【摘 要】
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随着不可再生能源的不断消耗,开发利用各种可再生能源已成为世界各国的重要发展战略。我国海域面积辽阔,非常有利于海洋能的开发利用。作为一种海洋能,波浪能的实际可开发量最高,这也使其具有最大的开发潜力。波浪能的开发利用,不仅满足能源发展战略,还能满足国防需求。由于海洋环境的特殊性,这也对波浪能发电系统的可靠性提出了更高的要求。功率变流器作为新能源发电系统的核心组成部分,其长期安全可靠运行对于整个发电系统
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随着不可再生能源的不断消耗,开发利用各种可再生能源已成为世界各国的重要发展战略。我国海域面积辽阔,非常有利于海洋能的开发利用。作为一种海洋能,波浪能的实际可开发量最高,这也使其具有最大的开发潜力。波浪能的开发利用,不仅满足能源发展战略,还能满足国防需求。由于海洋环境的特殊性,这也对波浪能发电系统的可靠性提出了更高的要求。功率变流器作为新能源发电系统的核心组成部分,其长期安全可靠运行对于整个发电系统至关重要。而IGBT模块作为功率变流器的组成部分,既是关键核心部位,又是变流器中的薄弱环节,因此提高IGBT模块的可靠性尤为重要。状态监测作为提高电力设备可靠性的重要实施手段之一,它是通过特征量实时监测电力设备的健康状况,及时提供维护指令,进而防止设备意外停机。因此,本文针对波浪能发电变流器,以其关键部件IGBT模块为例,开展了多特征量解耦的状态监测研究。针对波浪能发电的高湿度、高盐雾运用场景,首先总结分析了IGBT模块疲劳老化失效机理,并根据不同失效模式确定了电热特征参量,分析各参量间的耦合关系。然后,在理论分析的基础上制定了状态监测方法,实现各参量之间、各失效模式之间的解耦。最后,根据确定的电热参量运用合理安全的状态监测电路,完成对选定电热参量的监测,并进行实验验证。论文主要的工作内容如下:(1)针对波浪能变流器IGBT模块的运行工况及环境,确定了该背景下波浪能变流器IGBT模块的失效机理及其对应的失效模式,并确定了所对应的特征量。其主要失效模式包括:键合线疲劳、焊料层疲劳、芯片性能衰退、模块外部端口腐蚀劣化。为了监测各失效模式,选用饱和压降Vce_on、漏电流Ices、温度分布ΔT分别用于监测键合线疲劳与外部端口腐蚀、芯片性能退化、焊料层疲劳。由于特征量之间存在耦合关系。因此,本文又针对所选特征量逐个进行了耦合关系分析,为后面开展状态监测方法研究提供理论基础。(2)针对波浪能变流器IGBT模块的各种失效模式,提出了多特征量解耦的状态监测方法。首先,利用温度不相关点消除焊料层疲劳对饱和压降Vce_on的影响,进而只反映键合线疲劳与外部端口腐蚀劣化状态,同时,根据键合线疲劳与外部端口腐蚀劣化的变化特性不同,即键合线疲劳失效使温度不相关点下的饱和压降Vce_on(int)呈现阶跃变化,外部端口腐蚀劣化则使其呈缓慢连续变化,可以实现饱和压降Vce_on对键合线疲劳和外部端口腐蚀的解耦状态监测;然后,通过标定不同温度下,同一门极电压、正向偏压的模块漏电流曲线,进而可以从查表或数值拟合的方式实现漏电流Ices与温度间的解耦,达到准确监测芯片性能退化状态的目的;最后,由于温度分布ΔT是一种相对独立的特征量,仅受焊料层疲劳影响,因此通过建立IGBT模块热仿真模型,分析了不同焊料层疲劳老化程度下温度分布ΔT的变化规律,验证了该方法的正确性。(3)针对所提出的多特征量解耦状态监测方法,综合考量监测的安全性和准确性,实现了对所选特征量的采集与监测,并完成了实验验证。本文主要实现了对饱和压降Vce_on、漏电流Ices、温度分布ΔT的监测,并在三相变流器平台上,通过键合线疲劳、外部端口腐蚀劣化、焊料层疲劳和芯片性能退化模拟实验,验证了所提多特征量解耦状态监测方法的有效性。上述研究成果可运用于波浪能发电变流器IGBT模块的状态监测,有利于提高波浪能发电变流器的可靠性,降低运行维护成本,具有重要的工程运用价值。
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