学术︱风电全功率变流器参数对可靠性的影响分析
重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的研究人员杨珍贵、杜雄等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，风速的随机变化使得风电变流器处理变化的功率，导致器件的温度产生波动，影响变流器的可靠运行。现有的基于一个工作状态下的风电变流器可靠性评估，无法反映负载随机变化造成器件温度波动对变流器可靠性的影响。
功率器件失效的主要形式为铝键合线失效与焊料层疲劳，本文综合考虑这两种失效因素，给出了可靠性评估模型和评估方法，分析了开关频率、功率因数及散热热阻的变化对风电全功率变流器可靠性的影响，并以1MW永磁同步风力发电机为例结合实际的风速及气温数据进行了验证。
实例结果表明，开关频率与散热热阻的变化对变流器可靠性的影响比较大。根据分析结论，讨论了针对风电变流器的实际工作环境，考虑风速的概率分布，对利用变频或变散热条件的控制措施以提高变流器可靠性的可行性。结果表明，可通过根据风速等工况来改变开关频率和散热条件来提高变流器的可靠性。
风电变流器在全功率风电结构中起到解耦及电能转换的作用，将机侧的变频输入转换为网侧的恒频输出[1]，是风能转换系统中的核心元件。然而风机的恶劣工作环境，通常使得风电变流器的可靠性相比其他工业领域里要低[2]。
文献[2]中，通过对超过6 000台陆地风电机组历时11年的可靠性数据统计，得到风电机组中各子系统的失效率如图1所示。由图1可知，风电变流器失效率非常高，仅次于电气系统。为了降低运行及维护成本，亟需对风电变流器的可靠性进行分析，以提出相应的改善措施，确保低成本、长期可靠的运行环境。
图1 风电机组中各子系统的平均失效率分布
文献[3]指出，风电变流器失效中超过50%的故障是由于功率半导体器件造成，而器件的性能主要与工作温度、湿度及承受的电应力有关[4,5]，尤其是器件的结温及其幅值波动很大程度上决定了它们的失效速率[5]。由于风速变化的随机性，风机的输出功率及器件的损耗也跟着发生相应的变化，器件的工作温度也发生随机波动，以致严重影响了风电变流器的可靠运行。
鉴于器件工作温度对变流器可靠性的重要影响，目前，有诸多文献基于器件的工作温度对工业应用中变流器的可靠性进行了研究。文献[6,7]基于器件结温幅值大小评估了不同变流器拓扑结构的可靠性差异，缺乏考虑器件温度波动的影响；文献[8]给出了航空三相功率变流器在一种工作状态下的可靠性设计步骤，却没有分析负载变化造成器件工作温度波动对变流器可靠性的影响；文献[9]对小型风能转换系统中两种不同变流器拓扑工作在额定状态下的可靠性进行比较，缺乏分析风速变化造成器件温度波动对变流器可靠性的影响；文献[10]分析影响风电变流器可靠性的影响因素时，考虑了风速变化的影响，而变流器系统参数的影响却没有深入研究。
根据现有的文献报道，业界针对变流器可靠性的研究主要是基于设计初始阶段，考虑变流器在一种工作状态下的可靠性优劣，而对于因风速随机变化使得风电变流器频繁工作在多种状态下的可靠性研究，目前还比较少。
本文以永磁同步风力发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）连接着“背靠背”的二电平全功率变流器为例，如图2所示，结合实测的风速及气温数据，分析论证了变流器参数——功率因数、开关频率及散热热阻的变化，导致器件工作温度变化对变流器可靠性的影响。
图2 PMSG风电机组拓扑结构
本文首先根据温度对器件失效的机理，综合考虑铝键合线失效和焊料层疲劳两种失效模式，给出了功率半导体器件的可靠性预测模型。利用风机输出功率与变流器中器件损耗及结温的关系，结合器件的温度计算，得出变流器可靠性的预测流程图。然后以实际风速数据为例，分析论证了变流器系统参数对变流器可靠性的影响，并初步讨论提高变流器可靠性的措施。
结论
分别根据器件温度幅值及其波动对变流器可靠性的影响机理，综合考虑铝键合线失效与焊料层失效，给出了风电变流器功率器件的可靠性评估模型。结合实际的风速及气温数据，分析论证了风电变流器的系统参数——功率因数、开关频率及散热器热阻的变化对变流器可靠性的影响。结果表明，开关频率与散热热阻对变流器可靠性的影响比较大。
根据分析结果，本文初步探讨了通过改变开关频率以及散热条件方式来提高可靠性的可行性。分析结果表明，在低风速时增大开关频率或降低散热条件，以降低大的温度幅值变化，可达到提高变流器可靠性的目的。同时，在设置变频或变散热条件的切换位置时考虑了风速的分布概况以减小切换次数，从而降低控制方式的切换对系统的影响。对于开关频率和散热条件的优化选择和控制将是下一步的研究重点。
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