杜 雄 李高顯 劉洪紀(jì) 孫鵬菊 周雒維

(輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)) 重慶 400030)

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風(fēng)速概率分布對(duì)風(fēng)電變流器中功率器件壽命的影響

杜 雄 李高顯 劉洪紀(jì) 孫鵬菊 周雒維

(輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)) 重慶 400030)

通過建立功率器件壽命的概率評(píng)估模型，計(jì)入實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)速概率分布對(duì)功率器件壽命的影響，評(píng)估了不同風(fēng)電場(chǎng)下不同風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中功率器件的可靠性，分析了風(fēng)速概率分布與功率器件壽命之間的關(guān)系，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行深入討論與驗(yàn)證。結(jié)果表明，在實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中，功率器件因基頻結(jié)溫波動(dòng)而消耗的壽命主要消耗在概率較小而大于某一特定風(fēng)速的區(qū)域，且這一特定風(fēng)速臨近額定風(fēng)速。因此，不同的風(fēng)速區(qū)間應(yīng)采取不同的控制策略，可有效降低器件壽命消耗。所得結(jié)論為研究如何提高風(fēng)電變流器中功率器件壽命提供了一種新思路。

功率變流器 IGBT模塊 結(jié)溫 威布爾分布 壽命評(píng)估

0 引言

隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大，其對(duì)電網(wǎng)的影響也越來越大，而且風(fēng)電機(jī)組尤其是海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)每次故障所需要的維修成本較高，使得對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。

根據(jù)系統(tǒng)故障率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，功率變流器是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中一個(gè)薄弱裝置，是主要的失效組件。不同風(fēng)電場(chǎng)中同一類型的風(fēng)電機(jī)組或同一風(fēng)電場(chǎng)中不同類型的風(fēng)電機(jī)組，變流器故障率存在較大差異，風(fēng)電變流器的可靠性與風(fēng)速和氣溫等復(fù)雜外部環(huán)境及風(fēng)電機(jī)組類型有關(guān)[1-3]。變流器的故障在很大程度上歸因于功率半導(dǎo)體器件的失效[4，5]，因此評(píng)估風(fēng)電變流器中功率器件的壽命以及評(píng)估風(fēng)速分布對(duì)功率器件壽命的影響，對(duì)進(jìn)一步研究如何提高功率器件壽命具有重要指導(dǎo)意義。

文獻(xiàn)[1-3]根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的故障率記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)各組件的故障率分布，分析了風(fēng)速分布和風(fēng)電機(jī)組類型對(duì)不同組件可靠性的影響，所得結(jié)論雖然能夠反映特定區(qū)域變流器的故障率情況，但不能反映功率器件的故障率分布，無法指導(dǎo)基于可靠性的變流器設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]基于FIDES Guide 2009可靠性手冊(cè)評(píng)估了風(fēng)電變流器各組件的可靠性，討論了風(fēng)電機(jī)組參數(shù)和風(fēng)速分布對(duì)變流器可靠性的影響，但器件失效主要是與功率器件封裝有關(guān)的失效，該文獻(xiàn)中的恒故障率模型并不適用于功率器件封裝失效的器件壽命預(yù)測(cè)。與封裝有關(guān)的功率器件失效主要與其工作溫度及承受的電應(yīng)力有關(guān)，因此文獻(xiàn)[7-12]主要是基于器件的結(jié)溫來評(píng)估器件的可靠性。文獻(xiàn)[8-10]結(jié)合實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)評(píng)估功率器件溫度任務(wù)剖面，利用所建立的功率器件壽命評(píng)估模型計(jì)算器件壽命消耗。文獻(xiàn)[11，12]利用概率函數(shù)模擬風(fēng)速分布，然后評(píng)估不同工況下器件的壽命消耗。但文獻(xiàn)[8-12]只是評(píng)估不同工況下功率器件的壽命，并未對(duì)風(fēng)速分布與器件壽命消耗的關(guān)系進(jìn)行討論，很難直接指導(dǎo)變流器的可靠性設(shè)計(jì)。

