基于核心部件状态监测的风电变流器可靠性评估

发布时间：2020-10-20 20:01

　　 在国家大力推动新能源发展的浪潮下,我国风电场建设规模越来越大,风电机组的可靠性问题受到广泛关注。作为风电机组的核心装置,变流器受随机风速产生的老化应力影响,其可靠性随运行时间逐渐降低。统计发现50%以上的变流器故障是由功率模块和电容器失效引起的,而变流器的组成器件都属于串联运行,任意器件失效都会引发变流器整体失效,因此在进行风电变流器可靠性评估时应重点考虑功率器件和电容器等核心部件的健康状态。通过监测变流器核心部件不同运行时间后的健康状态,研究评估不同老化程度的变流器整体可靠性水平,对于优化指导风电变流器的检修维护有着重要作用。现有的风电变流器可靠性评估模型,大都只考虑大载荷作用下的功率模块累积损伤,却忽略了无源器件、交变小载荷作用以及不同健康状态对变流器可靠性的影响。本文综合考虑以上因素,结合寿命预测解析模型和电力电子器件可靠性评估手册,建立了一种反映变流器整体的可靠性评估模型。首先,分析了变流器核心部件失效的主要原因及其失效演化过程,通过器件结温、壳温、饱和压降、功率损耗、纹波电流等在线监测数据与器件特征量的关系,确定各器件的健康状态。之后,建立计及疲劳累积的功率模块、电容器的寿命预测模型,该模型能表征交变小载荷作用下器件特征量参数变化。最后,结合可靠性评估手册,建立反映变流器整体可靠性水平的评估模型。并根据实际风速产生的热载荷,对不同健康状态下的风电变流器可靠性进行评估。本文的主要内容包括:(1)建立考虑健康状态和小载荷作用的功率模块可靠性评估模型。从模块焊料层失效角度出发,探寻不同运行工况和健康状态下,IGBT模块失效过程中热阻的变化过程。建立了能表征小载荷作用下功率模块物理失效演化过程的分段式疲劳累积模型,并通过试验验证了该模型的准确性。同时基于功率模块电热损耗关系和瞬态热阻曲线,建立功率模块电热耦合模型。在随机设置的热载荷作用下,对不同健康状态下小载荷对功率模块可靠性的影响进行了详细分析。(2)建立考虑健康状态和非线性损伤的电容器可靠性评估模型。对电容器主要失效方式和失效机理进行分析,确定其主要影响因素。同时建立铝电解电容器有限元模型,模拟电容器热失效过程。通过对电容器热老化失效过程中等效串联电阻ESR的变化分析,提出了一种能反映电容器热失效过程的非线性寿命预测模型。最后基于变流器直流环节中的电容器电热损耗关系及其稳态热阻曲线,建立电容器电热耦合模型。在随机设置的电容器核温曲线下,对不同健康状态下的电容器进行可靠性评估。(3)建立一种基于核心部件状态监测的变流器整体可靠性评估模型。在MATLAB/Simulink环境下建立1.5MW双馈风电变流器模型,通过提取变流器的导通电流、风机转速、输出功率等在线运行参数,获取功率模块和电容器的热载荷信息,结合提出的寿命预测模型和可靠性评估手册对变流器故障率展开计算。分析了不同风速输入下,机、网两侧变流器的运行特性及其故障率分布。最后,在变流器运行老化一段时间后,定量化对比分析了不同健康状态和运行参数对变流器可靠性的影响。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM46
【部分图文】：

提出“能源革命”的战略思想，计划在未来几十业，改变我国传统的以煤炭为主的能源结构，大我国能源改革初见成效。从习近平主席在十九大产开始朝多样性发展，不再拘泥于传统化石燃料能源得到迅猛发展。在党的号召和新政策的鼓励大改变，新能源电力开始逐渐被工业和居民接纳。计局电力数据统计结果，2016 年我国发电装机容 8.2%。其中并网风电容量达 14864 万 kW，占比 9旧是继火电和水电之后的第三大电源。另外根据《2016 中国风电装机容量统计分析报告》，2016 年16873 万 kW，同比增长 16.1%，如图 1.1。其中 1.5机型，占据总装机容量的 50.4%。在 2016 年新增风电机组占据 60.9%。随着电力行业的迅猛发展和机组必然朝着大功率方向进行发展。

器的使用寿命，加之频繁的启动、制动、振动使得变流器可靠使风电机组不能正常工作，整个风电系统也因此将受到影响。，特别是海上风机，维修难度大、费用高，因此对于大功率、备可靠性要求更为严格。界曾对变流器元件故障概率做过调研，如图 1.2 所示。在变流器果中，失效率最高的是功率器件，占到 31%；其次是电容，占器件失效将引发变流器整体失效，而变流器失效又将引发整个单一器件失效引发的连锁反应问题不可忽略。因此发展以功率的变流器核心部件状态监测和可靠性评估技术，对于预防风电优化检修计划、提高风电机组的运行可靠性都具有十分重要的流的风力发电有双馈、直驱两种技术路线，但由于前者的成熟性，使得带齿轮箱的双馈风电技术占据着市场的大部分份额，的一段时间内继续占据着市场主流地位[4]。因而本文采用双馈风为研究对象。

1 绪 论 国内外研究现状.1 变流器健康状态监测双馈风机一般采用变速恒频控制策略，其定子绕组直接接入工频电经背靠背（PWM）交直交四象限双向变流器与电网连接。通过调节电流的频率、幅值、相位，可实现风机变速下的恒频输出，图 1.3 为器结构，主要有主电路柜、并网柜和控制柜。
【参考文献】

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本文编号：2849098