学术︱风速概率分布对风电变流器中功率器件寿命的影响
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杜雄、李高显等，在2015年第15期《电工技术学报》上撰文，通过建立功率器件寿命的概率评估模型，计入实际风电场中风速概率分布对功率器件寿命的影响，评估了不同风电场下不同风机系统中功率器件的可靠性，分析了风速概率分布与功率器件寿命之间的关系，并对研究结果进行深入讨论与验证。
结果表明，在实际风电场中，当风电变流器的运行状态临近额定功率输出时，功率器件寿命消耗最高；功率器件因基频结温波动而消耗的寿命主要消耗在概率较小而风速较高的区域。因此，不同的风速区间应采取不同的控制策略，可有效降低器件寿命消耗。所得结论为研究如何提高风电变流器中功率器件寿命提供了一种新思路。
随着风电机组容量的不断增大，其对电网的影响也越来越大，而且风电机组尤其是海上风电机组系统每次故障所需要的高维修成本，使得对风力发电系统的可靠性要求也越来越高。
然而根据系统故障率统计结果，作为风力发电系统的核心组件，功率变流器是风能转换系统中一个薄弱装置，是主要的失效组件。不同风电场中同一类型的风电机组或同一风电场中不同类型的风电机组，变流器故障率存在较大差异，风电变流器的可靠性与风速和气温等复杂外部环境及风电机组类型有关[1-3]。
变流器的故障在很大程度上归因于功率半导体器件的失效[4,5]，因此评估风电变流器中功率器件的寿命以及评估风速分布对功率器件寿命的影响，对进一步研究如何提高功率器件寿命具有很大的指导意义。
文献[1-3]根据实际风电场中风电机组系统的故障率记录数据，统计出风电机组系统各组件的故障率分布，分析了风速分布和风电机组类型对不同组件可靠性的影响，文献[1-3]的所得结论虽然能够反映特定区域变流器的故障率情况，但不能反映功率器件的故障率分布，无法指导基于可靠性的变流器设计。
文献[6]基于FIDES Guide 2009可靠性手册评估了风电变流器各组件的可靠性，讨论了风电机组参数和风速分布对变流器可靠性的影响，但是器件失效主要是与功率器件封装有关的失效，该文章中的恒故障率模型并不适用于功率器件封装失效的器件寿命预测[7]。与封装有关的功率器件失效主要与其工作温度及承受的电应力有关，因此现有文献主要是基于器件的结温来评估器件的可靠性[7-12]。
文献[8-10]结合实际风速数据评估功率器件温度任务剖面，利用所建立的功率器件寿命评估模型计算器件寿命消耗；文献[11,12]利用概率函数模拟风速分布，然后评估不同工况下器件的寿命消耗。但文献[8-12]只是评估不同工况下功率器件的寿命，并未对风速分布与器件寿命消耗的关系进行讨论，很难直接指导变流器的可靠性设计。
本文建立了一种功率器件寿命的概率评估模型，用于分析风速概率分布与功率器件寿命的关系，给出了风速与风电变流器电气参数的定量关系，讨论了功率器件结温数值计算方法，并以额定功率为1.5MW直驱风电机组系统为例，利用荷兰Lauwersoog、Valkenburg和爱尔兰Dublin的风速统计数据评估了风速分布对风电变流器中功率器件寿命的影响，最后将该文所得结论用于研究如何提高风电变流器中功率器件寿命。
图1 1.5MW风电系统拓扑结构
结论
主要分析了风电变流器中各电气参数与风速的定量关系，给出了功率器件结温的数值计算方法，建立了一种风电变流器中功率器件寿命的概率评估模型，深入分析了风速概率分布和功率器件寿命的关系，主要得出以下结论：
机侧和网侧IGBT模块在变流器运行状态临近额定功率输出时，因基频结温波动而所消耗的寿命最高，器件寿命消耗的分布曲线存在峰值。
风电变流器中IGBT模块因基频结温波动而消耗的寿命主要消耗在风速概率较小而风速较高的风速区域。
风速概率较小而风速较高的区域可采取与其他风速区域不同的控制策略，从而更具针对性的提高功率器件的寿命。
本文的研究结论为风电变流器中功率器件热循环控制提供了一种新的研究思路，基于本文研究思路的全风速区域功率器件热循环动态控制策略将是本文后续的研究内容。
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