风电变流器中IGBT可靠性研究（可编辑）

风电变流器中IGBT可靠性研究（可编辑） 风电变流器中IGBT可靠性研究 西南交通大学 硕士学位论文 风电变流器中IGBT的可靠性研究 姓名:赵燕峰 申请学位级别:硕士 专业:电气工程 指导教师:郭小舟 2012-11-01 1西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 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.等级的双馈和直驱 风机,.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。截止到年底,我国风电变流器中包括风机,使用的功率器件全部是 ,由于的特殊结构,该类器件的功率循环/热循环能力远不如晶闸管包括 /,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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,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,以及的技术,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;;可靠性;;雨流计数法 2第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ‘ . ? ?. . . . ....,. .. 吐 ,,. 曲 , ,, . . . /. ,,.. ., 鲥.. / .. . ’ , . 也. ’., .’ 3西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页,, , , . ’. . . : ;;;; 4西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章绪论 .课题研究背景和意义 随着我国经济水平的不断提高,能源的消耗日益增大,而煤炭石油等能源由于存在 对环境的污染且储量有限,因此迫切需要开发新型清洁能源。我国风能资源蕴藏丰富, 随着技术的发展,风能的度电成本已经降低到了可以与火电竞争的程度,而且风能是可 以大规模开发的,因此,我国近年来风电产业发展迅速;截止到年年底,我国风电 累计装机容量超过万千瓦,跃居世界第一。 风电是可再生的无污染能源,也是目前唯一可大规模开发的能源,我国政府明确宣 布要坚定不移的发展风电,已将的发展目标提高到,而年底,我国风 电装机容量为。风电在我国具有广阔的发展空间。 展望未来年,欧盟将风电发展速度定位为%左右;而美国出台风电 和太 阳能扶持政策;印度政府也希望将可再生能源所占比例提升到%左右;此外,非洲, 拉丁美洲等新兴地区也出现了令人振奋的发展迹象。 在应对气候变化的大环境下,发展绿色清洁能源已成为全球发展的一个重要趋势, 未来较长的一段时间内,仍将保持高速发展的趋势。 我国当前,.等级的风电机组成为绝对的主流,而.及以上功率等级的 风电机组将是未来的发展趋势。在风电机组中,有定子通过接触器并网而转子通过变流 器并网的双馈型,以及发电机通过变流器并网采用永磁或电励磁的直驱半直驱型, 两种型式的风电机组现阶段大量存在,在未来也将长期共存。双馈型的风电机组对变流 器容量要求相对较小,通常为总容量的%左右;而直驱型的风电机组则要求全部容量 的变流器。 陆上风电机组要求不少于年的使用寿命,海上机组则要求不少于年的使用寿 命,由于机组工作于野外或海上,因此对可靠性要求很高。变流器作为风电机组的核心 部件之一,级风机所使用的变流器或变流器模块体积较大,重量较重,安装于机组 顶部的机舱中或底部的电气平台上,加之野外或海上的工作生活和交通运输极不便利, 因此,无论是维修或更换,难度和成本都较大。 风电交流器有着特殊的应用工况,需要面对潮湿,极端的低温高温,风沙,盐雾等 外部环境;为了实现最大风能捕获,机侧变流器的频率,电流,电压需要随风速的变化 而不断变化,因此,变流器的功率器件还要不停承受由温度变化和功率循环而引起的疲 劳损伤;风电机组还可能被安装到海拔较高的地区,如云南,甘肃,青海,西藏等地, 变流器功率器件因此需要承受较地海拔地区大得多的宇宙射线的影响,这些特殊的外部 环境及使用工况,都将对变流器功率器件的可靠稳定运行造成影响。 5第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 风力发电机组是将风能转化为电能的装置,从技术构成来讲,可分为双馈,直驱, 半直驱三种类型。双馈机组由塔架,叶片,轮毂,齿轮箱,发电机, 变流器,控制系统 等组成。由风轮直接驱动永磁电机或电励磁电机,发出的电能通过全功率变流器输送到 电网,这种形式的风电机组成为直驱,其典型特点是没有齿轮箱,使用全功率变流器; 由风轮驱动齿轮箱,再驱动发电机,发出的电能通过全功率变流器输送到电网,其特点 是使用了齿轮箱,也使用全功率变流器,该型风机成为半直驱风机。 目前,国际上单机功率最大已经达到了.公司产品,等级 的风电机组也正在开发之中。 变流器是风电机组的核心部件之一,截止到年年底,我国风电机组主流机型都 是采用三相或左右的电网,主要的功率变换器件全是除了过压保护 电路采用了整流管及晶闸管;直驱或半直驱的部分整流电路采用了整流管。