風力發(fā)電變流器IGBT器件應力特性及主動熱調控方法

目錄
第1章 緒論 1
1.1 風力發(fā)電發(fā)展概況 1
1.2 風電變流器發(fā)展及面臨挑戰(zhàn) 2
1.3 IGBT器件應力特性及熱管理研究現(xiàn)狀 4
1.3.1 IGBT應力分析研究現(xiàn)狀 4
1.3.2 風電變流器功率器件封裝失效狀態(tài)監(jiān)測與評估現(xiàn)狀 7
1.3.3 風電變流器功率器件熱疲勞壽命預測現(xiàn)狀 9
1.3.4 風電變流器IGBT器件熱調控方法研究現(xiàn)狀 10
第2章 雙饋風電變流器IGBT器件多芯片熱源耦合建模及應力特性分析 13
2.1 風電變流器IGBT器件有限元建模及熱耦合分析 13
2.1.1 風電變流器IGBT器件結構 13
2.1.2 風電變流器IGBT器件有限元建模 14
2.1.3 風電變流器IGBT器件熱耦合分析 17
2.2 考慮多芯片熱源耦合的改進熱網(wǎng)絡模型及結溫計算 18
2.2.1 IGBT器件常規(guī)熱網(wǎng)絡模型 18
2.2.2 考慮多芯片熱源耦合的改進熱網(wǎng)絡模型 19
2.2.3 耦合熱阻抗參數(shù)提取及特性分析 20
2.2.4 多芯片熱源耦合的改進熱網(wǎng)絡模型驗證 22
2.3 雙饋風電機組建模及運行特性 23
2.3.1 雙饋風電機組的工作原理 23
2.3.2 風力機控制特性 24
2.3.3 雙饋風電機組運行特性分析 25
2.4 雙饋風電變流器IGBT器件應力計算與特性分析 27
2.4.1 機側及網(wǎng)側變流器IGBT器件的損耗計算方法 27
2.4.2 雙饋風電變流器IGBT器件改進結溫計算模型 29
2.4.3 機側及網(wǎng)側變流器IGBT器件結溫及熱耦合分析 29
2.4.4 不同運行工況下雙饋變流器IGBT器件的損耗及耦合結溫分析 31
2.4.5 實際風電機組變流器殼溫驗證 32
2.5 本章小結 33
第3章 雙饋風電變流器IGBT器件動態(tài)均流及應力特性分析 34
3.1 風電變流器IGBT功率器件封裝結構及其工作原理 34
3.1.1 風電變流器IGBT功率器件封裝結構 34
3.1.2 IGBT工作原理 35
3.2 封裝雜散電感對IGBT動態(tài)特性的影響 36
3.2.1 考慮封裝雜散參數(shù)的IGBT功率器件模型 36
3.2.2 IGBT功率器件動態(tài)特性 36
3.2.3 封裝雜散電感對器件內各芯片并聯(lián)均流的影響 39
3.3 計及雜散電感的功率器件等效電路建模及驗證 41
3.3.1 功率器件有限元建模及雜散參數(shù)提取 41
3.3.2 等效電路建模及仿真 43
3.3.3 芯片間不均流特性實驗驗證 45
3.4 計及動態(tài)電流分布的影響 47
3.4.1 損耗計算原理 47
3.4.2 考慮并聯(lián)芯片間動態(tài)電流分布的開關損耗計算方法 48
3.4.3 實驗驗證 50
3.5 雙饋風電變流器IGBT器件動態(tài)應力分析 52
3.5.1 多芯片耦合熱網(wǎng)絡模型 52
3.5.2 考慮雜散參數(shù)影響的雙饋風電變流器IGBT器件動態(tài)結溫分析 54
3.5.3 雙饋風電變流器IGBT器件應力實驗測試 57
3.6 本章小結 59
第4章 風電變流器IGBT器件疲勞老化失效狀態(tài)監(jiān)測與評估 61
4.1 基板焊層脫落下IGBT器件熱分析 61
4.2 基于殼溫差的IGBT器件基板焊層狀態(tài)評估方法 65
4.2.1 IGBT器件基板焊層狀態(tài)評估模型 65
4.2.2 IGBT器件基板焊層狀態(tài)評估步驟 66
4.3 IGBT器件基板焊層脫落狀態(tài)監(jiān)測與評估 67
4.3.1 基板焊層脫落模擬實驗平臺簡介 67
4.3.2 有限元模型有效性驗證 68
4.3.3 基板焊層狀態(tài)評估方法有效性驗證 70
4.4 風電變流器IGBT器件鍵合線失效下電熱特性仿真分析 73
4.4.1 IGBT器件鍵合線失效分析 73
4.4.2 鍵合線無脫落時IGBT器件電熱特性分析 73