本文建立了一種功率器件壽命的概率評(píng)估模型，用于分析風(fēng)速概率分布與功率器件壽命的關(guān)系，給出了風(fēng)速與風(fēng)電變流器電氣參數(shù)的定量關(guān)系，討論了功率器件結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法，并以額定功率為1.5 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)為例，利用荷蘭Lauwersoog、Valkenburg和愛爾蘭Dublin的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)估了風(fēng)速分布對(duì)風(fēng)電變流器中功率器件壽命的影響，最后將所得結(jié)論用于研究如何提高風(fēng)電變流器中功率器件壽命。

1 風(fēng)電變流器中功率器件壽命的概率評(píng)估方法

1.1 風(fēng)電變流器電氣參數(shù)計(jì)算

本文所采用的1.5 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)電變流器系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)變流器(Generator Side Converter，CGe)和電網(wǎng)側(cè)變流器(Grid Side Converter，CGr)構(gòu)成，兩者均采用二電平結(jié)構(gòu)。

圖1 1.5 MW風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the 1.5 MW wind turbine

對(duì)圖1中風(fēng)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速vcut_in且小于額定風(fēng)速vrated時(shí)采取變速控制實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤；當(dāng)風(fēng)速大于vrated且小于切除風(fēng)速vcut_out時(shí)采取變槳距控制實(shí)現(xiàn)恒功率輸出。輸出功率Pt的計(jì)算方程為[13]

(1)

式中kp與風(fēng)電機(jī)組參數(shù)設(shè)置有關(guān)[13]。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器工作頻率為50 Hz，其端電壓為電網(wǎng)電壓，而機(jī)側(cè)變流器工作頻率fg和端電壓幅值Ug與實(shí)際風(fēng)速vwind有關(guān)，計(jì)算方程為[6]

(2)

(3)

式中Kuf和Kfv均與風(fēng)電機(jī)組參數(shù)有關(guān)[6]。機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器中線電流可分別通過輸出功率Pt和各自的端電壓計(jì)算得到[6]。

1.2 變流器中功率器件結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算

本文采用一維等效Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)估功率器件結(jié)溫[14]，且考慮一個(gè)模塊中包含IGBT芯片及其反并聯(lián)Diode兩個(gè)等效熱源的情況，其一維Foster熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IGBT模塊熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Thermal network of IGBT module

圖2中結(jié)-殼熱網(wǎng)絡(luò)采用器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的四階Foster熱網(wǎng)絡(luò)，IGBT和Diode殼-散熱片熱網(wǎng)絡(luò)選用一階Foster熱網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)得到[15]；散熱片-環(huán)境的熱網(wǎng)絡(luò)采用一階Foster熱網(wǎng)絡(luò)[11，12]。IGBT和Diode的功耗Pt和Pd可利用器件數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的導(dǎo)通特性和開關(guān)損耗曲線經(jīng)過曲線擬合和插值得到，可參考文獻(xiàn)[16]。

熱系統(tǒng)和電系統(tǒng)數(shù)學(xué)表述有相似之處，可轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的電熱參數(shù)，將熱網(wǎng)絡(luò)問題轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)絡(luò)問題，進(jìn)而利用電網(wǎng)絡(luò)理論分析熱網(wǎng)絡(luò)問題[14]。IGBT和Diode的結(jié)溫Ttj和Tdj可通過解析圖2中結(jié)-環(huán)境兩端電壓求解。以圖2中Ttj(n)(n指具體的開關(guān)周期)為例，其計(jì)算方程為[16]

(4)

式中：ΔTtjci(n)為圖2中IGBT結(jié)-殼Foster熱網(wǎng)絡(luò)第i個(gè)RC并聯(lián)單元的溫差，℃；ΔTtch(n)為殼-散熱片的溫差，℃；ΔTha(n)為散熱片-環(huán)境的溫差，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃。從式(4)中可看出，只需計(jì)算出圖2中各RC并聯(lián)單元的開關(guān)周期溫差就可得出Ttj(n)，而各RC并聯(lián)單元的溫差可看作電壓，利用電網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行計(jì)算[16]。以式(4)中ΔTtch(n)為例，第n個(gè)開關(guān)周期的溫差為[16]

