大功率併網風電變流器狀態監測技術

大功率併網風電機組變流器是風力發電中能量轉換的重要環節，然而風電機組長時間、頻繁和大範圍的隨機出力變化，導致其電能轉換單元持續承受劇烈的熱應力衝擊，是風電機組故障率最高的部件之一。變流器狀態監測技術，即制定和最佳化變流器檢修計畫、降低風電機組變流器故障率、提高風電機組的運行可靠性。

基本介紹

• 中文名：大功率併網風電變流器狀態監測技術
• 外文名：Condition MonitoringTechnology of High Power Grid - connected Wind Power Converter
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 功能：提高風電機組運行可靠性
• 監測方法：數據驅動和基於物理模型的方法

背景

近年來，隨著陸上風電機組的迅猛發展及海上風電的大量裝機，風電將逐步成為繼火電、水電之後的第三大常規能源。大功率併網風電機組(簡稱“風電機組”)變流器是風力發電中能量轉換的重要環節，然而風電機組長時間、頻繁和大範圍的隨機出力變化，導致其電能轉換單元持續承受劇烈的熱應力衝擊，是風電機組故障率最高的部件之一。其高運維成木問題日益凸顯，已引起Vestas ，Siemens等國際風電知名企業的廣泛關注。特別是5MW, 6MW等大功率風電機組相繼運行，其變流器運行可靠性問題可能更為突出。發展變流器狀態監測技術，對於制定和最佳化變流器檢修計畫、降低風電機組變流器故障率、提高風電機組的運行可靠性都具有十分重要的學術意義和工程價值。

為了提高電力電子功率模組的設計可靠性，現有研究主要從改變模組設計以及老化測試等方而採取了相關措施，如改變模組的封裝結構、振動衝擊和功率循環等。雖然以狀態監測為基礎的故障診斷與狀態檢修技術已經廣泛套用於各類電氣設備(如旋轉電機、電力變壓器等)，但是國內外關於風電變流器狀態監測技術研究才剛剛起步。如國外學者從器件失效機理及運行可靠性出發，提出了多種不同的變流器狀態監測方法。有研究建立了基於集總參數法的變流器功率模組結溫計算模型。有文獻對比分析了IGBT模組的多種失效模式和失效機理，並研究了功率器件集射極飽和壓降與集電極電流、器件結溫之間的關係，利用電參數的溫敏特性實現對變流器功率模組的狀態監測。雖然上述研究都從不同的角度提及了風電變流器的可靠性評估方法以及運維現狀，但是考慮到風電機組不同運行工況對變流器可靠性影響的機理分析及其狀態監測方法比較還不夠深入。

在當前風力發電迅猛發展的大背景下，針對風力發電而臨的變流器可靠性困境，綜述了變流器功率器件失效形式及機理，並且針對風電運行特點，重點分析全功率和部分功率風電變流器特殊運行工況對其運行可靠性的影響;同時基於不同狀態特徵量的對比分析，進一步探討風電變流器狀態監測方法及其發展趨勢。

變流器功率器件的老化失效機理

老化失效形式及機理

在風電機組的背靠背變流器拓撲結構中，不論是陸上風機或者海上風機，雙饋風電機組還是永磁直馭風電機組，由於其機側變流器都可能長期運行於較低的頻率，此時器件結溫波動較為顯著，嚴重影響著其功率模組的功率循環能力，給風電機組的可靠運行帶來了不可忽視的安全隱患。

右圖為目前廣泛套用於風力發電變流器的塑封型功率模組剖而圖，從圖中可以看到其由多種不同熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)的材料組成。在熱循環過程中，由於熱膨脹係數CTE的不匹配必將導致其疲勞應力增加，從而引起其焊層破裂和焊料層空洞，進而影響到各材料層之間的電氣連線，使得沿熱傳導路徑的熱阻增加。在整個壽命周期，功率半導體器件的結溫水平呈遞增趨勢，最終導致器件老化失效。

