風(fēng)電變流器中IGBT的可靠性研究

【摘要】：風(fēng)力發(fā)電是目前新能源的焦點(diǎn)之一,度電成本達(dá)到了與火電相近的程度,具備大規(guī)模開發(fā)的條件,近年發(fā)展非常迅速。我國目前的主流機(jī)型是1.5MW等級的雙饋和直驅(qū)風(fēng)機(jī),1.5MW及以上功率等級的風(fēng)機(jī)將是未來的發(fā)展趨勢；而雙饋,直驅(qū)和半直驅(qū)將在未來共同存在。風(fēng)電設(shè)備工作于野外,要求20年以上的壽命,工作條件苛刻,維修不便利,因此可靠性要求高。然而,野外晝夜氣溫變化大,加上風(fēng)速又無時(shí)無刻不在變化,以及潮濕,鹽霧,風(fēng)沙,極端的高溫和低溫,這些都對變流器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行造成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。截止到2010年底,我國風(fēng)電變流器中(包括5MW風(fēng)機(jī)),使用的功率器件全部是IGBT,由于IGBT的特殊結(jié)構(gòu),該類器件的功率循環(huán)/熱循環(huán)能力遠(yuǎn)不如晶閘管(包括GTO/IGCT),而風(fēng)電變流器中,由于風(fēng)無時(shí)無刻不在變化,為了實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲,以致機(jī)側(cè)變流器的電流電壓以及頻率需要隨風(fēng)的變化而變動(dòng),而網(wǎng)側(cè)變流器的電流需要隨風(fēng)的變化而變化,以便向電網(wǎng)上輸送頻率和電壓穩(wěn)定的電能；變流器的頻率,電壓,電流的持續(xù)變化,將在功率器件上產(chǎn)生大量功率循環(huán)/熱循環(huán)載荷,對功率器件的可靠性形成影響。 變流器的可靠性是一個(gè)復(fù)雜的問題,對變流器可靠性的檢驗(yàn),往往需要很長的時(shí)間,然而,功率器件廠商的失效統(tǒng)計(jì)及實(shí)踐表明,可以通過一系列方法,結(jié)合變流器的實(shí)際工作情況,進(jìn)而對功率器件的可靠性進(jìn)行有效的預(yù)測。論文首先分析影響功率器件可靠性的各種因素,以及功率器件可靠性的相關(guān)數(shù)據(jù)；其后,對來自某風(fēng)場變流器運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)(一周年),利用雨流矩陣,以及Matlab的WAFO技術(shù),結(jié)合功率器件的相關(guān)可靠性數(shù)據(jù),以及相關(guān)的可靠性理論,預(yù)測風(fēng)力發(fā)電變流器中,功率器件的壽命。 本文是國內(nèi)首篇詳細(xì)介紹功率器件可靠性,以及結(jié)合風(fēng)場變流器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),依照器件廠家的相關(guān)可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和長期應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,運(yùn)用WAFO技術(shù),預(yù)測變流器中功率器壽命的文章。雖然其準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)需要較長的時(shí)間,但其方法及結(jié)果得到了功率器件廠商的認(rèn)可,利用該方法,可以在產(chǎn)品開發(fā)早期,對功率器件的壽命進(jìn)行預(yù)測,為實(shí)際研究變流器功率器件的壽命提供良好的理論依據(jù),相信能為風(fēng)電變流器的相關(guān)工作提供一定的建議及指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)力發(fā)電 IGBT 可靠性 WAFO 雨流計(jì)數(shù)法
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM46;TM614
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目錄9-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 課題研究背景和意義11-13
• 1.2 國內(nèi)外關(guān)于IGBT可靠性的研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容15-17
• 第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其變流器運(yùn)行特點(diǎn)17-31
• 2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組17-21
• 2.1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組17-19
• 2.1.2 半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組19
• 2.1.3 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組19-21
• 2.1.4 大型風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢21
• 2.2 風(fēng)的特點(diǎn)21-22
• 2.3 雙饋風(fēng)電變流器的運(yùn)行特點(diǎn)22-30
• 2.3.1 雙饋發(fā)電機(jī)23-24
• 2.3.2 雙饋風(fēng)電變流器24-30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 第3章 影響IGBT可靠性的主要因素31-43
• 3.1 可靠性31-32
• 3.2 功率循環(huán)/熱循環(huán)對器件可靠性的影響32-37
• 3.2.1 IGBT的封裝結(jié)構(gòu)33-34
• 3.2.2 功率循環(huán)熱循環(huán)對IGBT可靠性的影響34-35
• 3.2.3 IGBT的功率循環(huán)/熱循環(huán)能力的描述35-37
• 3.3 宇宙射線對IGBT可靠性的影響37-39
• 3.4 阻斷狀態(tài)下IGBT的可靠性39-40
• 3.5 其它影響可靠性的因素40-42
• 3.6 本章小結(jié)42-43
• 第4章 IGBT功率器件結(jié)溫的計(jì)算43-54
• 4.1 瞬態(tài)結(jié)溫的計(jì)算43-46
• 4.2 器件損耗的計(jì)算46-51
• 4.2.1 IGBT導(dǎo)通損耗計(jì)算46-47
• 4.2.2 IGBT開關(guān)損耗計(jì)算47-49
• 4.2.3 二極管部分的損耗計(jì)算49-51
• 4.3 由IGBT集成溫度傳感器(NTC)估算器件結(jié)溫51-53
• 4.4 本章小結(jié)53-54
• 第5章 SPM750變流器功率器件壽命計(jì)算54-87
• 5.1 風(fēng)電變流器的實(shí)際運(yùn)行情況分析55-58
• 5.1.1 機(jī)側(cè)變流器電流與機(jī)組功率的關(guān)系56-57
• 5.1.2 機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分布57-58
• 5.2 變流器中IGBT結(jié)溫的計(jì)算58-66
• 5.2.1 變流器IGBT結(jié)溫計(jì)算59-61
• 5.2.2 變流器IGBT結(jié)溫波動(dòng)計(jì)算61-64
• 5.2.3 變流器IGBT的結(jié)溫分布64-66
• 5.3 IGBT的直流阻斷可靠性分析66-68
• 5.4 宇宙射線影響下的可靠性68-72
• 5.4.1 A型IGBT宇宙射線影響下的可靠性68-71
• 5.4.2 B型IGBT宇宙射線影響下的可靠性71-72
• 5.5 功率循環(huán)/熱循環(huán)對IGBT可靠性的影響72-83
• 5.5.1 雨流計(jì)算法72-74
• 5.5.2 載荷提取工具WAFO74-76
• 5.5.3 功率循環(huán)/熱循環(huán)有效周次提取76-78
• 5.5.4 IGBT循環(huán)曲線的數(shù)值模擬及修正78-80
• 5.5.5 功率循環(huán)/熱循環(huán)壽命計(jì)算80-83
• 5.6 可靠性驗(yàn)證83-86
• 5.6.1 直流阻斷下的可靠性驗(yàn)證83
• 5.6.2 宇宙射線失效率下的可靠驗(yàn)證83-84
• 5.6.3 負(fù)載循環(huán)載荷壽命的驗(yàn)證84-86
• 5.7 本章小結(jié)86-87
• 結(jié)論87-89
• 致謝89-90
• 參考文獻(xiàn)90-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文92

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