ΔTtch(n)=Pt(n)Rtch(1-e-Tsw/RtchCtch)+ΔTtch(n-1)e-Tsw/RtchCtch

(5)

式中：Tsw為開關(guān)周期，s；ΔTtch(n-1)為第n-1個(gè)開關(guān)周期的溫差，℃。圖2中其他RC并聯(lián)單元的開關(guān)周期溫差同樣可根據(jù)式(5)計(jì)算得到，根據(jù)式(4)計(jì)算出Ttj(n)。在開關(guān)周期結(jié)溫計(jì)算基礎(chǔ)上，可利用迭代算法計(jì)算圖2中IGBT和Diode的基頻結(jié)溫。首先計(jì)算IGBT和Diode的開關(guān)周期功耗Pt(n)和Pd(n)，進(jìn)而根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算開關(guān)周期結(jié)溫Ttj(n)和Tdj(n)，同時(shí)Ttj(n)和Tdj(n)用于計(jì)算下個(gè)開關(guān)周期功耗Pt(n+1)和Pd(n+1)。限于篇幅，本文未對(duì)基頻結(jié)溫計(jì)算展開分析，計(jì)算過程可參考文獻(xiàn)[16]。

1.3 功率器件壽命的概率評(píng)估模型

風(fēng)電變流器中功率器件常用多層結(jié)構(gòu)的IGBT功率模塊，它由多層材料封裝而成，每層材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，不同材料承受不同程度的熱應(yīng)力，長(zhǎng)期累積后將導(dǎo)致器件熱疲勞失效[17，18]。IGBT模塊存在多種與封裝有關(guān)的失效形式，主要包括鍵合線脫落和焊料層老化等，對(duì)于不同的失效形式需要建立不同的壽命評(píng)估模型[17]。

目前用于評(píng)估器件壽命的模型大多是通過建立電熱參數(shù)與功率器件循環(huán)失效周期數(shù)的解析方程來評(píng)估器件壽命消耗[8-12]。解析方程的參數(shù)大多通過擬合加速老化實(shí)驗(yàn)中器件循環(huán)失效周期數(shù)與不同參數(shù)的關(guān)系式得到，且考慮的影響因素不同，壽命模型亦不同[17]。由于Bayerer壽命模型能夠很好地反映熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)器件壽命的影響[19]，因此本文選用Bayerer壽命模型，計(jì)算公式為

(6)

式中：Nf為在結(jié)溫波動(dòng)ΔTj(一個(gè)熱循環(huán)周期內(nèi)，最大結(jié)溫值Tjmax與最小結(jié)溫值Tjmin的差)及最小結(jié)溫Tjmin下的循環(huán)失效周期數(shù)；ton為加熱時(shí)間；I為每個(gè)鋁鍵合線電流的有效值；V為模塊阻塞電壓；D為鋁鍵合線的直徑；參數(shù)β1～β6的值可參考文獻(xiàn)[19]。為了預(yù)測(cè)功率器件的壽命，通常采用線性疲勞累積損傷模型[8-12]，通過器件壽命消耗來表征功率器件的壽命。在固定風(fēng)速vwind下，IGBT和Diode的壽命消耗CL(vwind)為[9，10]

(7)

式中：Nvwind為固定風(fēng)速vwind下T(本文考慮T為一年)時(shí)間內(nèi)Tjmin和ΔTj的熱循環(huán)次數(shù)；Nf，vwind為固定風(fēng)速vwind下所對(duì)應(yīng)的功率器件Tjmin和ΔTj熱循環(huán)條件下，器件在其壽命周期內(nèi)最大熱循環(huán)次數(shù)，可根據(jù)式(6)計(jì)算得到。然而在實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)速是隨機(jī)變化的，因此風(fēng)電變流器中功率器件壽命評(píng)估應(yīng)計(jì)入風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間尺度風(fēng)速的影響。本文采用目前應(yīng)用最廣泛的威布爾分布的概率密度函數(shù)描述風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速分布特性[20]，公式為

