【摘 要】
:
在“十四五”规划的推动下,为发挥我国风能资源丰富的优势,风力发电在新能源发电领域逐渐占据重要位置。变流器作为风力发电系统中最关键且故障率最高的装备,其中功率器件IGBT是最脆弱、最容易失效的部件。准确的变流器可靠性评估结果对于整个风电机组的稳定运行、提高经济效益具有重要意义。受风速随机性的影响,机侧变流器输出参数频率(0~20Hz)与IGBT模块热时间常数(100ms)不匹配,而传统寿命模型难以反
论文部分内容阅读
在“十四五”规划的推动下,为发挥我国风能资源丰富的优势,风力发电在新能源发电领域逐渐占据重要位置。变流器作为风力发电系统中最关键且故障率最高的装备,其中功率器件IGBT是最脆弱、最容易失效的部件。准确的变流器可靠性评估结果对于整个风电机组的稳定运行、提高经济效益具有重要意义。受风速随机性的影响,机侧变流器输出参数频率(0~20Hz)与IGBT模块热时间常数(100ms)不匹配,而传统寿命模型难以反映多时间常数热载荷对模块的影响,导致可靠性评估不准确。因此,探究风电机侧变流器频率参数对IGBT可靠性的影响机制,对更准确地评估风电机组寿命和制定维护计划有重要意义。本文针对机侧变流器如何表征多时间常数热载荷对模块寿命的作用机制问题,开展了计及频率参数影响的失效机理分析和老化试验研究。以电-热-力多物理场模型为基础,研究了交变应力下频率参数对模块失效的影响机理,定量描述了频率参数和失效位置对热载荷的影响规律,提出了寿命评估的改进模型,并试验验证了模型准确性,开展了双馈风电机侧变流器可靠性评估的算例分析。本文的主要研究内容包括:(1)针对缺乏风电机侧频率参数对模块失效的影响机理问题,构建了研究交流工况下IGBT模块失效机理的电-热-力多物理场模型,该模型考虑了交流损耗与温度的关系及焊层材料的应力-应变行为。并利用该模型分析了不同频率参数对IGBT模块失效的影响机理,以及频率参数对焊料层寿命的影响规律,结果表明频率参数对寿命评估具有重要影响。(2)因风速随机波动导致机侧变流器输出频率变化,且模块失效主要由热应变累积诱发,而传统寿命模型尚未考虑频率差异对寿命的影响,提出了基于频率参数的IGBT改进寿命模型,并利用多物理场模型仿真数据组拟合确定了模型系数。搭建了可调频率参数和热载荷条件的交流功率循环实验平台,通过加速老化试验分析了频率参数对IGBT模块失效演化和寿命的影响,并验证了改进寿命模型的有效性。(3)因IGBT模块热时间常数约为100ms,机侧变流器输出频率大于5Hz时模块热阻未达到稳态,不同失效位置对热载荷具有重要影响,针对风电机侧变流器寿命评估方法忽略频率波动与模块热时间常数不匹配的问题,在双馈风机仿真系统中量化分析了频率参数和失效位置对机侧变流器寿命的影响规律。结果表明芯片焊料层老化后对模块失效的加速作用更明显。同时,与传统模型对比表明未考虑频率参数影响的寿命模型高估了变流器寿命,改进寿命模型更贴近实际的评估结果。
其他文献
目前微波输能系统中常采用平面阵列天线实现射频能量接收,在实际应用时面临诸多局限性。例如,大口径接收装置在应急供电时架设难度大、为移动目标供能时不易部署。因此对接收端有结构可与供能目标共形的应用要求。本文提出将柔性衬底和液态金属导电材料应用到微波输能系统接收端中,满足结构轻质性、可共形的特点,为收集与转换射频能量提供新思路。并针对微波输能系统中易出现的收发端波束指向错位、极化方向失配问题,开展了以下
空间大容量电力系统是我国实现未来超大型航天器、月球基地和太阳能空间电站必不可少的部分。直流固态开关作为空间大容量电力系统中最重要的控制与保护设备,其核心功率器件的性能极易受到温度影响。与地面不同,空间特有的真空环境会使得功率器件呈现更复杂、极端的热场分布,导致功率器件失效进而引起系统故障。因此,本文针对固态开关功率器件在真空环境下的热场分布规律和热控方法展开研究,提出了一种热路匹配的直流固态开关功
