隨著風(fēng)電機組容量的不斷增大，其對電網(wǎng)的影響也越來越大，而且風(fēng)電機組尤其是海上風(fēng)電機組系統(tǒng)每次故障所需要的高維修成本，使得對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。
然而根據(jù)系統(tǒng)故障率統(tǒng)計結(jié)果，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，功率變流器是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中一個薄弱裝置，是主要的失效組件。不同風(fēng)電場中同一類型的風(fēng)電機組或同一風(fēng)電場中不同類型的風(fēng)電機組，變流器故障率存在較大差異，風(fēng)電變流器的可靠性與風(fēng)速和氣溫等復(fù)雜外部環(huán)境及風(fēng)電機組類型有關(guān)[1-3]。
變流器的故障在很大程度上歸因于功率半導(dǎo)體器件的失效[4,5]，因此評估風(fēng)電變流器中功率器件的壽命以及評估風(fēng)速分布對功率器件壽命的影響，對進一步研究如何提高功率器件壽命具有很大的指導(dǎo)意義。
文獻[1-3]根據(jù)實際風(fēng)電場中風(fēng)電機組系統(tǒng)的故障率記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出風(fēng)電機組系統(tǒng)各組件的故障率分布，分析了風(fēng)速分布和風(fēng)電機組類型對不同組件可靠性的影響，文獻[1-3]的所得結(jié)論雖然能夠反映特定區(qū)域變流器的故障率情況，但不能反映功率器件的故障率分布，無法指導(dǎo)基于可靠性的變流器設(shè)計。
文獻[6]基于FIDESGuide2009可靠性手冊評估了風(fēng)電變流器各組件的可靠性，討論了風(fēng)電機組參數(shù)和風(fēng)速分布對變流器可靠性的影響，但是器件失效主要是與功率器件封裝有關(guān)的失效，該文章中的恒故障率模型并不適用于功率器件封裝失效的器件壽命預(yù)測[7]。與封裝有關(guān)的功率器件失效主要與其工作溫度及承受的電應(yīng)力有關(guān)，因此現(xiàn)有文獻主要是基于器件的結(jié)溫來評估器件的可靠性[7-12]。
文獻[8-10]結(jié)合實際風(fēng)速數(shù)據(jù)評估功率器件溫度任務(wù)剖面，利用所建立的功率器件壽命評估模型計算器件壽命消耗；文獻[11,12]利用概率函數(shù)模擬風(fēng)速分布，然后評估不同工況下器件的壽命消耗。但文獻[8-12]只是評估不同工況下功率器件的壽命，并未對風(fēng)速分布與器件壽命消耗的關(guān)系進行討論，很難直接指導(dǎo)變流器的可靠性設(shè)計。
本文建立了一種功率器件壽命的概率評估模型，用于分析風(fēng)速概率分布與功率器件壽命的關(guān)系，給出了風(fēng)速與風(fēng)電變流器電氣參數(shù)的定量關(guān)系，討論了功率器件結(jié)溫數(shù)值計算方法，并以額定功率為1.5MW直驅(qū)風(fēng)電機組系統(tǒng)為例，利用荷蘭Lauwersoog、Valkenburg和愛爾蘭Dublin的風(fēng)速統(tǒng)計數(shù)據(jù)評估了風(fēng)速分布對風(fēng)電變流器中功率器件壽命的影響，最后將該文所得結(jié)論用于研究如何提高風(fēng)電變流器中功率器件壽命。
圖11.5MW風(fēng)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
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結(jié)論
主要分析了風(fēng)電變流器中各電氣參數(shù)與風(fēng)速的定量關(guān)系，給出了功率器件結(jié)溫的數(shù)值計算方法，建立了一種風(fēng)電變流器中功率器件壽命的概率評估模型，深入分析了風(fēng)速概率分布和功率器件壽命的關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：
機側(cè)和網(wǎng)側(cè)IGBT模塊在變流器運行狀態(tài)臨近額定功率輸出時，因基頻結(jié)溫波動而所消耗的壽命最高，器件壽命消耗的分布曲線存在峰值。
風(fēng)電變流器中IGBT模塊因基頻結(jié)溫波動而消耗的壽命主要消耗在風(fēng)速概率較小而風(fēng)速較高的風(fēng)速區(qū)域。
風(fēng)速概率較小而風(fēng)速較高的區(qū)域可采取與其他風(fēng)速區(qū)域不同的控制策略，從而更具針對性的提高功率器件的壽命。
