風電變流器IGBT模塊結(jié)溫計算及功率循環(huán)能力評估

【摘要】：由于風能的間歇式固有特征，風電機組長時間、頻繁和大范圍的隨機出力變化，往往導致風電變流器IGBT模塊（由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及晶體二極管（Diode）組成）持續(xù)承受劇烈的電熱應力沖擊，尤其是風電機組機側(cè)變流器長期處于低頻下運行，其IGBT模塊因結(jié)溫波動變化而導致其運行可靠性較低的問題凸顯。為了準確獲取風電變流器IGBT模塊的結(jié)溫并評估其運行可靠性，論文以雙饋風電機組的變流器IGBT模塊為對象，研究其損耗及結(jié)溫計算模型，并提出機側(cè)變流器IGBT模塊的功率循環(huán)能力評估方法。其選題符合我國大力發(fā)展風力發(fā)電的戰(zhàn)略需求，研究成果對提高大功率風電變流器可靠性的狀態(tài)監(jiān)測水平有著重要的學術意義和應用價值。 本文主要內(nèi)容包括： ①在對IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)及熱傳遞過程深入了解的基礎上，重點掌握器件的電熱耦合特性及常見的失效機理，為進一步開展結(jié)溫計算及功率循環(huán)能力的研究奠定基礎。 ②為了準確計算變流器IGBT模塊的結(jié)溫，研究并建立了基于開關周期損耗分析方法的IGBT模塊結(jié)溫計算模型，針對實際IGBT模塊，將本文結(jié)溫模型的計算結(jié)果，與采用基于輸出周期損耗分析的常規(guī)結(jié)溫計算模型的結(jié)果進行比較，并和PLECS電力電子熱仿真結(jié)果進行驗證。 ③為準確分析雙饋風電變流器IGBT模塊損耗及結(jié)溫的變化規(guī)律，考慮雙饋風電機組運行特性和變流器控制策略，建立了雙饋風電變流器IGBT模塊損耗及結(jié)溫計算模型，并分別對風電機組全運行工況下機側(cè)和網(wǎng)側(cè)IGBT模塊的損耗及結(jié)溫進行了研究。 ④為準確評估實際湍流風速對雙饋風電機組機側(cè)變流器IGBT模塊功率循環(huán)能力的影響，基于雨流算法提取隨機結(jié)溫波動信息，建立了雙饋風電機組機側(cè)變流器IGBT模塊平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）的評估模型，并分析了不同湍流風速對其結(jié)溫波動特性和功率循環(huán)能力的影響。 上述研究內(nèi)容為風電變流器IGBT模塊結(jié)溫的在線準確評估及湍流風速下模塊可靠性的定量分析奠定了理論基礎和技術支撐。 【關鍵詞】：雙饋風電機組 變流器IGBT模塊 結(jié)溫 湍流風速 功率循環(huán)能力
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM46;TN322.8
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 緒論8-14
• 1.1 課題背景及研究意義8-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 風電變流器 IGBT 模塊結(jié)溫研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 風電變流器 IGBT 模塊可靠性研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 本文的研究內(nèi)容12-14
• 2 IGBT 模塊電熱耦合特性及失效機理14-22
• 2.1 引言14
• 2.2 IGBT 模塊電熱耦合特性14-18
• 2.2.1 IGBT 模塊封裝結(jié)構(gòu)14-15
• 2.2.2 IGBT 模塊熱傳遞過程分析15-16
• 2.2.3 不同結(jié)溫下 IGBT 模塊損耗特性16-18
• 2.3 IGBT 模塊失效機理18-20
• 2.3.1 熱機械應力失效18-20
• 2.3.2 過電應力失效20
• 2.4 小結(jié)20-22
• 3 基于開關周期損耗分析的 IGBT 模塊結(jié)溫計算方法22-40
• 3.1 引言22
• 3.2 不同工作模式 IGBT 模塊開關周期損耗計算22-28
• 3.2.1 IGBT 模塊損耗計算原理22-24
• 3.2.2 逆變/整流模式下 IGBT 模塊開關周期損耗計算方法24-28
• 3.3 基于開關周期損耗分析的 IGBT 模塊結(jié)溫計算模型28-32
• 3.3.1 IGBT 與 FWD 器件的等效熱網(wǎng)絡28-29
• 3.3.2 變流器 IGBT 模塊結(jié)溫計算模型29-31
• 3.3.3 基于 MATLAB/Simulink 的 IGBT 模塊結(jié)溫仿真模型31-32
• 3.4 實例比較和驗證32-37
• 3.4.1 常規(guī)結(jié)溫計算方法32-33
• 3.4.2 不同結(jié)溫計算方法的實例比較33-36
• 3.4.3 本文結(jié)溫計算方法的實例驗證36-37
• 3.5 小結(jié)37-40
• 4 雙饋風電變流器 IGBT 模塊結(jié)溫仿真及分析40-56
• 4.1 引言40
• 4.2 雙饋風電機組建模及運行特性40-46
• 4.2.1 雙饋風力發(fā)電機的工作原理40-41
• 4.2.2 風力機控制特性41-42
• 4.2.3 變流器控制策略42-44
• 4.2.4 雙饋風電機組運行特性分析44-46
• 4.3 機側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器 IGBT 模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分析46-54
• 4.3.1 雙饋風電變流器 IGBT 模塊損耗及結(jié)溫計算模型46-47
• 4.3.2 機側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器 IGBT 模塊損耗分析47-50
• 4.3.3 機側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器 IGBT 模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫分析50-54
• 4.4 小結(jié)54-56
• 5 計及湍流風速的機側(cè)變流器 IGBT 模塊功率循環(huán)能力評估56-68
• 5.1 引言56-57
• 5.2 機側(cè)變流器 IGBT 模塊失效模型57-58
• 5.2.1 器件功率循環(huán)失效模型57-58
• 5.2.2 機側(cè)變流器 IGBT 模塊的 MTBF 計算模型58
• 5.3 湍流風速對機側(cè)變流器結(jié)溫波動的影響58-61
• 5.3.1 短期湍流風速仿真58-60
• 5.3.2 湍流風速對結(jié)溫波動的影響60-61
• 5.4 機側(cè)變流器 IGBT 模塊功率循環(huán)能力改進評估模型61-64
• 5.4.1 基于雨流算法的隨機結(jié)溫波動信息提取61-62
• 5.4.2 IGBT 模塊循環(huán)能力改進評估模型62-64
• 5.5 風速對 IGBT 模塊循環(huán)能力的影響64-67
• 5.5.1 年平均風速的影響64-66
• 5.5.2 湍流強度的影響66-67
• 5.6 小結(jié)67-68
• 6 結(jié)論與展望68-70
• 致謝70-72
• 參考文獻72-78
• 附錄78-79
• A. 變流器及 IGBT 模塊參數(shù)78
• B. 1.5 MW 雙饋風電機組的主要仿真參數(shù)78
• C. 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及參加的科研項目78-79

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