(8)

式中：k為形狀參數(shù)；c為尺度參數(shù)。k和c可利用風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速vaver和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σwind通過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方程獲取，公式為[20]

(9)

(10)

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速為vaver時(shí)，功率器件中IGBT的器件壽命消耗CLIGBT的計(jì)算方程[11]為

(11)

一個(gè)功率模塊系統(tǒng)包含IGBT和Diode芯片，系統(tǒng)的壽命取決于內(nèi)部最薄弱環(huán)節(jié)的壽命。功率器件系統(tǒng)的壽命計(jì)算表達(dá)式為[21]

1/CLIGBTs=min{1/CLIGBT, 1/CLDiode}

(12)

式(11)采用數(shù)值離散積分求解，風(fēng)速的跨度區(qū)間dvwind設(shè)定為0.2 m/s，由于風(fēng)速區(qū)間較小，假定風(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)速恒定為vwind[11]。在每個(gè)風(fēng)速跨度區(qū)間，首先利用式(7)計(jì)算固定風(fēng)速vwind下IGBT模塊的年壽命消耗CL(vwind)，然后利用式(8)～式(10)計(jì)算固定風(fēng)速vwind所在風(fēng)速區(qū)間的概率dvwindf(vwind)，最后根據(jù)dvwindf(vwind)CL(vwind)計(jì)算該風(fēng)速區(qū)間所導(dǎo)致的功率器件壽命消耗。

1.4 功率器件壽命的概率評(píng)估流程

圖3為本文所提出的風(fēng)電變流器中功率器件壽命評(píng)估流程。首先根據(jù)風(fēng)電機(jī)組參數(shù)(切入風(fēng)速vcut_in和額定風(fēng)速vrated等)計(jì)算不同風(fēng)速vwind中風(fēng)電變流器的電氣參數(shù)，然后結(jié)合變流器運(yùn)行參數(shù)(如開關(guān)頻率fsw、直流側(cè)母線電壓Udc等)和氣溫Ta利用結(jié)溫?cái)?shù)值計(jì)算方法計(jì)算IGBT和Diode的結(jié)溫Ttj和Tdj，最后根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速vaver和標(biāo)準(zhǔn)差σwind生成的威布爾概率分布，利用本文所建立的概率評(píng)估模型計(jì)算變工況條件下器件的年壽命消耗。

圖3 風(fēng)電變流器中功率器件壽命評(píng)估流程圖Fig.3 Flow-chart of lifetime evaluation of power devices in the wind power converters

2 可靠性概率評(píng)估

風(fēng)電變流器中功率器件壽命消耗存在多種時(shí)間尺度，但器件因基頻時(shí)間尺度結(jié)溫波動(dòng)而消耗的壽命是總壽命消耗的主要部分[9，10，22]。因此本文以1.5 MW風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)為對(duì)象，以荷蘭Lauwersoog、Valkenburg和愛爾蘭Dublin風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于圖3中器件壽命評(píng)估流程評(píng)估不同風(fēng)電場(chǎng)及不同風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中功率器件因基頻結(jié)溫波動(dòng)而消耗的壽命，并分析風(fēng)速分布與功率器件壽命消耗的關(guān)系。

2.1 算例參數(shù)設(shè)置

為排除風(fēng)電機(jī)組參數(shù)對(duì)分析結(jié)果的影響，并通過增加數(shù)據(jù)量來驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選取3種額定功率為1.5 MW的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示[23]。

表1 1.5 MW風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the 1.5 MW wind conversion system

1.5MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1，變流器每個(gè)橋臂由3個(gè)Infineon型號(hào)為FF1000R17IE4的IGBT模塊并聯(lián)組成，模塊的熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2，其熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表2[15]。在圖2中，與結(jié)-殼Foster熱網(wǎng)絡(luò)熱時(shí)間常數(shù)相比，散熱系統(tǒng)熱時(shí)間常數(shù)大很多，因此散熱片溫度在一個(gè)基頻周期的波動(dòng)可忽略不計(jì)，本文用平均溫度替代散熱片溫度。

