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风电变流器中IGBT的可靠性研究

赵燕峰  
【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。


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