• 頭條高溫高頻將降低風電變流器使用壽命
    2019-06-17 作者:黃濤、陳民鈾等  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)的研究人員黃濤、陳民鈾等,提出了計及疲勞累積及健康狀態的風電變流器可靠性評估模型。實驗結果表明:開關頻率和環境溫度對變流器可靠性影響較大,風電變流器故障率隨著功率器件的老化顯著升高。

    風力發電是現階段較為成熟的新能源發電,目前主流的風力發電有雙饋、直驅兩種技術路線。雙饋風機系統以其成熟性、穩定性和經濟性在風力發電系統中占據著主流地位。在實際運行過程中,由隨機風速和運行工況改變而引起的交變熱應力,使得風電變流器可靠性逐漸降低,這對風電系統的穩定運行造成了較大影響。

    因此,發展變流器狀態監測和可靠性評估技術,對于制定和優化變流器健康管理、降低風電機組變流器故障率、提高風電機組的運行可靠性都具有十分重要的意義。

    高溫高頻將降低風電變流器使用壽命

    近期,輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)的研究人員黃濤、陳民鈾等,提出了計及疲勞累積及健康狀態的風電變流器可靠性評估模型。實驗結果表明:開關頻率和環境溫度對變流器可靠性影響較大,風電變流器故障率隨著功率器件的老化顯著升高。有關研究成果發表于2018年《電工技術學報》第20期,論文題目為“計及疲勞累積及健康狀態的風電變流器可靠性評估模型”。

    在變流器故障統計中,由功率器件失效引起的故障占31%以上。近年來,研究學者對功率模塊的兩種主要失效模式進行了實驗分析,并發現焊料層先于鋁引線發生失效,焊料層失效是IGBT模塊主要的失效方式;從焊料層失效角度分析,運用解析模型對IGBT模塊進行了壽命預測,不同模型的擬合精度和復雜程度也有所不同;在實際載荷分析中,采用線性疲勞累積模型對器件可靠性進行評估,該模型未考慮載荷順序的影響,不能體現器件的加速老化過程;考慮了器件的加速老化過程,卻不能證明低熱載荷對器件老化的作用。

    現有的風電變流器可靠性評估模型,大都只考慮大載荷作用或采用Miner線性疲勞累積模型,而忽略了變流器實際運行過程中小載荷作用以及健康狀態對模塊剩余壽命的影響。

    由于風速的隨機性和波動性,風電變流器常處于低熱載荷作用下,輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)的研究人員以SKM50GB12T4模塊為研究核心,從焊料層疲勞角度出發,建立了考慮低載荷作用的功率器件壽命預測模型,并設計了功率循環試驗以驗證模型準確性。其后,根據實際風速仿真模擬變流器結溫波動曲線,運用壽命模型對1.5MW雙饋變流器故障率展開計算。

    同時,考慮驅動、控制系統、無源器件等變流器其他子系統,采用功率器件在線監測與變流器可靠性評估相結合的方法,提出了計及疲勞累積及健康狀態的風電變流器可靠性評估模型,綜合分析了不同老化程度下運行參數對雙饋風電變流器可靠性的影響,并提出相應的可靠性措施:

    1)傳統的疲勞累積模型與實際模塊壽命存在一定的差異,原因是其未考慮實際運行過程中低熱載荷的作用。相比之下分段式疲勞累積模型更符合模塊失效過程,預測結果也更加準確。

    2)機側變流器工作頻率即雙饋風機輸出頻率,其結溫波動較網側變流器更為劇烈,較大的結溫波動使得機側變流器的故障率較高,而網側變流器故障率則一直保持在較低的水平。

    3)開關頻率越大,環境溫度越高,變流器的可靠性越低。當變流器處于線性區即老化初期時,其故障率較低,且上升緩慢;當變流器臨近非線性區時,變流器故障率呈指數形式激增。

    4)處于區域風力等級大的風電場,變流器會經常處于大載荷作用狀態,此時可適當地降低模塊的開關頻率,并同時提高散熱能力。在保證電能質量達標的情況下,應盡量減少器件的開關頻率,以此來提高變流器可靠性。

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