实测数据表明,侵入变电站及电力装备的过电压波形往往具有振荡衰减特性,然而现行绝缘配合与绝缘设计仍以IEC所推荐的标准双指数波为依据,其波形特征与实测过电压波形特征的显著差异以及两种波形作用下的绝缘失效特性差异给统计绝缘配合的应用带来难题。本文在某10 k V变电站内长期的过电压在线监测统计数据基础上,考虑实测过电压波形参数(振荡频率与衰减常数)的概率密度分布,通过大量试验研究揭示了波形参数对空气间
GaN高电子迁移率晶体管(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor,GaN HEMT)以其独特的半导体材料优势在高功率密度、高开关频率、高效等电力电子变换领域具有巨大的发展潜力,成为近年来第三代宽禁带半导体器件研究的热点。然而目前市场上商用的GaN功率器件性能远低于其理论值。新材料、新结构、新封装等带来的可靠性问题是限制其性能发挥的重要方面
随着社会经济发展以及风光等新能源的大量并网,“储”作为“源网荷储”四维互动新型电力系统不可或缺的元素,可有效解决设备利用率低以及新能源波动性等诸多问题,因此储能在电网中的科学合理配置显得尤为重要。本文分别针对用户侧、分布式电源侧以及电网侧储能配置进行了研究。对于受季节性影响较小的大用户负荷储能配置,本文针对年典型日负荷曲线,以基于两部制电价的用户净收益最大为目标,进行储能电池功率和容量的优化配置。
随着光伏等新能源产业与直流配电网的兴起,直流导线接头越来越多见,很容易发生电弧现象。直流电无过零点,电弧不会自动熄灭,燃弧时间更长,易引发电极的烧蚀,甚至造成火灾。因此,研究直流故障电弧的温度与电气特性以及电弧对电极的侵蚀规律,对保障直流供配电系统的安全可靠运行具有重要意义。本文首先研究电弧的电气与温度特性。搭建直流故障电弧的实验平台,通过实验数据分析得到直流故障电弧的电气与温度特性的规律。接着,
随着分布式电源(Distributed Generator,DG)大规模接入,常规配电网向含DG配电网转变。由于配电网结构日趋复杂,配电线路绝缘化率逐渐提升,受雷击和外力等影响,近年来断线故障频发。断线故障造成系统缺相运行,引起三相电压、电流严重不平衡,且可能伴随接地现象,加剧故障的危害性,导致负序、零序分量的大量产生,威胁旋转类设备和敏感电力电子设备的安全,影响DG控制系统性能和稳定性,严重时甚
受潮是导致油浸式电力变压器绝缘劣化的重要因素,严重影响设备的安全运行。采用无损测试手段,在不吊罩取样前提下准确获得油纸绝缘的受潮状态,从而制定合理的运维检修策略,对提高设备运行可靠性、延长其使用寿命具有重要的工程意义。基于绝缘频域介电响应特性的绝缘测试和诊断技术,已被证实在无损检测设备内绝缘分布式缺陷的应用中表现出较大的潜力,已有进口商用仪器面世并实现了现场变压器绝缘受潮程度的定量评估。该技术的评
为遏制全球变暖,缓解能源危机,实现“碳达峰、碳中和”的战略目标是我国未来重要的发展方向。实现“双碳”战略的一个重要途径就是汽车电动化,为了提升用户体验同时充分利用电动汽车的储能特性,有必要设计具有双向功率传输的车载充电机。一般两级式车载充电机设计的关键在于隔离双向DC-DC变换器(Isolated Bi-directional DC-DC Converter,IBDC)的设计,在众多的IBDC中,
电流与电力系统运行状态密切相关,其传感技术是保证电力系统安全稳定运行和推动智能电网发展的关键技术之一。目前,光学电流传感器因具有体积小重量轻、绝缘性能优良、抗电磁干扰能力强等优势,得到了大量研究和广泛应用。其中,基于磁致伸缩效应的无源光栅电流传感器相较磁光效应型和干涉型传感器而言不会受到双折射效应或外界振动等因素的影响,具备宽频、宽温、高性能测量的潜力。但基于已有研究发现,此种传感器在频率响应、温