表2 IGBT模塊熱網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters related to thermal networks of the IGBT modules

本文選取荷蘭Lauwersoog、Valkenburg和愛爾蘭Dublin三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表3[6，24]所示，圖4為3種風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的威布爾概率密度，風(fēng)速跨度為0.2 m/s。

表3 風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.3 Wind speed statistics data

圖4 威布爾概率密度Fig.4 Welbull probability density

2.2 功率器件壽命計(jì)算

本文根據(jù)圖3的功率器件壽命評(píng)估流程，計(jì)算了3種風(fēng)電場(chǎng)下3種風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器中IGBT模塊因基頻結(jié)溫波動(dòng)而消耗的器件壽命，如表4所示。

表4 功率器件的壽命消耗Tab.4 Lifetime consumption of power devices

文獻(xiàn)[9]中1.8 MW風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)側(cè)IGBT模塊年壽命消耗為66.35%，而本文評(píng)估的1.5 MW風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)側(cè)IGBT模塊壽命消耗與之?dāng)?shù)量級(jí)相同，本文計(jì)算的網(wǎng)側(cè)IGBT模塊消耗的壽命大部分與文獻(xiàn)[9，10]計(jì)算結(jié)果相近，表明了本文壽命評(píng)估結(jié)果的有效性。由表4可知，網(wǎng)側(cè)IGBT模塊與機(jī)側(cè)IGBT的壽命消耗差別較明顯，這主要與基頻結(jié)溫的波動(dòng)幅度有關(guān)，而基頻結(jié)溫波動(dòng)的幅度受變流器的輸出頻率影響。文獻(xiàn)[9]中風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的機(jī)側(cè)額定頻率為20 Hz，機(jī)側(cè)IGBT基頻結(jié)溫波動(dòng)約30℃，而網(wǎng)側(cè)變流器輸出頻率為50 Hz，基頻結(jié)溫波動(dòng)約10℃。與網(wǎng)側(cè)變流器50 Hz相比，本文機(jī)側(cè)變流器的最大輸出頻率為17.97 Hz，導(dǎo)致機(jī)側(cè)IGBT模塊和網(wǎng)側(cè)IGBT模塊的基頻結(jié)溫波動(dòng)差別較大，進(jìn)而使得表4中兩種IGBT模塊的壽命消耗差別明顯。

為分析風(fēng)速分布與功率器件壽命的關(guān)系，本文給出了不同風(fēng)電場(chǎng)下機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)IGBT模塊的壽命消耗分布，如圖5和圖6所示。

圖5 Dublin風(fēng)電場(chǎng)下機(jī)側(cè)IGBT模塊壽命消耗分布Fig.5 Distribution of the consumed lifetime of IGBT module in the generator side converter for the Dublin wind site

圖6 Dublin風(fēng)電場(chǎng)下網(wǎng)側(cè)IGBT模塊壽命消耗分布Fig.6 Distribution of the consumed lifetime of IGBT module in the grid side converter for the Dublin wind site

從圖5和圖6中可看出，功率器件壽命消耗較為集中，其分布曲線在風(fēng)速vg處存在峰值，而vg臨近風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的額定風(fēng)速vrated；風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)額定風(fēng)速vrated越大，vg一般也越大。在3種風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)下，vg分別約為11.2 m/s、10.2 m/s和10 m/s。本文以機(jī)側(cè)IGBT模塊為例，通過風(fēng)速概率f(vwind)dvwind和不同風(fēng)速下機(jī)側(cè)IGBT模塊的CL(vwind)變化趨勢(shì)分析圖5和圖6中壽命消耗分布曲線走向。

根據(jù)圖4，當(dāng)風(fēng)速vwind小于6 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速vwind增大，概率f(vwind)dvwind呈上升趨勢(shì)，而固定風(fēng)速的CL(vwind)亦呈上升趨勢(shì)，因此在這一風(fēng)速區(qū)域，壽命消耗曲線呈整體上升趨勢(shì)；當(dāng)風(fēng)速vwind大于vg時(shí)，風(fēng)速概率f(vwind)dvwind不斷降低，而固定風(fēng)速的CL(vwind)幾乎不變，因此在這一風(fēng)速區(qū)域，壽命分布曲線呈下降趨勢(shì)。

