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风电变流器中IGB大发注册T的多时间尺度寿命消耗

  以1.2MW直驱风机系统为例,其拓扑结构如图1,变流器系统采用两电平背靠背结构,由发电机侧的变流器和电网侧的变流器构成,而表1为1.2MW风机系统的参数。为了在同等条件下比较机侧和网侧变流器的可靠性,机侧和网侧变流器每个桥臂均由两个FF1000R17IE4的Infineon功率模块并联组成。

  直驱风机系统输出功率Pt与实际风速Vwind有关,当风速Vwind大于切入风速Vcut_in且小于额定风速Vrated时,采用最大功率跟踪控制;当风速Vwind大于Vrated且小于切除风速Vcut_out时,采取恒功率控制。

  IGBT模块结温数值计算方法用于计算风电变流器中IGBT模块的长时间尺度结温数据,进而评估IGBT模块的寿命消耗。功率IGBT模块内部一般包括多个芯片,文中采用应用最为广泛的一维等效福斯特热网络模型,并且考虑IGBT模块包含IGBT芯片及其反并联Diode两个等效热源,如图2。

  图2中IGBT和Diode结-壳的热网络采用四阶福斯特热网络,其热网络参数可从器件数据手册得到,而壳-散热片和散热片-环境热网络选用一阶福斯特热网络。图2中Pt(n)和Pd(n)(n代表第n个开关周期)分别是IGBT和二极管的开关周期功耗,文中将器件开关周期的平均功耗代替器件瞬时功耗,以Pt(n)计算为例,Pt(n)包括导通损耗Ptcond(n)、开通损耗Pton(n)和关断损耗Ptoff(n)。为了考虑功率器件的电热交互,文中将结温Ttj(n1)作为反馈用于计算Pt(n),二极管开关周期

  文中将热系统中热参数转化为电系统的电参数,利用电网络理论分析图2的热系统,评估功率器件的结温。大发注册以图2中IGBT开关周期结温Ttj(n)为例,计算方程为

  式中:Ttjci(n)、Ttch(n)和Tha(n)分别为图2中IGBT结-壳、壳-散热片和散热片-环境热网络中RC并联单元的温差;Ta为实时的环境温度。从式(9)中可看出,只需计算出图2中各RC并联单元的开关周期温差就可得出Ttj(n),由于温差可等效为电系统的电压,因此可以利用电网络理论进行计算。以式(9)中Ttch(n)为例,其计算方程为

  图2中其他RC并联单位的开关周期温差计算可以根据式(10)得到,最后根据式(9)计算出Ttj(n)。在开关周期结温计算的基础上,文中利用迭代算法计算图2中IGBT和二极管的基频结温,并且迭代算法以图2中开关周期温差为迭代变量,以基频周期Ts为迭代周期,通过反复迭代计算而最终达到结温收敛。

  风电变流器一般采用水冷或强制风冷散热方式,大发注册其热网络的热时间常数远大于IGBT模块内部热网络的热时间常数,因此在一个基频周期,散热器的温度波动可以忽略不计。文中以每个基频周期的平均温度Th_aver表示散热片的温度,其计算方程为

  式中:Pt_aver和Pd_aver分别表示IGBT和二极管一个基频周期内的功耗平均值,通过迭代算法进行计算。

  风电变流器中功率器件的寿命消耗与风速的随机波动有关,时序风速随机变化使得风机输出功率及器件损耗也跟着变化,导致器件热循环也随机波动,这将影响IGBT模块的寿命,因此风电变流器中IGBT模块的寿命评估应该考虑风电变流器长时间任务剖面的影响。

  风速波动一般较慢,其波动周期远大于器件的热时间常数,因此可以忽略风机系统瞬态过程对器件结温的影响,将风机系统工况假设为一系列的稳态工况,而只考虑器件的稳态结温。基于上述假设,可根据风电变流器中功率器件结温的分布特点,将整个器件的长时间任务剖面分为低频结温波动和基频结温波动。低频结温波动是因风速随机波动而产生的结温波动,波动周期一般为几十秒到几百秒,而基频即风电变流器的输出频率,基频结温波动与变流器的工作状态有关,波动周期一般为几十毫秒到几百毫秒。由于IGBT在一个开关周期内存在开关动作,IGBT同样存在开关频率的温度波动。然而IGBT结温波动与频率有关,一般频率越高,温度波动越小,而开关频率一般是几千赫兹,开关频率温度波动非常小。非常小的温度波动对IGBT寿命几乎不影响,大发注册因此IGBT模块寿命评估中忽略结温的开关频率波动。大发注册

  与低频结温波动相比,大发注册基频结温波动的幅值较低,波动的周期较短,而基频结温波动的循环次数较多。基频结温波动和低频结温波动对器件寿命的消耗程度不同,大发注册可分别评估因两种时间尺度结温波动而消耗的器件寿命。根据功率器件消耗的分布特点,进而提出更有针对性的器件可靠性改善措施,降低器件的寿命消耗。

  文中设m为多尺度划分的临界值,它受风速记录单位和文中假设条件的影响。对一年内风速概况划分尺度,设每个运行状态内风速是不变的。由于风速在较长时间内变化较大,因此m值不应过大。然而受限于风速的记录数据和文中的假设条件,m值也不应过小。因为当m值较小时就需考虑风机系统瞬态过程对器件结温的影响。因此文中综合考虑上述因素,将m设定为1min。

  基于失效机理的器件可靠性评估方法,评估不同时间尺度的结温波动而导致的功率器件寿命消耗,风电变流器中功率器件的多时间尺度寿命消耗评估流程如图5,首先基于都柏林一年中风速和气温数据,利用器件结温数值计算方法获取IGBT和二极管基频结温的长时间基频任务剖面。

  因基频结温波动而消耗的器件寿命CL_F可直接利用上篇文章中的式(6)和式(7)计算得到,Tjmax和Tjmin是一个基频周期内器件结温的最大值和最小值,ton为1/(2fs)(fs是基频,在网侧变流器中fs为50Hz,在机侧变流器中fs与风速有关),I为每个键合线流过电流的有效值(I是变流器线,IGBT的键合线数量与功率模块的类型有关),U=17,D=300m。由于每个风速下风力发电系统的运行状态持续时间为1min,因此,式(7)中Nn热循环的次数等于60fs。以机侧二极管为例,文中给出其最大结温Tjmax、最小结温Tjmin、热循环次数Nn和风速的一个四维切面图,图9中颜色表征热循环次数Nn的大小。

  根据图5可知,因低频结温波动而消耗的寿命计算需首先获取低频结温任务剖面,然后通过雨流算法处理后才能利用上篇文章中的式(6)和式(7)计算CL_L。在风电变流器每个运行状态下,IGBT在一个基频周期内具有一个稳态平均结温、最大结温和最小结温。一年中,风电变流器具有不到50万个运行状态,因此,具有不到50万组IGBT结温数据。对50万个平均结温进行极点提取,判断最大极点和最小极点。当平均结温为最大极点时,取结温的最大值Tjmax,当平均结温为最小极点时,取结温的最小值Tjmin,大发注册可以获取器件的低频结温任务剖面(如图7),最后经过雨流算法处理可以直接得到上篇文章中的式(6)和式(7)中每个热循环下所有电热参量的值,进而计算CL_L。

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