双 馈机型全部采用双向四象限变流器;而直驱/半直驱风电机组中,发电机侧变流器 部分机组采用不可控整流外,部分机组发电机侧变流器采用全控整流,而网侧变 流器则全部采用全控逆变。 国际上,.等级的风电机组也多是采用作为变流器的主要功率器件。对 于等级的风电机组,一些机组采用等级的电压并网,采用的功率器件为 ,压装式和。在大功率风电变流器中,采用作为功率 器件的有公司的系列变流器,采用作为功率器件的有 公司的系列变流器。 电力电子功率器件是变流器装置的基础,其可靠性决定着变流器的可靠性,而交流 器是否稳定可靠运行又决定着风电机组是否能够稳定可靠的运行。对于功率半导体器件, 风电变流器运行的特殊性,对变流器的可靠性有着重要影响。 风电变流器中的功率半导体器件需要工作于户外,其工作的环境温度受到昼夜气温 变化以及四季更迭的影响,还受到停电,低温启动,高温运行等情况的影响,温度长期 频繁的波动,将对其结构将产生热疲劳的损伤,逐渐消耗其寿命。另一方面,由于风速 的变化性,为了实现最大风能捕获,实现最大的发电量,机侧变流器的频率,电压,电 流需要随风速的波动而变化,造成功率器件的结温将在较大范围内持续的频繁波动,这 些波动将逐渐消耗功率器件的功率循环寿命。研究证明,宇宙射线是电力半导体器件损 坏的重要因素,海拔越高宇宙射线强度越大。我国幅员辽阔,风场从海平面到海拔达 米的高地都有分布。在同样电气条件下,高的海拔将使由于宇宙射线而造成的半导体开 关失效的几率迅速增加。 因此,风电变流器中的可靠性非常重要;研究的可靠性,对于风电变 流器可靠性的提高,具有重要意义。 鉴于风电变流器的特殊性,行业内对其可靠性一直非常关注。然而,可靠性的检验, 6西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 往往需要几年甚至十几年的运行考核,如果能在产品开发的初期,即对其相关的可靠性 进行比较有效的评估,无论对于产品的开发设计还是后期的相关工作,都将具有重大意 义。 本文以这一目的为出发点,以功率器件可靠性的相关理论为基础,在导师以及各位 领导同事的指导下,在器件厂商相关技术人员的帮助下,结合变流器在风场实际运行的 数据,对上述问题做简要探讨。 .国内外关于可靠性的研究现状 导致失效的因素有很多,如:产品本身的缺陷,不正确的输运中产生的静电, 过电压,过高的/,过高的/,过高的导通电流,过高的短路电流,热应力功率 循环/热循环,不正确的安装压力,过大的振动,控制系统的误操作,过高或过低的结 温,宇宙射线引起的失效等。 对于的失效,可以分为三类:器件缺陷,控制系统问题和应用问题。对于器 件缺陷,由器件制造厂家的质量控制手段来决定,器件厂商通过严格的质量控制流程、 工艺和先进的设备来发现有缺陷的器件,而让合格的器件流向用户。通常由于器件缺陷 而引起失效的几率非常低;再一个是控制系统的问题,例如误动作,保护不及时等,应 该通过提高控制系统的可靠性来降低这部分因素引起的器件失效;第三个方面是不正确 的应用,包括器件的过热,过压,过流,热应力,宇宙射线等引起的器件不正常的失效。 和 通过试验及大量数据统计?的方法,得出了宇宙射线 对器件失效率的统计规律;在其出版的应用指导资料中【,以图表 的方式,给出了不同型号的在不同电压下,对应的宇宙射线失效率; 在其技术资料【中,也指出了应用中,宇宙射线失效率的相关问题。 和 指出【】,功率器件在阻断状态下漏电流和温度的 关系,并且得出了为了保持平衡,器件的阻断电压、工作温度、漏电流、散热条件等必 须要满足的关系。 通过大量试验,分析并总结了功率循环/热循环中,热应力对 可靠性的影响【】,得出了器件在热应力影响下,工作寿命受器件本身的负载循环 耐受能力、工作中芯片的绝对温度、热应力循环的温度差等因素的影响,并通过 大量试验数据,提出在热应力影响下的寿命可以用函数来描述,并给出了 具体的实例。 公司的技术资料中【】,给出了在热应力的循环作用下,从正常工作 到失效的机理;指出由于模块中,各种材料的物理特性不可能完全相同,在功率 器件工作过程中,材料受器件损耗产生的热而膨胀,但膨胀系数不同,导致各种材料在 机械接触上产生应力;经过有限次热应力作用的积累,模块内部各种材料在机械 7西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 连接上趋于失效,进而引起在电气性能上失效。’通过有限元仿真及热学试验,进一步证实热应力对的破 坏作用,并给出了热应力分布的情况。 的技术资料】以图表的方式给出了功率循环/热循环与的运行寿命的关 系,并指明了在开关过程中,芯片温度快速变化对模块寿命的影响。 较早提出风电变流器中,的预期寿命问题【】,指出在采用双 馈感应电机作为发电机的风力发电系统中,变频器的负载工况不同于那些普通工业变频 器的应用。负载电流频率总是低于,结温与负载电流成正比,尤其在频率低于 时,热应力会更大。因负载循环的要求,现代大功率不得不忍受热过损。 国内学者王彦刚在其论文【 】中,较为详细的介绍了功率循环/热循环对器件的 损坏机理及其相关问题;学者陈永淑在其论文【】中,从半导体物 理机理的角度,较为详 细的阐述了可靠性的相关问题;学者余烁杰等人在其论文中【】,也较为全面的介 绍了可靠性的相关问题。 井泽敏、龟泽友哉等人将功率器件的热应力循环与运行寿命的关系应用在实 际产品中,用于对其产品进行可靠性预警,取得了较好的应用效果,为其产品提高了 竞争力。 从上述文献可以发现,国内外对可靠性进行了广泛和深入的研究,对宇宙射 线与器件失效率之间的关系形成了一些符合统计规律的经验公式,并且对热应力与 寿命进行了较全面探讨,且形成了一定的应用。 