風電變流器模組的功率器件結構及材料屬性

變流器IGBT模組的失效機理主要包括鋁鍵合線脫落、焊層疲勞、鍵合線根部斷裂和鋁金屬化的重構。其中，金屬化的重構現象可由功率模組功率循環後觀察到，由於鋁與矽晶片熱膨脹係數的差異，經過反覆的溫度循環衝擊，它們之間的熱機械應力會使得鋁金屬化而形成顆粒狀的粗糙接觸而，減小了金屬有效接觸而積，從而導致其電阻增大。鋁鍵合線脫落會削弱功率模組的導電性能，焊層疲勞會引起導熱性能的下降。另外，鋁鍵根部斷裂現象通常也可在經過長時間功率循環測試的IGBT模組中觀察到。導致該失效的主要原因是在焊接過程中，由於超音波振動導致鋁鍵合引線根部產生裂縫，且與鋁鍵合引線脫落相比，其斷裂過程更慢。採用新一代的壓接式封裝技術可避免或者減少使用鋁鍵合線和焊層，有研究表明，IGBT模組的壓接式封裝結構至少可以減小一個數量級的疲勞壽命損。

此外，該技術也可以把金屬基板直接壓在半導體晶片上，這種結構無需連線傳統的散熱器，並可以同時傳導熱能和電能。與塑封IGBT相比，採用壓接式IGBT模組不僅可以通過兩側散熱提高功率密度，而且去除了鍵合引線及焊層連線的結構方式，因此消除了鍵合引線脫落、斷裂或焊料層疲勞的失效模式，器件的可靠性顯著提高。然而，這種新的封裝形式也帶來了和其結構相關的新的失效形式。壓接式IGBT的每個柵極通過裝有彈簧的引線連線，彈簧在功率循環的過程中受到反覆的壓縮/膨脹而產生疲勞，引起彈簧應力損傷，經過一定的循環次數，最終也會老化失效，影響風力發電變流器的運行可靠性。

除熱應力外，當器件在超過額定電壓或電流工作時，有可能產生過電應力而造成器件損壞。在過電應力作用下，器件局部將會過熱，在該熱點溫度達到材料熔點時，材料開始熔化並導致開路或短路故障，從而損毀器件。過電應力可分為過電壓應力和過電流應力，過電壓包括柵極過電壓、集電極-發射極過電壓及雜散電感過電壓等，過電流包含擎住效應及短路現象等。

疲勞壽命評估方法分析

針對風電變流器可靠性低、維護成木高的嚴峻現實，如何評估其功率模組的剩餘壽命是進行狀態檢修和運行維護的關鍵。目前已有一些研究提出了用以描述功率模組老化進程的壽命模型，如LESIT項目利用不同製造商的IGBT模組，通過功率循環實驗，發現器件的失效主要與結溫平均值,及其波動幅值有關。

風電特殊運行工況對變流器可靠性影響

機側變流器低頻運行對可靠性的影響

由於風電機組長時間、頻繁和大範圍的隨機出力等特殊運行工況，變流器在風電併網運行中的可靠性變得較為脆弱。右圖所示為部分功率及全功率風電機組的結構示意圖。

風電機組變流器典型連線結構示意圖

為了分析不同運行工況對風電機組變流器功率模組運行可靠性的影響，近年來已有較多文獻從功率模組電熱禍合模型，結溫估算以及不同變流器功率模組結溫隨風電機組不同運行點變化規律等方面開展研究。

對於雙饋電機，在同步轉速點，網側變流器中IGBT及二極體的結溫幾乎無波動，而機側IGBT和二極體的結溫波動明顯，這將導致機側變流器失效率高於網側變流器。究其原因，雖然機側變流器和網側變流器在同一時刻轉換的電功率是相同的，但是當機組運行在同步轉速點時，機側變流器運行在一個較低的頻率，變流器處理的實際功率幾乎為零。根據定、轉子電流磁動勢平衡，轉子電流並不為零，因此功率損耗也不為零，且功率模組的熱容對於平滑結溫波動幾乎沒有貢獻，導致機側變流器進入深度熱循環。因此機側變流器的結溫波動要比網側更為劇烈，其可靠性也隨之明顯降低。

