【摘 要】
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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
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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。
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