但是,在热应力与寿命预测的问题上,只讨论较简单的工况,如提升机、大 型矿用电机等具有较简单运行工况启动、运行、停止,容易提取热应力的有效载荷, 运行寿命也容易预测。 面对风力发电用变流器的实际运行工况,热应力与变流器功率器件寿命等问题,还 无人涉足此类研究。风力发电机组由于要实现最大风能利用率, 而风是随时变化的,因 此,变流器的功率和频率等运行参数,需要随时调整,以实现最大风能捕获;另一方面, 占风电机组绝大部分的双馈机组,其转子频率较低,额定频率多为,这进一步加大 了功率循环/热循环应力对器件寿命的影响。 指出 ,面对风力发电和电动汽车类工况的功率循环 .,. /热循环,需运用雨流算法提取其有效运行载荷,才能算出真正的循环载荷;公 司的技术资料【 】也明确指出,面对风力发电和电动汽车类,运行工况负载多变的情况, 在估算功率循环/热循环的寿命时需运用雨流计算法提取其有效循环载荷。 提出运用雨流法提取数字化运行记录中的有效载荷【 】,进而用于预 测载荷寿命;国内学者蒋东方提出雨流计数的递归算法【 ,用以在运行记录中提取有效 载荷;学者廖炳荣利用雨流矩阵和链理论以及的技术,结合 8第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 材料的曲线和结构应力历程,以及.损伤累积理论预测车体结构疲劳 寿命【】。 从上述文献可以看出,在利用雨流计数法提取有效载荷方面,国内外都进行过较广 泛深入的研究,并取得了实际应用成果。 但是,将雨流计数提取有效载荷与风电变流器运行工况相结合,提取实际运行 工况中的功率循环/热循环的有效载荷,进而预测其运行寿命,国内外目前还没有 人进行探讨。 本文在讨论应用可靠性方面的一般性问题外,结合风电变流器的运行特性, 运用雨流法,提取风电变流器实际运行记录中的应力循环,进而在风电变流器中 的运行寿命方面,进行初步计算。 对于风电变流器的特殊工况,考虑宇宙射线引起的失效率,正确的选择变流器的工 作电压;核算功率循环/热循环决定的器件的运行寿命,对于保障变流器的长期可靠运行, 同时又能节省成本,具有较大现实意义。 .本文的主要研究内容 本文先介绍风力发电系统变流器的大体情况,三种形式的风力发电机组,即双馈型 风力发电机组,直驱型风力发电机组,半直驱型风力发电机组带齿轮箱同时使用全功 率变流器的风力发电机组:以及这三种风力发电机组的特点。 第二章随后介绍风力发电机组变流器的运行特点,特别是双馈式风力发电机组的变 流器的运行特点;由于风的随机性,为了实现最大风能利用率,变流器的功率随风的变 化而变化;风的变化随机而电网的电压和频率固定,为了实现并网运行,风电变流器特 别是机侧变流器的频率/电流还需要依据风况而调整,这些特点,都加大了变流器中 的热应力,使其功率循环/热循环的影响加大。 第三章主要介绍影响变流器器件可靠性的主要因素,分别从功率循环/热循环, 宇宙射线失效率,阻断状态下器件的可靠性,以及其它因素等几方面进行;其中,着重 讲述功率循环/热循环对可靠性的影响。 我国地域宽广,风电机组的安装海拔高度变化很大,从海拔高度到米的海拔 高度,如此大的海拔差异,造成风电变流器中,宇宙射线引起的失 效率不容忽视,需根 据使用地的海拔高度,合理确定变流器的工作电压。依据宇宙射线与海报的失效率曲线, 合理选择器件的工作电压,这些也在第三章中有所讲述。 器件的一次开关,就有可能形成值得注意的功率循环,耗尽有限次功率循环能力中 的一次,器件功率循环的能力,与器件工作的绝对温度,功率循环的温度差等因素都有 关系,但是要对这些进行计算,必须先计算器件的损耗,通过损耗值推算器件的瞬态结 温波动和平均工作温度。第四章讲述器件结温的计算,主要从器件瞬态结温计算和器件 9西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 损耗计算这两方面进行。 在第五章中,先对某风场变流器的连续一年的实际运行工况进行分析,得出机组功 率与变流器电流的关系,进而通过机组功率推算出连续一年变流器电流的情况,再推算 出连续一年的运行中,的结温情况。然后对该变流器的直流阻断可靠性进行分析, 对器件的宇宙射线失效率进行分析,然后重点对器件的功率循环/热循环,运用雨流算法, 提取其有效载荷,再根据器件对应的功率循环寿命曲线,计算器件的运行寿命。 在可靠性的相关计算中,用雨流法提取器件的功率循环和热循环,由于是连 续年的运行数据,数据量很大,因此提取很有困难,借助平台,运用 工具,能较好的完成该工作。同时,利用平台,完成相关曲线的拟合工作,得到 较为简洁的数学表达式,同时又保证较为准确;对于拟合起来实在有难度,或者误差较 大的,采用查找图表的方式,来完成相关计算,达到减少误差的目的。 最后是全文总结部分,概述本文的主要结论。 10西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章风力发电机组及其变流器运行特点 风力发电机组追求的目标是更高的安全性,更低的故障率,更长的使用寿命,更 低的成本;这些都是为了进一步降低风力发电的度电成本。为了实现这一最终目标, 风电机组变流器有其不同于其它变流器的运行特点。 .风力发电机组 大功率发电机组从构成上可以分为双馈,半直驱,直驱三种形式。 ..双馈风力发电机组 大功率双馈式风电机组使用带滑环的双馈发电机,以及约为机组功率三分之一容 量的变流器,是目前商业化的主要机型,其机舱结构如图.所示。 