基於熱網路參數辨識的變流器熱疲勞老化健康狀態評估

《基於熱網路參數辨識的變流器熱疲勞老化健康狀態評估》是依託重慶大學，由杜雄擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於熱網路參數辨識的變流器熱疲勞老化健康狀態評估
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：杜雄
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

在新能源發電、電動汽車等領域中套用的功率變流器，由於其處理功率的波動性，變流器長期承受交變的電熱應力而產生熱疲勞老化，導致變流器故障率高，可靠性低。對變流器進行健康狀態評估可以避免突發故障造成的損失，提高可靠性。本項目擬以變流器熱疲勞老化進程中功率半導體器件的熱網路參數作為切入點，將熱阻和熱容作為狀態監測的主要特徵量，研究熱網路參數的變化規律及其準線上辨識和健康狀態評估方法。主要研究變流器熱疲勞老化進程中的電-熱-機相互作用機理，通過建立電-熱-機多物理場耦合模型，揭示老化進程中熱網路參數（包括熱阻和熱容）的變化規律；研究在變流器啟停機階段基於功率器件殼溫測量的熱網路參數準線上辨識方法；研究主要基於辨識出的熱網路參數，同時考慮其他特徵量的變流器健康狀態評估方法。本項目的研究成功，將可能為變流器的狀態監測探索出新的特徵量，為實現故障預警和基於狀態的維修，提高變流器的可靠性提供新的解決方案。

結題摘要

功率變流器廣泛套用於涉及國民經濟、安全的重要領域，由於其處理功率的波動性、間歇工作狀態和工作環境的變化，變流器易發生熱疲勞老化，導致可靠性降低。為了實現對變流器熱疲勞老化進程的實時監測與可靠性提高，本項目從變流器熱疲勞老化進程中熱網路參數的變化規律，基於殼溫測量的變流器熱網路參數準線上辨識方法，和基於熱網路參數的健康狀態評估等方面開展了研究工作。首先，以變流器熱網路參數為切入點，建立電-熱-機耦合模型，分析了熱疲勞老化進程中多因素相互作用機理；通過溫度循環試驗和功率循環試驗，研究了內部和外部因素造成的溫度波動對功率器件熱疲勞老化的影響。綜合仿真建模與加速老化試驗結果，總結了熱網路參數在熱疲勞老化進程中的變化規律，指出了功率器件的封裝薄弱環節，對基於熱網路參數進行健康狀態評估提供了理論依據。其次，採用電熱比擬理論，建立了等效數學模型，研究了變流器啟停機工況下外部殼溫對內部熱網路參數的可觀測性，提出了基於殼溫的內部熱網路參數辨識方法，實現了在變流器停機過程中對熱網路參數的準線上辨識，並將該技術成果推廣到變流器直流母線電容的狀態監測，實現。最後，基於熱網路參數在熱疲勞老化進程中的變化規律與準線上的參數辨識方法，一方面提出了以熱網路自然頻率作為全新的特徵量，實現對變流器功率器件和散熱系統的同步監測，有助於指導計畫性維修，降低非計畫性停機事故；另一方面以風電變流器為對象，結合結溫數值計算方法、Bayerer壽命模型、雨流算法和Miner法則，對功率器件壽命消耗及其特點進行評估，提出了以平滑大幅值低頻結溫波動的熱管理策略，有效降低功率器件壽命消耗，提高變流器可靠性。本項目按原定計畫書執行並完成所有研究目標與內容，為綜合評估變流器健康狀態，實現故障預警和基於狀態的維修，提高變流器的可靠性提供技術支撐。