風(fēng)電變流器igbt模塊平均故障間隔時間評估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，特別是一種基于雨流算法提取湍流風(fēng)速下隨機(jī)結(jié)溫波動信息的風(fēng)電變流器IGBT模塊MeanTimeBetween?Failure:MTBF評估方法。該方法利用實(shí)際風(fēng)速以及風(fēng)電機(jī)組和變流器運(yùn)行參數(shù)，基于雨流算法提取變流器IGBT模塊隨機(jī)結(jié)溫波動信息，對風(fēng)電變流器IGBT模塊的MTBF進(jìn)行計(jì)算評估。該方法一方面能同時考慮結(jié)溫平均值及波動幅值對器件失效的影響，另一方面能同時考慮風(fēng)速的恒定分量及湍流分量對結(jié)溫的影響，更能準(zhǔn)確評估實(shí)際風(fēng)速下變流器IGBT模塊功率循環(huán)能力，可以為實(shí)際工況下風(fēng)電機(jī)組變流器IGBT模塊運(yùn)行可靠性評估的準(zhǔn)確性提高提供技術(shù)支撐。
【專利說明】風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，特別是一種基于雨流算法提取湍流風(fēng)速下隨機(jī)結(jié)溫波動信息的風(fēng)電變流器IGBT模塊MTBF的評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)電變流器是影響風(fēng)電機(jī)組及其入網(wǎng)穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)，但其卻是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)之一，且其中超過50%的故障是因IGBT模塊的功率循環(huán)失效造成的。此外，GB/T25388.1-2010《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雙饋式變流器技術(shù)條件》中明確要求變流器在各典型風(fēng)況下的MTBF不小于兩年。
[0003]然而，定量模擬實(shí)際湍流風(fēng)速與變流器可靠性的關(guān)系尚未實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有分析方法均假設(shè)各風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)速為理想的恒定值，并未考慮各區(qū)間內(nèi)風(fēng)速的湍流特性。而實(shí)際風(fēng)速卻是隨機(jī)頻繁變化的湍流風(fēng)速，且在其作用下，風(fēng)電變流器IGBT模塊的結(jié)溫可能呈現(xiàn)隨機(jī)波動的特性，往往導(dǎo)致現(xiàn)有評估模型很難對其結(jié)溫信息進(jìn)行準(zhǔn)確提取。此外，目前大多研究在利用評估手冊和電子設(shè)備評估模型分析傳統(tǒng)電力傳動用變流器IGBT模塊功率循環(huán)能力時，僅關(guān)注結(jié)溫平均值對IGBT模塊失效的影響，而沒有考慮結(jié)溫波動的影響。因此，有必要計(jì)及結(jié)溫波動的影響，研究湍流風(fēng)速下變流器IGBT模塊MTBF的準(zhǔn)確評估方法。
[0004]因此，本發(fā)明提 出一種基于雨流算法提取湍流風(fēng)速下隨機(jī)結(jié)溫波動信息的風(fēng)電變流器IGBT模塊MTBF的評估方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于雨流算法提取湍流風(fēng)速下隨機(jī)結(jié)溫波動信息的風(fēng)電變流器IGBT模塊MTBF評估方法，該方法根據(jù)IGBT模塊的Coffin-Manson失效壽命模型，基于風(fēng)電場的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用雨流算法提取隨機(jī)結(jié)溫波動信息，對風(fēng)電變流器IGBT模塊的MTBF進(jìn)行評估。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]—種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，在該方法中，根據(jù)IGBT模塊的Coffin-Manson失效壽命模型，基于風(fēng)電場的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用雨流算法提取隨機(jī)結(jié)溫波動信息，對風(fēng)電變流器IGBT模塊的平均故障間隔時間MTBF進(jìn)行計(jì)算。
[0008]進(jìn)一步，該方法具體采用以下步驟:1)基于風(fēng)電場的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取與變流器IGBT模塊MTBF評估相關(guān)的信息，所述相關(guān)的信息包括風(fēng)速數(shù)據(jù)vwind，變流器直流側(cè)電壓Udc, IGBT模塊的開關(guān)頻率fs，環(huán)境溫度Ta ；2)利用風(fēng)速數(shù)據(jù)Vwind，基于風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系，獲取各風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)捕獲的功率Pt，并根據(jù)電網(wǎng)的需求獲取風(fēng)電機(jī)組的無功功率Qt，進(jìn)而計(jì)算各風(fēng)速下風(fēng)電變流器輸?shù)倪\(yùn)行特性，即功率因數(shù)cow，調(diào)制度m，相電流的峰值Im ;3)利用IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊，獲取其損耗參數(shù)，包括IGBT和D1de導(dǎo)通時的正向壓降V1和vD，IGBT和D1de正向斜率電阻r1和rD，額定條件下IGBT的單位開、關(guān)損耗Era^Etjff及D1de的單位恢復(fù)損耗Eref，額定電壓Un及額定電流In ；4)利用IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊，獲取IGBT模塊的熱阻抗參數(shù)，包括IGBT或D1de的芯片至銅基板Foster網(wǎng)絡(luò)的熱阻抗Zljc或Zdjc ；IGBT或D1de的銅基板至散熱器的熱阻抗Zldl或Zlldl ；IGBT模塊散熱器的等效熱阻抗Z6 ；5)基于各風(fēng)速下風(fēng)電變流器的運(yùn)行參數(shù)cow m、Im及IGBT模塊損耗參數(shù)，計(jì)算各風(fēng)速下IGBT模塊的損耗；進(jìn)而結(jié)合IGBT模塊的I「且抗參數(shù)，計(jì)算得到IGBT模塊一年中各風(fēng)速的結(jié)溫載荷；6)基于雨流算法，提取結(jié)溫載荷中每個溫度循環(huán)的平均值Tm及波動幅值A(chǔ)Tj,進(jìn)而基于IGBT模塊的Coffin-Manson失效壽命模型，計(jì)算IGBT模塊的MTBF。