對於直馭風電機組變流器而言，由於風力機葉尖速比有一定限制，其發電機轉動角速度較小，使得全功率變流器的機側變流器也運行在較低的頻率。同時，從半導體器件的角度來看，其機側功率模組的續流二極體承受了更大的負載電流，加之低頻運行特性，使得續流二極體將產生更高的結溫。

此外，有研究表明，全功率變流器功率器件在整個變流器壽命周期內可能需要承受5-10次波動幅值為20℃的結溫熱循環，然而，包括風速隨機波動在內的諸多因素可能進一步影響其功率循環能力。因此，不論是永磁直馭風電機組還是雙饋風電機組的機側變流器，由於長期處於較低輸出頻率下運行，其功率器件結溫變化顯著。特別是雙饋風電機組運行在同步轉速點時，其機側變流器輸出頻率幾乎為零，機側變流器結溫波動更為劇烈。

風速隨機波動對變流器運行可靠性的影響

除了風電機組運行點對風電變流器結溫變化影響外，風速隨機波動也會影響風電變流器的運行可靠性。相比恆定風速的理想情況，在湍流風速下風電變流器功率模組具有較大結溫波動，將影響其IGBT模組的功率循環能力。湍流強度會對機側變流器IGBT模組的平均失效時間產生影響，且平均失效時間會隨湍流強度的增大而減小。

由於機側變流器長期處於低輸出頻率工況運行，其結溫波動要比網側更為劇烈，且風電變流器功率模組的平均失效時間還會隨風速波動增加而降低。因此，風電變流器的運行可靠性而臨著嚴峻的挑戰，特別是針對近海風電機組難以維護的實際問題，有必要提出風電變流器狀態監測方法的研究，提高其運行可靠性，這對於風力發電技術以及產業的健康發展至關重要。

風電變流器狀態監測方法分析

變流器狀態監測概述

狀態監測是在不干擾系統正常運行的前提下，提取反映系統健康狀況信息的一個過程。狀態監測技術已經在電機馭動、發電以及電能傳輸等系統或部件的健康狀況監測領域得到了廣泛套用。然而對於電力電子器件，特別是半導體功率器件，早期人們認為器件只有失效和運行兩種狀態，這種大多數工程師所認可的布爾式觀點阻礙了人們對電力電子器件完全失效前其老化機制的深層次理解，因此反映其健康程度的狀態監測技術一直停滯不前。目前很多工程師和設計師常常優先選擇壓接封裝技術以及含故障容錯與內置冗餘等的可靠性改進方法，而把狀態監測作為一個備選項而忽略，這種做法不能實現系統的監控運行，也不具備早期檢測和故障預警的能力。而實際上，風電變流器狀態監測可通過對變流器裝置的運行狀態進行監測，進而判斷器件及裝置的健康水平，並對變流器功率模組所呈現的器件健康狀況進行評估，為風機變流器的運行維護和狀態檢修提供依據，是監測和預防風電機組災難性故障的重要手段之一。

工程實用的狀態監測技術主要通過獲取表征當前系統健康狀態的特徵信號，進而評估系統剩餘壽命，以便在正常運行管理中提供有效的信息決策和最佳化檢修。電力電子器件老化通常伴隨著功率損耗的增加以及熱量的累積，如果此時仍然保持之前的運行狀態且老化進程未得到很好的抑制，那么其熱疲勞應力將逐步增大。實驗結果表明，功率器件的內部熱阻增加20%可作為功率模組基木失效的依據之一。此外，還可從開關邊沿、導通電壓等電氣特徵量的改變來監測其隨老化程度的動態改變。其中，導通電壓表征了器件各層材料及層與層之間接口的物理特性;由於器件老化，內部熱阻增加後，其結溫的增加會導致關斷卜降沿的變緩及功率損耗的增加。卜而對變流器狀態監測特徵量以及狀態監測流程進行分析。