圖7為6 m/s

圖7 風(fēng)速與機(jī)側(cè)IGBT模塊壽命消耗之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between wind speed and the consumed lifetime of IGBT modules in the generator side converter

圖8 Lauwersoog風(fēng)電場(chǎng)下機(jī)側(cè)IGBT模塊壽命消耗分布Fig.8 Distribution of the consumed lifetime of IGBT module in the generator side converter for the Lauwersoog wind site

圖9 Lauwersoog風(fēng)電場(chǎng)下網(wǎng)側(cè)IGBT模塊壽命消耗分布Fig.9 Distribution of the consumed lifetime of IGBT module in the grid side converter for the Lauwersoog wind site

圖10 Valkenburg風(fēng)電場(chǎng)下機(jī)側(cè)IGBT模塊壽命消耗分布Fig.10 Distribution of the consumed lifetime of IGBT module in the generator side converter for the Valkenburg wind site

圖11 Valkenburg風(fēng)電場(chǎng)下網(wǎng)側(cè)IGBT模塊壽命消耗分布Fig.11 Distribution of the consumed lifetime of IGBT module in the grid side converter for the Valkenburg wind site

與圖5和圖6比較，圖8～圖11中器件壽命消耗分布同樣存在峰值，拐點(diǎn)風(fēng)速vg仍與風(fēng)電機(jī)組參數(shù)有關(guān)，且vg與額定風(fēng)速vrated的變化趨勢(shì)呈正相關(guān)，即vrated越大，vg越大，而且拐點(diǎn)風(fēng)速vg時(shí)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)功率輸出也臨近額定輸出狀態(tài)，因此圖8～圖11驗(yàn)證了上述理論分析的正確性。為了定量分析大于vg的風(fēng)速區(qū)域中風(fēng)速概率p(vwind>vg)與器件壽命消耗CLCGe(vwind>vg)、CLCGr(vwind>vg)的關(guān)系，本文統(tǒng)計(jì)3種風(fēng)電場(chǎng)中在大于vg的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，其風(fēng)速的概率p(vwind>vg)及器件壽命消耗在因全風(fēng)速區(qū)域基頻結(jié)溫波動(dòng)而消耗的器件壽命的比例CLCGe(vwind>vg)/CLCGe、CLCGr(vwind>vg)/CLCGr，如表5所示。

表5 風(fēng)速概率及其功率器件壽命消耗的比例Tab.5 Wind speed probability and percentage of its lifetime consumption of power devices

從表5中可看出，大于vg的風(fēng)速區(qū)域，其風(fēng)速概率很低，最大值為L(zhǎng)auwersoog(10.2 m/s)的19.38%，最小值為Dublin(11.5 m/s)的3.06%，但在大于vg的風(fēng)速區(qū)域，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)IGBT模塊的壽命消耗在總壽命消耗中所占比例很高，它們處在59.03%～91.06%區(qū)間，主要是因?yàn)樽児r下功率器件的壽命易受器件熱循環(huán)影響，器件壽命主要消耗在較高風(fēng)速的區(qū)域，然而根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)速的分布特點(diǎn)，高風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)速概率一般較小。因此從表4和圖5～圖11中整體比較可得出兩個(gè)結(jié)論：一是機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器中功率模塊的壽命主要消耗在風(fēng)速概率較小而風(fēng)速較高的區(qū)域；二是因基頻結(jié)溫波動(dòng)而消耗的壽命主要消耗在機(jī)側(cè)IGBT模塊。這兩個(gè)研究結(jié)論為變流器長(zhǎng)時(shí)間尺度熱管理提供了理論依據(jù)。