4.4.3 鍵合線脫落時IGBT器件電熱特性分析 75
4.4.4 SVPWM控制下IGBT器件導通電壓 80
4.5 風電變流器IGBT器件可用芯片數(shù)目評估方法 81
4.5.1 IGBT器件可用芯片數(shù)目評估模型 81
4.5.2 IGBT器件可用芯片數(shù)目評估流程 82
4.6 IGBT器件鍵合線失效下可用芯片數(shù)目評估實驗分析 83
4.6.1 IGBT器件輸出特性 83
4.6.2 鍵合線失效下可用芯片數(shù)目評估實驗平臺 84
4.6.3 IGBT器件可用芯片數(shù)目計算的有效性驗證 85
4.7 本章小結 88
第5章 基于多尺度應力累積的風電變流器IGBT器件壽命預測 89
5.1 壽命預測模型 90
5.1.1 科芬-曼森模型 90
5.1.2 線性疲勞累積損傷模型 90
5.1.3 非線性疲勞累積損傷模型 91
5.1.4 分段式非線性疲勞累積損傷模型 91
5.2 雨流計數(shù)法 92
5.3 計及小熱載荷的IGBT器件壽命預測分析 94
5.3.1 隨機載荷算例分析 94
5.3.2 基于實際風速載荷變流器算例分析 100
5.4 計及電網(wǎng)電壓故障穿越累積效應的IGBT器件壽命評估 107
5.4.1 風電變流器IGBT功率器件多時間尺度劃分 107
5.4.2 計及電網(wǎng)故障穿越累積效應的功率器件多時間尺度壽命評估模型 108
5.4.3 計及電網(wǎng)電壓故障穿越累積效應的雙饋風電變流器IGBT功率器件壽命評估 113
5.5 本章小結 119
第6章 基于組合調制策略的雙饋風電變流器IGBT器件結溫抑制策略 121
6.1 基于DSVPWM策略的變流器結溫抑制原理 121
6.1.1 不同DSVPWM策略 121
6.1.2 基于DSVPWM策略的變流器結溫抑制思路 122
6.1.3 不同調制策略下的結溫實驗比較 122
6.2 組合分段DSVPWM策略對變流器結溫及調制性能的影響 124
6.2.1 機側變流器負載功率因數(shù)角分析 124
6.2.2 基于組合分段DSVPWM調制策略的機側變流器IGBT結溫抑制 127
6.2.3 機組有功出力變化下組合分段DSVPWM策略的結溫抑制效果 128
6.2.4 機組無功出力變化下組合分段DSVPWM策略的結溫抑制效果 130
6.3 不同空間矢量調制策略的諧波性能比較 132
6.4 本章小結 133
第7章 基于轉速優(yōu)化的雙饋風電機側變流器IGBT器件結溫波動抑制策略 135
7.1 雙饋風電機側變流器同步轉速附近結溫抑制策略 135
7.1.1 機側變流器IGBT器件結溫波動抑制原理 135
7.1.2 機側變流器IGBT器件結溫波動抑制流程 136
7.2 機側變流器IGBT器件結溫波動抑制效果比較 138
7.2.1 同步轉速附近區(qū)域動態(tài)結溫仿真 138
7.2.2 全風速范圍下穩(wěn)態(tài)結溫波動分析 140
7.2.3 等效實驗分析 141
7.3 不同控制策略下的機組效率分析 142
7.3.1 穩(wěn)態(tài)風速下定子出力分析 142
7.3.2 改進控制策略下的機組效率分析 143
7.4 本章小結 145
第8章 兼顧變流器IGBT器件熱應力調控的風電場分布式無功-電壓協(xié)調控制策略 146
8.1 基于電壓靈敏度與K-均值聚類的風電場分群 146
8.2 海上風電場無功-電壓協(xié)調控制模型 149
8.2.1 無功控制對系統(tǒng)關鍵參量的影響分析 149
8.2.2 考慮多參量的無功-電壓協(xié)調控制模型 150
8.3 基于多智能體DDPG的無功-電壓協(xié)調控制模型映射 151
8.3.1 多智能體馬爾可夫決策過程 151
8.3.2 多智能體深度確定性策略梯度算法 152
8.4 算例分析 154
8.4.1 無功-電壓協(xié)調控制策略模型訓練結果 154
8.4.2 無功-電壓協(xié)調控制策略效果分析 155
8.5 本章小結 160
參考文獻 162
附錄 168
附錄A 三相變流器參數(shù) 168
附錄B 2MW雙饋風電機組的主要仿真參數(shù) 169
附錄C 風電變流器IGBT器件主要參數(shù) 169