變流器狀態監測特徵量

針對變流器較為微弱的特徵量，現有文獻陸續提出了一些器件級的監測方法。然而，在一些高開關頻率工況及複雜噪聲環境卜，採用變流器功率模組內部的感測器仍然很難監測到這些微弱的特徵量信號，因此，利用與器件級監測相同的感測器來保護、控制和進行常規監測為主的部件級狀態監測方法也在不斷發展中。

除電信號特徵量之外，在運行過程中變流器功率模組溫度監測值也可作為提取器件狀態的重要特徵量。雖然目前直接線上測量功率器件的結溫仍然是不可行的，但是由於結溫影響功率模組內部損耗，因此其表征運行狀態的溫度信號可從外部數據間接獲得。此外，溫度監測量不僅依賴風機當前的運行工況，還和其歷史運行數據有關，而模組熱阻的變化可以表征功率模組的老化程度。

風電變流器狀態監測方法

目前風電變流器IGBT模組狀態監測通常採用數據馭動和基於物理模型的方法。其中，數據馭動包含基於器件端部特性和基於感測器信號的狀態監測方法。

基於器件端部特性狀態監測技術的原理是由於IGBT的端部特性與其失效程度緊密相關，隨著功率循環次數的增加，因熱膨脹係數不匹配產生的熱應力將會導致引線、焊層疲勞老化，其表現在端部特性的變化即是IGBT的通態壓降逐漸增大。有文獻在電熱載入實驗的基礎上，研究了IGBT功率循環前後其柵極閥電壓、跨導及通態壓降隨溫度變化的特性，實驗結果表明:柵極閥電壓、跨導和導通壓降這三個電參數可作為IGBT模組的狀態監測特徵參量。然而，由於功率器件端部信號變化微弱以及易受到其他可能因素(如溫度變化)的影響，加之其不易於實現線上測量，因此，僅僅依賴於器件端部特性的IGBT模組狀態監測方法在實際套用中仍然存在一定的困難。

考慮所捕獲的特徵量信號強度和部件老化程度之間的重要關聯，有必要基於模型預測方法，通過一種刻度進程方式來表征模組失效前的剩餘壽命，從而實現風電機組變流器更為準確的狀態監測。例如將變流器狀態監測和風機/風電場級SCADA系統有機結合起來，為風電變流器IGBT模組狀態監測提供了一種新思路。此外，將依賴狀態監測特徵量的模型方法和對特徵數據趨勢進行評估的數據馭動方法結合起來，可以進一步提高功率模組的健康狀況評估有效性。

結論

風力發電在未來能源結構中占有重要地位，其變流器狀態監測技術對於提高風電機組運行可靠性，降低運行成木具有重要作用。針對目前風電機組變流器運行可靠性低的問題，從功率器件老化失效機制、疲勞壽命評估方法、風電機組特殊運行工況對變流器運行可靠性影響以及變流器狀態監測方法等角度分析了風電變流器狀態監測技術發展。分析表明：

1)風電機組變流器運行可靠性受一次能源波動影響大，可靠性低。功率模組結溫均值、波動幅值以及不同材料熱膨脹係數的不匹配是導致功率器件老化與失效的重要原因，建議採取基於非線性疲勞累積理論對其疲勞壽命進行評估。

2)無論是永磁直馭風電機組還是雙饋風電機組，因長期處於低輸出頻率下運行，其機側變流器的結溫波動要比網側更為劇烈，且風電變流器功率模組的平均失效時間還會隨風速波動增加而降低。

3)風電機組運行工況對其變流器運行可靠性有重要影響，相比於數據馭動方法，基於失效機理分析並結合壽命模型和趨勢預測方法將是風電變流器狀態監測技術的發展趨勢，且有必要考慮其狀態特徵量隨運行工況和老化程度變化的影響。