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高温高频将降低风电变流器使用寿命

风力发电是现阶段较为成熟的新能源发电,目前主流的风力发电有双馈、直驱两种技术路线。双馈风机系统以其成熟性、稳定性和经济性在风力发电系统中占据着主流地位。在实际运行过程中,由随机风速和运行工况改变而引起的交变热应力,使得风电变流器可靠性逐渐降低,这对风电系统的稳定运行造成了较大影响。


因此,发展变流器状态监测和可靠性评估技术,对于制定和优化变流器健康管理、降低风电机组变流器故障率、提高风电机组的运行可靠性都具有十分重要的意义。


近期,输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)的研究人员黄涛、陈民铀等,提出了计及疲劳累积及健康状态的风电变流器可靠性评估模型。实验结果表明:开关频率和环境温度对变流器可靠性影响较大,风电变流器故障率随着功率器件的老化显著升高。有关研究成果发表于2018年《电工技术学报》第20期,论文题目为“计及疲劳累积及健康状态的风电变流器可靠性评估模型”。


在变流器故障统计中,由功率器件失效引起的故障占31%以上。近年来,研究学者对功率模块的两种主要失效模式进行了实验分析,并发现焊料层先于铝引线发生失效,焊料层失效是IGBT模块主要的失效方式;从焊料层失效角度分析,运用解析模型对IGBT模块进行了寿命预测,不同模型的拟合精度和复杂程度也有所不同;在实际载荷分析中,采用线性疲劳累积模型对器件可靠性进行评估,该模型未考虑载荷顺序的影响,不能体现器件的加速老化过程;考虑了器件的加速老化过程,却不能证明低热载荷对器件老化的作用。

高温高频将降低风电变流器使用寿命

现有的风电变流器可靠性评估模型,大都只考虑大载荷作用或采用Miner线性疲劳累积模型,而忽略了变流器实际运行过程中小载荷作用以及健康状态对模块剩余寿命的影响。


由于风速的随机性和波动性,风电变流器常处于低热载荷作用下,输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)的研究人员以SKM50GB12T4模块为研究核心,从焊料层疲劳角度出发,建立了考虑低载荷作用的功率器件寿命预测模型,并设计了功率循环试验以验证模型准确性。其后,根据实际风速仿真模拟变流器结温波动曲线,运用寿命模型对1.5MW双馈变流器故障率展开计算。


同时,考虑驱动、控制系统、无源器件等变流器其他子系统,采用功率器件在线监测与变流器可靠性评估相结合的方法,提出了计及疲劳累积及健康状态的风电变流器可靠性评估模型,综合分析了不同老化程度下运行参数对双馈风电变流器可靠性的影响,并提出相应的可靠性措施:


1)传统的疲劳累积模型与实际模块寿命存在一定的差异,原因是其未考虑实际运行过程中低热载荷的作用。相比之下分段式疲劳累积模型更符合模块失效过程,预测结果也更加准确。


2)机侧变流器工作频率即双馈风机输出频率,其结温波动较网侧变流器更为剧烈,较大的结温波动使得机侧变流器的故障率较高,而网侧变流器故障率则一直保持在较低的水平。


3)开关频率越大,环境温度越高,变流器的可靠性越低。当变流器处于线性区即老化初期时,其故障率较低,且上升缓慢;当变流器临近非线性区时,变流器故障率呈指数形式激增。


4)处于区域风力等级大的风电场,变流器会经常处于大载荷作用状态,此时可适当地降低模块的开关频率,并同时提高散热能力。在保证电能质量达标的情况下,应尽量减少器件的开关频率,以此来提高变流器可靠性。


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