風電變流器熱應力疲勞壽命評估及控制策略研究

《風電變流器熱應力疲勞壽命評估及控制策略研究》是依託重慶大學，由李輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：風電變流器熱應力疲勞壽命評估及控制策略研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李輝
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

針對風力發電變流器，特別是直驅和雙饋風電系統中機側變流器，長期受低頻交變熱應力作用的特點，圍繞其老化和失效的物理本質，開展風電變流器熱應力分布特性、熱應力疲勞壽命評估及控制策略的研究。項目首先建立變流器功率模組的動態多源電熱耦合模型和熱應力計算模型，探索風電變流器在不同運行工況下的熱應力分布特性及其影響因素。其次，研究風電變流器在短時極限衝擊和長期低頻交變熱應力作用下的疲勞損傷累積效果，基於非線性疲勞損傷累積理論，引入增量損傷概念和疲勞損傷程度的實時狀態反饋，建立對不同程度熱應力作用和在不同壽命時期均具有記憶能力的風電變流器疲勞壽命評估模型。最後，基於疲勞壽命評估模型，以變流器熱應力疲勞損傷程度為主要評價指標之一，研究不同控制策略對風電變流器熱應力的影響，提出變流器及風電機組的有效控制策略。項目研究成果對準確評估並提高風電變流器的運行可靠性，延長其使用壽命，具有重要的現實意義和學術價值。

結題摘要

隨著我國“建設大基地，集中接入網”風力發電規劃的確立和實施，大功率併網風電機組及風電場的安全可靠運行將對提高電網穩定性、實現負荷合理分配產生重要影響。IGBT模組是風電變流器中能量轉換的關鍵部件，故障率高達30%以上。由於風能的間歇式固有特徵，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，使變流裝置的可靠性變得極其脆弱。 為了提高風電變流器的運行可靠性，圍繞其在短時極限衝擊和長期低頻交變熱應力作用下導致老化和失效的科學問題，本項目針對風電變流器功率模組，主要開展包括結溫計算和熱應力特性分析，熱應力疲勞壽命評估，減少結溫波動的熱管理策略，健康狀態監測與評估方法4個方面。①建立了考慮多熱源耦合影響的多晶片並聯的IGBT耦合熱阻抗模型，研究了基板、晶片焊層在不同脫落度下功率模組溫度和熱應力的分布規律，提出了功率模組的改進熱網路模型，獲取了不同壽命周期下功率模組結溫；提出了考慮並聯晶片間動態電流分布的IGBT模組改進開關損耗計算方法，獲取了功率模組的動態結溫變化規律。②開展了考慮湍流風速影響的IGBT模組功率循環能力評估方法研究，建立長時間尺度下多狀態可靠性評估模型以及短時間尺度下功率循環能力的故障率計算方法，發現長時間尺度下的結溫平均值變化對故障率的影響程度大於短時間尺度下結溫波動的影響。③提出了不同運行工況下減少模組結溫幅值的雙饋風電變流器分段調製策略，在此基礎上，針對機側變流器在低頻運行下結溫波動大的缺點，提出了雙饋風電機組最大功率跟蹤的改進策略，並通過實驗證明了其有效性。④建立了基於殼溫差的IGBT模組基板焊層狀態評估模型，提出了基於導通壓降的IGBT模組鍵合線脫落狀態評估方法，實現了對功率模組基板焊層和鍵合線劣化程度變化的實時監測和評估。 項目研究成果對有效降低風電變流器發生故障的潛在風險，及時制定相應的維護計畫，避免事故的發生，對提升風電機組及入網安全穩定運行具有重要的套用價值。