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风电变流器中功率半导体器件可靠性评估及其改善措施的研究

李高显  
【摘要】:传统化石能源的局限性促使了新能源发电的应用与发展,尤其是风力发电。然而调查结果表明,作为风力发电系统的核心组件,功率变流器是其最薄弱的环节之一,其可靠性在很大程度上归因于功率器件的失效,因此亟需对功率半导体器件进行可靠性评估,并提出更具针对性的改善措施。功率器件失效主要是与封装有关的失效,且在很大程度上归因于功率器件所承受的热载荷波动,因此评估功率器件的热载荷是评估其可靠性的先决条件,而减缓功率器件热载荷的波动程度是提高其可靠性的有效手段。以功率半导体器件IGBT模块为研究对象,为计入长期外部环境变化对风电变流器中功率器件可靠性的影响,本文提出了一种功率器件长期热载荷评估方法,进而通过建立长期热载荷的多时间尺度模型,评估了功率器件的可靠性;根据功率器件寿命消耗的分布特点,本文提出了一种用于指导功率器件热载荷管理的宏观策略,可用于提高功率半导体器件的可靠性。论文主要工作如下:首先,功率器件的失效主要受热载荷影响,且风电变流器中功率器件热载荷受风速和气温等外部环境的影响,而外部环境因素具有日昼和季节变化的分布特点,因此功率器件的热载荷评估应计入长期外部环境变化的影响。为此,本文在分析功率器件热载荷分布特点的基础上,基于电热比拟理论,提出了一种功率器件结温数值计算方法,通过与IPOSIM电热仿真、解析计算方法和基于红外热成像仪的IGBT结温实验测量方法进行比较。结果表明:在计入风电场中长时间风速和气温等环境因素的情况下,结温数值计算方法能够快速而准确的评估出功率器件的长期热载荷。其次,功率器件的长期热载荷具有多时间尺度的分布特点,不同时间尺度的热载荷将导致不同的功率器件寿命消耗,因此分析多时间尺度寿命消耗的分布特点,有可能提出更具针对性的可靠性改善措施。为此,本文基于风电变流器中IGBT模块长期热载荷的多时间尺度分布,建立了用于评估多时间尺度寿命消耗的寿命模型,并分析了功率器件寿命消耗的分布特点。结果表明:所提出的多时间尺度寿命模型能够合理评估功率器件因不同时间尺度热载荷而导致的寿命消耗;功率器件因基频热载荷而消耗的寿命主要集中在风速概率较小而风速较高的区域,而因低频热载荷而导致的寿命消耗主要归因于概率较小而幅值较大的热载荷波动。最后,减缓功率器件长期热载荷的波动程度能够提高功率器件的可靠性,然而目前的实时热载荷管理有可能对变流器系统运行产生一定的负面影响,因此需要研究更具针对性的功率器件可靠性改善措施。为此,基于功率器件不同时间尺度寿命消耗的分布特点,本文提出了一种用于指导功率器件热载荷管理的宏观策略,以矢量调制序列为变量,利用结温数值计算方法和基于热成像仪的结温测量方法分析了不同调制策略间功率器件结温的差异,并比较了调制策略对功率器件可靠性和变流器电能质量的影响,进而提出了一种混合空间矢量调制方法。结果表明:与连续调制序列相比,当变流器采用不连续调制序列时,功率器件寿命消耗虽然大幅降低,但是变流器电能质量较差,尤其在低调制因数区间;所提出的混合调制序列不仅能够大幅降低功率器件的寿命消耗,而且能够满足风机并网对电能质量的要求,因此初步验证了所提出的变流器热管理宏观策略的合理性。


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