3 基于功率器件壽命消耗概率分布的熱管理方法討論

風(fēng)電變流器中IGBT失效在很大程度上是受工作過程熱循環(huán)沖擊的影響，而IGBT熱循環(huán)與風(fēng)速波動(dòng)有關(guān)。風(fēng)速長(zhǎng)時(shí)間的隨機(jī)波動(dòng)使得風(fēng)電機(jī)組輸出功率及器件損耗隨著變化，導(dǎo)致器件熱循環(huán)也隨機(jī)波動(dòng)，因此平滑因風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)非平穩(wěn)工況運(yùn)行而導(dǎo)致的器件無規(guī)律變化的熱循環(huán)沖擊，可提高功率器件的壽命[25，26]。

在大功率變流器中，目前大多通過改變變流器運(yùn)行參數(shù)(如開關(guān)頻率)和外部散熱等熱管理方法，平滑變流器短時(shí)間尺度功率器件的熱循環(huán)[25，26]。然而將短時(shí)間尺度熱管理方法外拓，并用于管理長(zhǎng)時(shí)間非平穩(wěn)工況下器件的熱循環(huán)，不一定能夠提高器件的長(zhǎng)期可靠性，因此需要研究功率器件長(zhǎng)時(shí)間尺度熱管理方法。本文深入分析了第2節(jié)的研究結(jié)論，嘗試為研究如何提高風(fēng)電變流器中功率器件壽命提供一種新思路。

如第2節(jié)所述，功率器件的壽命消耗主要集中在風(fēng)速概率非常小而風(fēng)速較高的區(qū)域，因此為了更具針對(duì)性地提高功率器件的壽命，可對(duì)這一風(fēng)速區(qū)域采取與其他風(fēng)速區(qū)域不同的控制方法。為了定量分析控制方法的有效性，本文以功率器件開關(guān)頻率為變量，比較了不同開關(guān)頻率下機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)IGBT模塊的壽命消耗。以表1中額定風(fēng)速為10.5 m/s的風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，設(shè)定當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速vwind≤vg時(shí)，變流器中功率器件開關(guān)頻率仍為3 kHz，而當(dāng)vwind>vg時(shí)，器件開關(guān)頻率分別固定為2.7 kHz、2.4 kHz、2.1 kHz和1.8 kHz 4種情況，這4種情況下功率器件的壽命消耗如表6所示。

表6 不同開關(guān)頻率下功率器件的壽命消耗Tab.6 Lifetime consumption of power devices in the different switching frequency 單位：(%)

從表6中可看出，只改變大于vg的風(fēng)速區(qū)域功率器件的開關(guān)頻率，可大幅降低機(jī)側(cè)IGBT模塊的壽命消耗，而網(wǎng)側(cè)IGBT模塊因基頻結(jié)溫波動(dòng)而導(dǎo)致的壽命消耗非常小。當(dāng)風(fēng)速vwind>vg，功率器件的開關(guān)頻率由3 kHz降為1.8 kHz時(shí)，兩種工況下機(jī)側(cè)IGBT模塊壽命消耗從38.9%降到18.32%，降幅較為明顯。以風(fēng)電場(chǎng)Lauwersoog風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中機(jī)側(cè)IGBT模塊為例，變流器分別采用混合開關(guān)頻率和單一開關(guān)頻率時(shí)器件的壽命消耗分布如圖12所示。

圖12 機(jī)側(cè)IGBT模塊壽命消耗Fig.12 Lifetime consumption of IGBT modules in the generator side converter

從圖12中可看出，當(dāng)機(jī)側(cè)變流器采用混合開關(guān)頻率時(shí)，器件的壽命消耗在絕大部分溫度區(qū)域均低于單一開關(guān)頻率下器件的壽命消耗。這是因?yàn)樵趘wind>vg風(fēng)速區(qū)域，通過有針對(duì)性的降低開關(guān)頻率，降低了機(jī)側(cè)IGBT和Diode的大幅值結(jié)溫波動(dòng)，而增加了小幅值波動(dòng)，因此混合開關(guān)頻率下器件壽命消耗在大幅值結(jié)溫波動(dòng)溫度區(qū)域顯著降低，而在小結(jié)溫波動(dòng)溫度區(qū)域有所提高，并且總器件壽命消耗是降低的，但大于vg的風(fēng)速區(qū)域，其風(fēng)速概率在3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中分別僅占16.5%、9.34%和5.07%，概率非常小，因此只通過改變概率較小的運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)顯著降低機(jī)側(cè)變流器功率器件的壽命消耗，因此證明了本文研究結(jié)論的可靠性。