[0009]進(jìn)一步，在步驟2)中，風(fēng)力機(jī)的輸出功率Pt與風(fēng)速的關(guān)系式為:
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，其特征在于:根據(jù)IGBT模塊的Coffin-Manson失效壽命模型，基于風(fēng)電場的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用雨流算法提取隨機(jī)結(jié)溫波動信息，對風(fēng)電變流器IGBT模塊的平均故障間隔時間MTBF進(jìn)行計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，其特征在于:采用以下步驟進(jìn)行評估: 1)基于風(fēng)電場的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取與變流器IGBT模塊MTBF評估相關(guān)的信息，所述相關(guān)的信息包括風(fēng)速數(shù)據(jù)Vwind，變流器直流側(cè)電壓Udc, IGBT模塊的開關(guān)頻率fs，環(huán)境溫度Ta ； 2)利用風(fēng)速數(shù)據(jù)Vwind，基于風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系，獲取各風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)捕獲的功率Pt，并根據(jù)電網(wǎng)的需求獲取風(fēng)電機(jī)組的無功功率Qt，進(jìn)而計(jì)算各風(fēng)速下風(fēng)電變流器輸?shù)倪\(yùn)行特性，即功率因數(shù)cqW，調(diào)制度m，相電流的峰值Im ； 3)利用IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊，獲取其損耗參數(shù)，包括IGBT和D1de導(dǎo)通時的正向壓降V1和vD，IGBT和D1de正向斜率電阻巧和rD，額定條件下IGBT的單位開、關(guān)損耗Em、Eoff及D1de的單位恢復(fù)損耗Eref，額定電壓Un及額定電流In ； 4)利用IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊，獲取IGBT模塊的熱阻抗參數(shù)，包括IGBT或D1de的芯片至銅基板Foster網(wǎng)絡(luò)的熱阻抗ZIjc;或ZDj。；IGBT或D1de的銅基板至散熱器的熱阻抗Zldl或Zmi ；IGBT模塊散熱器的等效熱阻抗Z6 ； 5)基于各風(fēng)速下風(fēng)電變流器的運(yùn)行參m、Im及IGBT模塊損耗參數(shù)，計(jì)算各風(fēng)速下IGBT模塊的損 耗；進(jìn)而結(jié)合IGBT模塊的熱阻抗參數(shù)，計(jì)算得到IGBT模塊一年中各風(fēng)速的結(jié)溫載荷； 6)基于雨流算法，提取結(jié)溫載荷中每個溫度循環(huán)的平均值Tm及波動幅值ΛI(xiàn)r進(jìn)而基于IGBT模塊的Coffin-Manson失效壽命模型，計(jì)算IGBT模塊的MTBF。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，其特征在于:在步驟2)中，風(fēng)力機(jī)的輸出功率Pt與風(fēng)速的關(guān)系式為:

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，其特征在于:在步驟5)中:1GBT與二極管一個輸出周期內(nèi)的平均導(dǎo)通損耗P1。與PD。、平均開關(guān)損耗Pls與Pds的表達(dá)式為:
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，其特征在于:在步驟6)中:基于雨流算法提取器件結(jié)溫波動信息時的具體步驟如下: a)把結(jié)溫-時間曲線旋轉(zhuǎn)90°，采用豎坐標(biāo)軸表示時間，橫坐標(biāo)軸表示結(jié)溫； b)規(guī)定雨點(diǎn)以峰值(或谷值)為起點(diǎn)沿各層層頂向下流動，然后根據(jù)雨點(diǎn)的軌跡提取器件結(jié)溫波動信息:即雨滴從每一個谷值外邊(或峰值內(nèi)邊)開始流動，在峰值(或谷值)處豎直落下并繼續(xù)流動，一直流到比起始點(diǎn)值更大的峰值(或更小的谷值)處停止；此外，若雨滴在流動過程中，遇到上層斜面流下的雨滴時也停止流動；當(dāng)雨滴停止流動時，其軌跡就會形成一個閉合曲線，即一個完整的結(jié)溫波動循環(huán)； c)根據(jù)結(jié)溫波動循環(huán)的起點(diǎn)值T。和終點(diǎn)值Ts，利用如下兩式對結(jié)溫的ΛTp Tm進(jìn)行計(jì)算，
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)電變流器IGBT模塊平均故障間隔時間評估方法，其特征在于:在步驟6)中，單個IGBT或二極管器件的平均故障間隔時間tdevira工或tdevira D的表達(dá)式為:
【文檔編號】H02M5/458GK104038080SQ201410304689
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】李輝, 劉盛權(quán), 秦星, 季海婷, 胡姚剛, 楊東, 李洋, 劉靜, 蘭涌森, 梁媛媛 申請人:重慶大學(xué)