机组主要由叶片,轮毂,变桨距系统,雷电保护系统,转子轴承和主轴,齿轮箱通 常为级齿轮箱,双馈发电机,偏航驱动系统,制动器,变流器以及机组控制系统等 主要部件组成。 图:大功率双馈风电机组结构,双馈感应发电机的特点是发电机转速可以 在同步转速上、下两个方向变化,其外形图如图.所示。通常.风电机组的叶轮西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 转速变化范围约为一/,风轮转速为/时,对应双馈发电机同步转速,这 样转速变化范围为电机额定转速的?/,相应变流器的功率只有电机功率的/。由于 风轮转速低,而发电机转速较高,需要使用齿轮箱进行增速,增速齿轮箱速比大,负荷 重,随风速变化波动大且频繁。造价高、易疲劳损坏是双馈机组的主要缺点,另外绕线 式异步电机的电刷和滑环也会影响系统的可靠性,增加维护工作量。 图:大功率双馈机组的发电机 风电机组的主要优点是转子可以实现功率的双向流动,并网简单,功率因数 可调,变流器的容量约为发电机容量的三分之一,价格相对便宜。其缺点是发电机与轮 毂采用三级升速齿轮箱连接,齿轮箱噪声大,易损坏,故障率高,维修费用高;同时, 双馈风电机组的低电压穿越能力较差,虽然可以增加低电压穿越设备,但会增加其成本, 控制软件非常复杂。双馈风电机技术成熟,采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 组件,价格便宜。 目前,双馈机组的功率已经超过。随着机组功率的加大,定子电压也相应升 高,例如,某厂家的双馈机组,定子电压采用;而国外,还有定子电压采 用的双馈机组;对于转子电压,出于变流器的可靠性及成本的考虑,电压都在 以内,多采用等级的作为功率器件。 双馈机组的转子变流器必须要能实现能量的双向流动,才能使定子变速恒频恒压, 向电网发电;因此,双馈机组转子变流器的功率器件,目前都是采用,器件电压 为等级或以下等级。 机组其技术相对成熟,产业链丰富,价格相对低廉,使用维护经验也丰富, 是目前的主流机型。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ..半直驱风力发电机组 半直驱型风力发电机组采用单级或两级,甚至级齿轮箱和中速或高速发 电机,同时也使用全功率变流器,也叫混合型风力发电机组,是直驱型和传统型风力发 电机组的混合。混合型风力发电机组采用全功率变流器,其主电路结构与直驱式风电系 统基本相似。 半直驱结构采用齿轮箱,永磁电机或高速鼠笼电机及全功率变流器实现并网。相比 ,对齿轮箱的要求可以降低,能一定程度降低齿轮箱的故障率。由于电机没有滑环, 也就没有滑环与碳刷的不足,采用全功率变流器,能较好的处理低电压穿越等问题。 在半直驱结构的大功率机组中,比较有代表性的是西门子的.其 机舱机构如图.和阿琅法的 。其中,前者采用三级齿轮箱, 高速鼠笼电机,以及全功率变流器;后者采用一级齿轮箱,中速永磁发电机以及全功率 变流器。 半直驱被认为是一种折中 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,对齿轮箱的要求没有双馈机组要求那么高,而发电 机又没有直驱那么大。 图?:半直驱风电机组结构示意图 ..直驱风力发电机组 直驱风电机组的显著特点是取消了齿轮箱。美国可再生能源实验室的研究表 明,大型风电机组的齿轮箱的故障率高。省去了齿轮箱,可以提高风电机组的整体可靠西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 性。这样,发电机需要将转子的全部转矩转化为电能,需要增加转子的半径来弥补低转 速,如图.为某型永磁直驱风电机组的发电机转子。 由于排除了高能量损失的齿轮箱,永磁直驱设计比传统的带有齿轮箱的双馈感应发 电机效率高出%。又由于不需要电流励磁,直驱机组在低风速条件更有优势,节省的 电力完全适应电网需求。根据一家永磁发电机公司的报告,使永磁发电机在局部 负载效率比双馈感应发电机高出%。 为了弥补直驱发电机的低转速因为去除了齿轮箱,必须大幅提高发电机的半径来 提高磁体围绕线圈旋转的速度。这意味着体积和重量的增加,对运输和吊装是不利的。 因此永磁是最好的解决直驱发电机重量问题的解决方案。 因为直驱设计采用了全功率变流器,所有的电流可以用于有功发电和无功发电,允 许无功发电并入电网。因为不需要有附加的无功发电设备,所以这种特点对弱电网环境 特别重要;因此,从电网公司的角度来看最小化了电网基础设施的投资。另外,由于全 功率变流器将发电机和电网分开,这使发电机不受电网电压瞬变情况的影响。 由于直驱机组中有更多的铁质构件,并且发电机放置在机舱之外,直驱机组更易受 到腐蚀,对于海上风电是一个问题,直驱风 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 造商正在采取一些措施保证适当的密封 和防护。 另外,直驱机组重量较同功率等级的双馈和半直驱机组,重量都要重,这对塔架及 偏航系统,都需要更高的要求。 现阶段看来,直驱与其它两中机型相比,并未绝对优势,也无绝对 劣势,在未来将 和另外两种形式的机组共同存在。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图.:直驱风电机组的永磁电机 ..大型风电机组发展趋势 直驱技术/半直驱技术相比双馈技术,并非具有颠覆性,三种传动技术彼此都无压倒 性优势,未来相当长一段时间内,三种技术将并存:随着产业的发展,直驱和半直驱在 风电机组中所占比例会有所升高。 