風電全功率變流器參數對可靠性的影響分析

　　重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室的研究人員楊珍貴、杜雄等，在2015年第16期《電工技術學報》上撰文，風速的隨機變化使得風電變流器處理變化的功率，導致器件的溫度產生波動，影響變流器的可靠運行。現有的基于一個工作狀態下的風電變流器可靠性評估，無法反映負載隨機變化造成器件溫度波動對變流器可靠性的影響。
　　功率器件失效的主要形式為鋁鍵合線失效與焊料層疲勞，本文綜合考慮這兩種失效因素，給出了可靠性評估模型和評估方法，分析了開關頻率、功率因數及散熱熱阻的變化對風電全功率變流器可靠性的影響，并以1MW永磁同步風力發電機為例結合實際的風速及氣溫數據進行了驗證。
　　實例結果表明，開關頻率與散熱熱阻的變化對變流器可靠性的影響比較大。根據分析結論，討論了針對風電變流器的實際工作環境，考慮風速的概率分布，對利用變頻或變散熱條件的控制措施以提高變流器可靠性的可行性。結果表明，可通過根據風速等工況來改變開關頻率和散熱條件來提高變流器的可靠性。
　　風電變流器在全功率風電結構中起到解耦及電能轉換的作用，將機側的變頻輸入轉換為網側的恒頻輸出[1]，是風能轉換系統中的核心元件。然而風機的惡劣工作環境，通常使得風電變流器的可靠性相比其他工業領域里要低[2]。
　　文獻[2]中，通過對超過6000臺陸地風電機組歷時11年的可靠性數據統計，得到風電機組中各子系統的失效率如圖1所示。由圖1可知，風電變流器失效率非常高，僅次于電氣系統。為了降低運行及維護成本，亟需對風電變流器的可靠性進行分析，以提出相應的改善措施，確保低成本、長期可靠的運行環境。 　　文獻[3]指出，風電變流器失效中超過50%的故障是由于功率半導體器件造成，而器件的性能主要與工作溫度、濕度及承受的電應力有關[4,5]，尤其是器件的結溫及其幅值波動很大程度上決定了它們的失效速率[5]。由于風速變化的隨機性，風機的輸出功率及器件的損耗也跟著發生相應的變化，器件的工作溫度也發生隨機波動，以致嚴重影響了風電變流器的可靠運行。
　　鑒于器件工作溫度對變流器可靠性的重要影響，目前，有諸多文獻基于器件的工作溫度對工業應用中變流器的可靠性進行了研究。文獻[6,7]基于器件結溫幅值大小評估了不同變流器拓撲結構的可靠性差異，缺乏考慮器件溫度波動的影響；文獻[8]給出了航空三相功率變流器在一種工作狀態下的可靠性設計步驟，卻沒有分析負載變化造成器件工作溫度波動對變流器可靠性的影響；文獻[9]對小型風能轉換系統中兩種不同變流器拓撲工作在額定狀態下的可靠性進行比較，缺乏分析風速變化造成器件溫度波動對變流器可靠性的影響；文獻[10]分析影響風電變流器可靠性的影響因素時，考慮了風速變化的影響，而變流器系統參數的影響卻沒有深入研究。
　　根據現有的文獻報道，業界針對變流器可靠性的研究主要是基于設計初始階段，考慮變流器在一種工作狀態下的可靠性優劣，而對于因風速隨機變化使得風電變流器頻繁工作在多種狀態下的可靠性研究，目前還比較少。
　　本文以永磁同步風力發電機（PermanentMagnetSynonousGenerator，PMSG）連接著“背靠背”的二電平全功率變流器為例，如圖2所示，結合實測的風速及氣溫數據，分析論證了變流器參數——功率因數、開關頻率及散熱熱阻的變化，導致器件工作溫度變化對變流器可靠性的影響。 　　本文首先根據溫度對器件失效的機理，綜合考慮鋁鍵合線失效和焊料層疲勞兩種失效模式，給出了功率半導體器件的可靠性預測模型。利用風機輸出功率與變流器中器件損耗及結溫的關系，結合器件的溫度計算，得出變流器可靠性的預測流程圖。然后以實際風速數據為例，分析論證了變流器系統參數對變流器可靠性的影響，并初步討論提高變流器可靠性的措施。
　　結論
　　分別根據器件溫度幅值及其波動對變流器可靠性的影響機理，綜合考慮鋁鍵合線失效與焊料層失效，給出了風電變流器功率器件的可靠性評估模型。結合實際的風速及氣溫數據，分析論證了風電變流器的系統參數——功率因數、開關頻率及散熱器熱阻的變化對變流器可靠性的影響。結果表明，開關頻率與散熱熱阻對變流器可靠性的影響比較大。
　　根據分析結果，本文初步探討了通過改變開關頻率以及散熱條件方式來提高可靠性的可行性。分析結果表明，在低風速時增大開關頻率或降低散熱條件，以降低大的溫度幅值變化，可達到提高變流器可靠性的目的。同時，在設置變頻或變散熱條件的切換位置時考慮了風速的分布概況以減小切換次數，從而降低控制方式的切換對系統的影響。對于開關頻率和散熱條件的優化選擇和控制將是下一步的研究重點。