由于混合開關(guān)頻率對(duì)網(wǎng)側(cè)IGBT模塊壽命消耗影響較小，因此網(wǎng)側(cè)變流器可采用單一開關(guān)頻率，這樣對(duì)系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量無影響；機(jī)側(cè)變流器可通過降低小概率工況下變流器的開關(guān)頻率，從而大幅降低器件壽命消耗。本文只是通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子討論該研究思路，具體的優(yōu)化方法還需深入研究，最終通過分別研究小于vg的風(fēng)速區(qū)域和大于vg的風(fēng)速區(qū)域中功率器件壽命消耗的分布特點(diǎn)，對(duì)兩種風(fēng)速區(qū)域采取不同的動(dòng)態(tài)控制策略，實(shí)現(xiàn)顯著提高變流器功率器件壽命目標(biāo)。

4 結(jié)論

主要分析了風(fēng)電變流器中各電氣參數(shù)與風(fēng)速的定量關(guān)系，給出了功率器件結(jié)溫的數(shù)值計(jì)算方法，建立了一種風(fēng)電變流器中功率器件壽命的概率評(píng)估模型，深入分析了風(fēng)速概率分布和功率器件壽命的關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：

1)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)IGBT模塊在變流器運(yùn)行狀態(tài)臨近額定功率輸出時(shí)，因基頻結(jié)溫波動(dòng)而所消耗的壽命最高，器件壽命消耗的分布曲線存在峰值。

2)風(fēng)電變流器中IGBT模塊因基頻結(jié)溫波動(dòng)而消耗的壽命主要消耗在風(fēng)速概率較小而風(fēng)速較高的風(fēng)速區(qū)域。

3)風(fēng)速概率較小而風(fēng)速較高的區(qū)域可采取與其他風(fēng)速區(qū)域不同的控制策略，從而更具針對(duì)性的提高功率器件的壽命。

本文的研究結(jié)論為風(fēng)電變流器中功率器件熱循環(huán)控制提供了一種新的研究思路，基于本文研究思路的全風(fēng)速區(qū)域功率器件熱循環(huán)動(dòng)態(tài)控制策略將是本文后續(xù)的研究?jī)?nèi)容。

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Effect of Wind Speed Probability Distribution on Lifetime of Power Semiconductors in the Wind Power Converters

DuXiongLiGaoxianLiuHongjiSunPengjuZhouLuowei

(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University) Chongqing 400030 China)

A probability model for lifetime evaluation of power electronics devices is established in this paper firstly，which can consider the effect of wind speed probability distribution on the lifetime of power devices.Reliabilities of power devices for different wind energy conversion systems (WECS) at various wind sites are evaluated，and then the relationship between the wind speed distribution and the lifetime of power devices is deeply analyzed.Finally，the conclusions are further discussed and verified.The results show that the great majority of the lifetime of power devices due to the fundamental frequency thermal junction temperature fluctuation at actual wind sites is consumed in the specific wind range，which is higher than the specific value close to the rated speed，with small probability.To reduce the lifetime consumption of power devices efficiently，the operation conditions of WECS within different wind speed ranges can be managed via two different strategies.This paper provides a new idea for extending the lifetime of wind power converters.

Power converter，IGBT modules，junction temperature，Weibull distribution，lifetime evaluation

重慶市杰出青年科學(xué)基金(CSTC2012JJJQ90004)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51137006)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CDJZR14158801)資助。

2014-12-03 改稿日期2015-05-25

TM46；TM71

杜 雄 男，1979年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮油負(fù)渑c控制、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理、新能源發(fā)電。(通信作者)

李高顯 男，1988年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電變流裝置可靠性評(píng)估及熱管理。