随着新材料,新技术的发展,风电机组呈现如下的发展趋势: .风电机组大型化 由于安装面积及风资源的限制,为了充分利用风资源,为了使风电的度电成本进一 步下降,风电机组不断的走向大型化。目前国外已有多家着手及以上功率等级风 电机组的开发,而国内,也已有多家开始及以上风电机组的相关工作。 .新技术新材料的不断应用 随着高温超导技术的发展,碳纤维技术的不断创新及成本的持续下降,超导电机将 应用于大型风电机组;碳纤维叶片及碳纤维塔架也将出现在大功 率风电机组中。 .风电机组调节技术的发展 风电机组通过不同的调节方式进行调节,以提高风电效率,实现最高风能捕获。目前 变桨距变速调节己成主流,逐步取代定桨失速控制方式,以取得更好的风能利用率,实 现更多的发电量。 .风电机组电压等级将提高 对于双馈机组,转子电压仍将在及以下,以便利用及以下等级的成熟 的功率器件及丰富的产业链;而定子电压会随机组功率增大而升高,从升高到 /或以上。对于采用全功率变流器的直驱或半直驱机型,发电机电 压将从升高到甚至更高,以此来降低电流的传输损耗,提高整机性价比, 减小体积。 .风的特点 大气运动形成风,风由风速及方向来描述,风速可以分解为水平方向的速度和垂直 方向的速度。风是由于大气各部分受太阳辐射不同而造成温度气压不同而形成,因此, 风能的本质是太阳能。 风由风速和风向来描述,在风电机组中由于偏航系统的作用,使风机始终对准主风 向,因此,在分析变流器运行情况时,可以不考虑风向,而只关心主方向的风速。 风速指单位时间内,风在水平方向上移动的距离,风速随时间和空间的变化时随机 的。瞬时风速由平均风速和脉动风速组成。平均风速随高度的变化而变化,其变化规律 称为风剪切或风速廓线。 风的统计特性指风随时间变化的规律,风向的统计特性用风向频率的玫瑰图来表示,西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 风速的统计特性主要是指风速的概率密度分布和累计概率密度分布,通常用威布尔 或瑞利分布来描述。一:’ . 无:鱼二?ב:’威布尔分布函数用形状参数与标度参数来表征,其风速积累分布函 数和概率密度函数工分别为式.和式?。 自然风可以看做是由平均风与剧烈变化的瞬间乱流相结合而形成的。乱流又叫紊流 或湍流。这种紊流存在大小不同的漩涡,紊流主要是由于气流与地面的摩擦而产生的, 当风速在大气稳定时垂直方向会产生重力波,在山风下侧也会产生山岳波等。这些大气 的局部运动增加了风的随机性。 一天中,风随时间的变化而变化,例如,早晨,傍晚,午夜的风速都不同,通常低 空陆地风夜间风弱,早上风强;一年中,风还随季节的变化而变化,在我国,大部分地 区是冬春两季风较大,而夏秋两季风较小。 风的温度也随时间的变化而变化,例如,同一天中,夜间风的温度较低,白天风的 温度较高;同一年中,冬季风的温度较低,而夏季风的温度较高。 总之,风无时无刻不在变化,不仅风的大小随机变化,风的温度也在变化。 .双馈风电变流器的运行特点 风电变流器的任务是作为风电机组的一部分,协助机组将风能转换为电能,并送入 电网。 双馈变流器的发展,很大程度得益与变速恒频技术的应用,所谓变速恒频,就是通 过调制控制,使风电机组的风轮转速能够跟随风速的变化,最大限度的提高风能的利用 率,有效降低载荷;同时风轮及其所驱动的电机转速变化时,保证 机组输出的电能频率 始终与电网一致。 机组的调速控制可以通过机械或电气等不同方式来实现,但是利用变流器的技术方 案是目前最为成熟,应用最广,最具发展前途的技术。变流器的应用,不仅有利于提高 机组运行效率,同时对机组的并网和电网的安全稳定运行也起到了很好的作用。 目前,全部双馈变流器都是采用交.直.交的方式,使用作为功率器件,器件电 压等级为或以下等级。双馈变流器可分为网侧变流器和机侧变流器,网侧变流器 完成与电网的能量交换及连接,机侧变流器完成与双馈电机的能量交换及连接。图? 表示了双馈机组的工作原理。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图.双馈机组工作原理 ..双馈发电机 双馈发电机的结构类似于绕线式异步电机,旋转电机的定子和转子均安放对称三相 绕组,其定子与普通交流电机定子相似,定子绕组由具有固定频率的对称三相电源连接。 电机定转子极数相同,转子绕组由具有可调节频率的对称三相变流器连接,电机的转速 由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子磁场是同步旋转的,因此它又具有类似同 步电机的特性。 当电机定子对称三相绕组由频率为的电网连接时,气隙中基波旋转磁场的同步转 速为,,满足石//×%/。转子由原动机带动以转速玎,旋转,而在转子对称三相绕组 中施以频率为,为转差率的变频电源,在转子中产生三相对称电流,它们产生的 基波旋转磁势瓦相对于转子而言以转差速度,旋转,相对于定子以同步转速旋转。转 子磁势在气隙中建立的基波旋转磁场,在定子绕组中产生感应电势频率为,,该电势 与外加至定子绕组中的电源电压共同作用形成三相对称电流,由此产生的定子基波磁势 同样以同步转速旋转。定转子磁势相对静止,在气隙中形成合成磁势,该磁势在 ‘ 一所 气隙中产生合成磁场‰,分别与定转子绕组交链,在绕组中分别感应电势巨、易频西南交通大学硕士研究生学位论文 第 率为。 实质上,双馈电机与普通异步电机的工作原理是一致的。二者的区别在于普通: 电机转子电流的频率取决于电机的转速,由转子短路条感应电势的频率决定,与转. 