便向电网上输送频率和电压稳定的电能；变流器的频率,电压,电流的持续变化,将在功率器件上产生大量功率循环/热循环载荷,对功率器件的可靠性形成影响。 变流器的可靠性是一个复杂的问题,对变流器可靠性的检验,往往需要很长的时间,然而,功率器件厂商的失效统计及实践表明,可以通过一系列方法,结合变流器的实际工作情况,进而对功率器件的可靠性进行有效的预测。论文首先分析影响功率器件可靠性的各种因素,以及功率器件可靠性的相关数据；其后,对来自某风场变流器运行的实际数据(一周年),利用雨流矩阵,以及Matlab的WAFO技术,结合功率器件的相关可靠性数据,以及相关的可靠性理论,预测风力发电变流器中,功率器件的寿命。 本文是国内首篇详细介绍功率器件可靠性,以及结合风场变流器的实际运行数据,依照器件厂家的相关可靠性试验数据和长期应用的统计规律,运用WAFO技术,预测变流器中功率器寿命的文章。虽然其准确性的检验需要较长的时间,但其方法及结果得到了功率器件厂商的认可,利用该方法,可以在产品开发早期,对功率器件的寿命进行预测,为实际研究变流器功率器件的寿命提供良好的理论依据,相信能为风电变流器的相关工作提供一定的建议及指导。 【关键词】：风力发电 IGBT 可靠性 WAFO 雨流计数法
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM46;TM614
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景和意义11-13
• 1.2 国内外关于IGBT可靠性的研究现状13-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-17
• 第2章 风力发电机组及其变流器运行特点17-31
• 2.1 风力发电机组17-21
• 2.1.1 双馈风力发电机组17-19
• 2.1.2 半直驱风力发电机组19
• 2.1.3 直驱风力发电机组19-21
• 2.1.4 大型风电机组发展趋势21
• 2.2 风的特点21-22
• 2.3 双馈风电变流器的运行特点22-30
• 2.3.1 双馈发电机23-24
• 2.3.2 双馈风电变流器24-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 影响IGBT可靠性的主要因素31-43
• 3.1 可靠性31-32
• 3.2 功率循环/热循环对器件可靠性的影响32-37
• 3.2.1 IGBT的封装结构33-34
• 3.2.2 功率循环热循环对IGBT可靠性的影响34-35
• 3.2.3 IGBT的功率循环/热循环能力的描述35-37
• 3.3 宇宙射线对IGBT可靠性的影响37-39
• 3.4 阻断状态下IGBT的可靠性39-40
• 3.5 其它影响可靠性的因素40-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第4章 IGBT功率器件结温的计算43-54
• 4.1 瞬态结温的计算43-46
• 4.2 器件损耗的计算46-51
• 4.2.1 IGBT导通损耗计算46-47
• 4.2.2 IGBT开关损耗计算47-49
• 4.2.3 二极管部分的损耗计算49-51
• 4.3 由IGBT集成温度传感器(NTC)估算器件结温51-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 SPM750变流器功率器件寿命计算54-87
• 5.1 风电变流器的实际运行情况分析55-58
• 5.1.1 机侧变流器电流与机组功率的关系56-57
• 5.1.2 机组的发电机转速分布57-58
• 5.2 变流器中IGBT结温的计算58-66
• 5.2.1 变流器IGBT结温计算59-61
• 5.2.2 变流器IGBT结温波动计算61-64
• 5.2.3 变流器IGBT的结温分布64-66
• 5.3 IGBT的直流阻断可靠性分析66-68
• 5.4 宇宙射线影响下的可靠性68-72
• 5.4.1 A型IGBT宇宙射线影响下的可靠性68-71
• 5.4.2 B型IGBT宇宙射线影响下的可靠性71-72
• 5.5 功率循环/热循环对IGBT可靠性的影响72-83
• 5.5.1 雨流计算法72-74
• 5.5.2 载荷提取工具WAFO74-76
• 5.5.3 功率循环/热循环有效周次提取76-78
• 5.5.4 IGBT循环曲线的数值模拟及修正78-80
• 5.5.5 功率循环/热循环寿命计算80-83
• 5.6 可靠性验证83-86
• 5.6.1 直流阻断下的可靠性验证83
• 5.6.2 宇宙射线失效率下的可靠验证83-84
• 5.6.3 负载循环载荷寿命的验证84-86
• 5.7 本章小结86-87
• 结论87-89
• 致谢89-90
• 参考文献90-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文92

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