有关,而转子电流本身的频率不能自主地、人为地调整。而双馈电机转子绕组的频 外加交流励磁变流器供电,其频率可以随之变化调节。因此,双馈电机既具有异步 的工作原理,又具有同步电机的工作特性。 双馈电机转速可表示为【】: . 石,?丘等? 其中,.万为定子频率,在我国,该值为赫兹,为双馈发电机转速,为发 极对数,为双馈电机转子频率,当该值为负时,表示电机转子输出能量,该值为卫 表示双馈电机转子从变流器吸收能量。 风冷型式的双馈电机如图.. 图双馈电机 ..双馈风电变流器 在双馈系统中,风作用于风轮,在风轮上产生旋转的力,风轮通过 齿轮箱,将 作于到电机上,使电机旋转,产生电磁转矩。而风所具备的能量,主要由风速及当 空气密度等因素决定;而发电机的电磁转矩,源头是风所具备的能量,还由叶片形西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 叶尖速比等因素所决定的风能捕获率,齿轮箱等部件构成的传动链的效率等因素共同决 定。 因此,当风速随机变化时,发电机的电磁转矩也相应的发生变化。由于风速的变化 具有随机性,因此,发电机的电磁转矩也具有随机性。 在双馈系统中,网侧变流器的频率是固定的,但是功率随风速的变化而变化,网侧 变流器功率在一定范围内随机变化,其变化具有随机性;机侧变流器频率受发电机转速 的影响,而发电机转速又是由风速决定的,因此,机侧变流器的频率受风速的影响而在 一定范围内随机变化;同样,机侧变流器的功率也在受风速的影响,在一定范围内随机 变化。 变流器功率与频率的随机变化,造成功率器件的结温和壳温也发生与之对应的变化。 另一方面,风力发电机组安装于野外,所处地点的空气温度随时间而发生变化。例 如,一天中,空气温度随时间的不同而发生变化,昼夜空气温差可达度以上;一年中, 空气温度随季节的不同而变化,冬季的空气温度通常比夏季低得多。空气温度的变化, 必然影响变流器散热系统的温度变化,特别是使用被动散热系统的风电机组。 散热系统温度的变化,造成功率器件壳温的相应变化。 萎薹妻薹薹薹薹薹兰舞妻基囊塞兰至妻薹妻薹至彗萎薹;辚?至三薹蓉至兰萎薹囊薹瓣 ??霾鬻灞 :: :; :: ;: ?: .翱 :: : :: : ::? 图?风电变流器实际运行曲线 如图.,是一段风电机组实际运行时的功率和电流等参数的变化情况红色曲线 表示功率变化曲线,白色曲线表示机侧变流器电流变化曲线,灰色曲线表示发电机定子 电流变化曲线,其中,变流器的功率和频率都在变化,变流器的进水温度也在变化,由 此可知功率器件的壳温和结温也在发生相应变化。西南交通大学 硕士研究生学位论文 第页 图?变流器运行电流波形 如图.为风电变流器实际的电流波形,兰色为机侧变流器电流波形,红色和绿色 为网侧变流器电流波形,黄色为中间直流电压波形。 风机工作于野外,常常处于电网末端,电网的电压常有较大的波动,例如,风较小 时,电网电压为;而风较大时,整个风场满功率运行时,电网电压可能会波动到接 近,电网电压常随风速的变化而发生一定的波动;电网的频率也会发生一定的波动。 在这些风力发电领域特殊的工况下,变流器要保持发电机的频率、相位的稳定,控制转 子电流的输出,控制转子电压随电网的波动而变化,还要配合主控系统,实现最大的风 能利用率,这些都是风电变流器不同于普通工业变流器的要求,也是风电变流器控制的 难点之一。 双馈风电变流器的运行特点,主要体现在如下四个方面: 第一,变流器与电机的问题: 双馈变流器系统通过机侧变流器实现与电机转子的能量交换,变流器与电机存在如 此紧密的关系,归纳起来,主要体现在如下方面。 目前大型双馈机组,转子全部采用碳刷滑环结构,高速旋转的转子,其引线通过滑 环引出,再通过碳刷与变流器建立电气连接。碳刷滑环存在磨损,有碳粉产生,虽然现 代电机都建立了自动排碳粉装置,但是碳粉不可能被完全排干净。残余碳粉在特定条件 下,会引起碳刷对地绝缘损坏,碳刷相间绝缘损坏,进而引发变流器过流问题。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 碳刷滑环在长期使用过程中,产生机械磨损,可能造成碳刷滑环打火,该打火的电 流幅值大,频率高,产生的电压也高,对变流器造成危害。 变流器在驱动双馈电机过程中,由于双馈电机特殊结构,产生较大的共模电流/电压, 该共模电流/电压一方面损坏发电机的绝缘和轴承等,另一方面,也对变流器自身产生严 重干扰,可能触发驱动及控制电路等电路单元误动作。 第二,变流器与风的问题: 自然风在宏观上服从分布,但在某一个特定时间段内,风速是变化的,风 向也是变化的,在竖直方向,存在风切变,在水平方向,存在湍流。 虽然风轮具有较大的质量,能对风速的变化起到一定的阻尼作用, 客观上对风速的 变化起到了一定的滤波效果;但是风电机组要求尽可能多的发电,必须实现最大的风能 捕获。 为了在额定功率范围内实现最大风能捕获,要求风电机组在额定风速以下时,始终 保持最佳叶尖速比【】。叶尖速比定义为叶尖圆周速度与风速之比: 兄:?,?:?? 几???? . ‘叶 、 。式?中:表示风轮转速,单位/;?表示风轮角速度,单位为/;表示 风轮半径,单位为。 风能利用系数反应风电机组从自然风中吸取能量的程度,风能利用系数定义为【】: 三×× ’ 式.中:。表示风能利用系数;表示自然风的总能量;表示自然风的密度; 为风轮半径,为风速。 风能利用系数反映风力机捕获风能效率的高低,贝兹极限值理论证明了理想风 力机的最大风能利用效率.约为.,它从理论上说明风力机从自然 风中所能索取的 能量是有限的,实际应用中是达不到此最大值的【】,其功率损失部分可以解释为阻力、 叶尖损耗及留在尾流中的旋转动能。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 图风能利用率与叶尖速比的曲线 图表示不同桨距角下叶尖速比与风能利用率之间的关系,横轴为叶尖速比,纵 轴为风能利用率。 假如风力机叶片的空气动力学特性正常,无量纲的风力机风轮空气动力性能将取决 于叶尖速比和叶片桨距角。为便于计算,风轮桨距角一般取固定值,风力机转矩乃可以 表示为口】: ×万兄 ?? : 。 式中:兄表示风能利用系数;表示自然风的密度;为风轮半径,为风 速;表示风轮角速度。 风力机的转矩,乘以传动链的损失,即为双馈电机的转矩;因此, 双馈电机的转矩 可以表示为: ? %, :, 一×刁:至?????一 在式.中,表示双馈电机的转矩,,表示机组传动链的传动效率。 可见,双馈电机的转矩受空气密度、风轮半径,风速,风能利用率,风轮角速度, 传动效率等参数的影响;而对于一台安装于特定环境的特定风机,空气密度一般不会突 变,风轮半径固定,传动效率相对固定,而风能利用率受风速的影响而变化,风轮叶尖 角速度受风速的变化而变化。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 因此,发电机的电磁转矩当风速变化时,必定发生变化;由于电网电压相对不变, 因此电机电流必定随风速变化而变化。 在一个特定的时间内,双馈电机的电流随阵风,渐变风,噪声风的变化而变化,微 观上无规律可循,是一个随机过程。 第三,变流器工作环境的问题: 风电机组的机舱必须有较好的流线外形,以减少空气阻力,避免因风速过大时,在 机舱上产生较大作用力而发生破坏。为了达到这个性能,机舱空间宝贵。另一方面,塔 筒也不能设计得很大,塔筒过大既不利于降低成本,也不利于运输吊装。 风机的电控系统包括变流器通常安装于机舱或塔筒中;由于这两者都有空间限 制,因此变流器的功率密度很高,例如在不含电抗器等辅助部件的情况下,的 功率密度达到./。 由于功率密度很高,变流器的开关及导通损耗较大,散热面积有限,因此,高的功 率密度推高了器件工作时的绝对温度。同时,为了节省成本,风电变流器的冷却系统不 可能设计得非常强大,而一些地区夏季温度非常高例如,某风场记录的最高空气温度 为。,加上太阳辐射使机舱温度升高,齿轮箱、发电机等部件向机舱散热,使得机 舱内空气温度高达,变流器工作空间的环境温度达到。。 功率器件工作的绝对温度较高,使得器件的热应力循环能力降低。 另一方面,风电机组运行于野外,气候条件复杂,一些地区湿度非常高【】,环境温 度或运行工况的变化很容易导致凝露的发生,进而引发变流器自身的相关问题;另一方 面,凝露产生在碳刷滑环系统残余的碳粉上,导致滑环相间或相对地发生绝缘问题,使 变流器较大的故障电流或电压。 一些地区,即便变流器具有以上的防护等级,凝露还是会发生;必须非常谨慎 的判断是否满足变流器工作的湿度及温度条件,同时进行进行相关的除湿防凝露措施, 才能保护变流器。 再者,我国幅员辽阔,各地区的海拔高度也差别很大;例如风资源丰富的云南贵州 等地,风电机组安装地的海拔高度超过米;而江苏,河北,北京,天津等地,风电 机组安装海拔却很低,从零海拔至海拔一二百米。 过高的海拔使同样条件下宇宙射线对器件造成的失效率大大提高;因为宇宙射线随 海拔的升高而增加,功率器件的结在宇宙射线的随机作用下,可发生不可逆或者致 命的损伤,而这些损伤将导致器件失效。 风电变流器的工作环境复杂多变,远比普通变流器恶劣;某些地区,工作环境对变 流器的可靠性造成了不容忽视的影响。 第四,变流器的其它问题: 风电机组的安装地点,决定风电变流器的维护非常不便。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 风电机组必定安装于风资源丰富的地区,而这些地区,多是条件恶劣之地,交通不 便利,难于到达。变流器安装于机舱上时,当变流器发生了需要人工干预的故障,需要 工作人员爬上近百米的风机,劳动强度之大,可以想象,特别是冬季低温时节,劳动强 度更大。 新颁布的风电场接入电力系统技术规定口,风电机组需要满足相关的谐波要求,这 要求在滤波系统不变的情况下,要保持较高的开关频率;规定还要求风电机组必 须满足低电压穿越的能力,而低电压穿越主要靠变流器来实现,在低电压穿越时,变流 器将面临极大的过载运行,而且过载时间长。 风电变流器不同于普通工业变流器的特殊运行环境,决定风电变流器的可靠性有特 殊要求,可靠性要求更高,抗冲击能力要求更强。 .本章小结 本章首先介绍了风力发电机组的三种型式,风的特点,风电变流器的运行特点;介 绍了风电变流器的运行环境。指出风电变流器为了配合机组实现最大风能捕获,必须随 风速的变化而随即的改变相关运行参数,为后续分析双馈变流器中的可靠性提供 基础。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章影响可靠性的主要因素 ,绝缘栅双极型晶体管,是由极型三极 管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有 的高输入阻抗和晶闸管的低导通压降两方面的优点。 具有如下个很好的特性【: .高输入阻抗,使得门极驱动电路小而便宜 .在关断器件不易成丝状,因此不需要那样的缓冲电路 .在短时间内可以承受一定的短路电流 .在开关频率和损耗之间进行折中,使得在很宽的频率范围内能够经济的运 行。 臻笱 图.所示为一个沟道增强型绝缘栅双极晶体管结 构, 区称为源区,附于其上的电极称为源极。区 一由~ 称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅 剖烂 极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的型区包 ?’ 一 冀。一 括和.区沟道在该区域形成,称为亚沟道区 ? 。而在漏区另一侧的区称为漏注 入区 ,它是特有的功能区,与 图 结构 漏区和亚沟道区一起形成双极晶体管,起发射极的作用,向漏极 注入空穴, 进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极 称为漏极。 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给晶体管提供基极 电流, 使导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使关断。 的驱动方法和基本相同,只需控制输入极.沟道,所以具有高输 入阻抗特性。当的沟道形成后,从基极注入到.层的空穴少子,对 .层进行电导调制,减小.层的电阻,使在高电压时,也具有低的通态电压。 .可靠性 可靠性是产品在规定条件下合规定的时间内,完成规定功能的能力。其中,规定条 件包括:储存条件、装配条件、运输条件、使用条件、维修条件等;规定的时间包括: 任务时间、试验时间、储存时间等;规定功能是指产品应当具备的技术指标。 可靠性指标包括可靠度和不可靠度。可靠度八定义为:在规定条件下时刻以前西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 正常工作的概率,是可靠性的度量;不可靠度定义为:从开始使用到时刻发生故 障的概率。 平均无故障时间陌是指多次故障之间的平均间隔时间,对于风电变流器的 实际情况,一旦某只失效,由于其特殊运行情况,加上出于对风电机组及维护人 员人身安全的考虑,都是采用整体更换变流器功率模块,因此,风电变流器的的 平均无故障时间也就是变流器寿命的期望值。 平均修复时间是指发生故障后,修复故障需要的时间的平均值,对于风 电变流器具体情况,一旦发生故障,无法修复。 系统寿命是指系统能够保持自身功能并在规定条件下的运行时间,通常取%完好 率下,系统能够正常工作的时间。本文中,功率循环/热循环的寿命,都是在%完好率 情况下的寿命。 不发生故障的变流器不存在,但是故障太高,必定影响到使用;对于风电特殊工况 来说,故障高了,给维护人员带来很到的劳动强度,增加了较多的维护成本;同时,处 于故障时,风电机组不能正常发电,带来电量损失,影响发电收益。 可靠性的一个重要内容是研究失效机理,在实际应用过程中,尽可能的规避 失效工况,或者尽力降低失效发生的可能性。 要保证风电变流器运用可靠, 首先要保变流器中在各种工况下运 行的实际环境条件、 工作参数要低于器件额定技术条件要求, 而的额定能力要 高于变流器本身技术条件的要求,这是确保具备较高可靠性的基 本条件;然后在 这个基础上再采取各项措施来提高设计可靠性。 温度、污染、海拔及湿度对运行影响很大, 要提高变流器及系统的可靠性, 一定要设法改善环境条件。例如变流器要设法改善柜内小环境的条件,尽量提高通风过 滤网的滤尘效果, 加强屏柜密封以防止灰尘或湿气的侵袭;对局部过热区间, 应设法 散热,根据具体情况, 散热采用通风、水冷、水热交换器却冷等方法。 可靠性数据库是分析研究产品失效机理的重要依据。建立可靠性数据库是一个长期 的工作过程, 一方面要通过可靠性试验来收集数据, 另一方面要靠现场运用的数据积 累。 要对每一个建立其可靠性数据库, 对每个提供无故障运用时间与失 效分析。风电变流器的可靠性数据库更是一个系统工程,只有坚持长期的数据积累,才 能有助于设计水平的提高。 .功率循环/热循环对器件可靠性的影响 器件的一种失效过程,是器件经受热冲击的累积作用后物理参数甚至内部结 构逐渐变化的过程。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 .. 的封装结构 是基于微电子技术而发展起来的,其封装结构不同于晶闸管,整流管, /等平板压装机构,模块如图.。芯片的制造是借鉴集成电路制 造技术,其引线引出方法也沿续了微电子技术惯用的超声波压焊工艺,如图.和图. 所示。 芯片的集电极阳极通过焊料焊接在导电的金属板上,该层金属板再通过 焊料焊接在导热性能好,绝缘能力强的陶瓷基板或其它材料上;而发射极阴极 和门极栅极通过细丝导线焊接后引出,如图.所示;绝缘基板的敷铜层通过第二 焊层与铜基板相连,而后,整个部分装入塑料外壳,并填充硅胶类物质,进行整体塑料 封装。 典型的结构,从上至下,依次为:导线,硅片,第一焊层,绝缘导热底座, 第二焊层,铜基板,导热脂,散热器,如图.所示。 图 封装结构 图芯片和导线 图 模块结构 图 模块第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ..功率循环热循环对可靠性的影响 在的实际应用中,器件会承受各种各样的温度变化,这其中,有一部分是由 于器件自身工作时的开关损耗和导通损耗产生的热量而引起;还有一些是由于外部条件 的变化而引起,比如冷却系统的温度变化等。这些因素引起器件的温度变化,温差可达 度以上;持续时间从几毫秒到几个月。这样大大小小的温度变化 大量存