【正文】 中文 5188字 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 外 文 文 獻 譯 文 及 原 文 學(xué) 生： 學(xué) 號： 院 （系）： 電信學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師： 2020年 6月 10日 1 出處 : Applied Energy, 2020, 86(9): 16171623 小型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機功率器件可靠性分析 Md. Arifujjaman, . Iqbal, . Quaicoe 摘要 ： 基于風(fēng)力渦輪機的小型永磁發(fā)電機（ PMG）的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需要一個功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)由橋式整流器， DCDC變換器和并網(wǎng)逆變器組成。這就提出了可靠性分析，并且要確定這個網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中最不可靠的部分?？煽啃苑治鍪窃谀骋惶囟L(fēng)速和最壞配置的條件下最高轉(zhuǎn)換損失。分析表明，這些基于風(fēng)力渦輪機的永磁發(fā)電機（ PMG）的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性是相當(dāng)?shù)偷?，它在一年之?nèi)降低到 初始值的 84%。通過對功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)最不可靠組件的確定更證實了這一結(jié)論。并且可以看出主要是逆變器決定著系統(tǒng)的可靠性， DCDC變換器的影響最不顯著?？煽啃苑治霰砻鲝墓β收{(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性角度來看，基于風(fēng)能變換系統(tǒng)的永磁發(fā)電機并不是最好的選擇，并且需要進一步的研究來確定小型風(fēng)力發(fā)電機變換系統(tǒng)的可靠的電力電子配置。 關(guān)鍵詞： 可再生能源，風(fēng)能，電力電子，并網(wǎng)逆變器，永磁發(fā)電機，小型風(fēng)力發(fā)電機，開關(guān)損耗，可靠性，平均故障間隔時間 1 緒論 隨著并網(wǎng)和離網(wǎng)應(yīng)用的大型風(fēng)能變換系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，小型變換系統(tǒng)也迅速的發(fā)展。 WECS被認(rèn)為是復(fù)雜的系統(tǒng)，包括機械子系統(tǒng)（轉(zhuǎn)子，集線器，和變速箱）和電氣子系統(tǒng)（轉(zhuǎn)換器 /逆變器，整流器，以及控制）和負(fù)載。任意一個子系統(tǒng)的失敗都會造成重大經(jīng)濟損失。如果系統(tǒng)離網(wǎng)造成動力不足將會使問題更加嚴(yán)重。有鑒于此，有必要對小型風(fēng)能變換系統(tǒng)進行可靠性評估，一遍確定這種配置的有效性和可靠性。 幾乎所有的商用小型風(fēng)力發(fā)電機組是根據(jù) PMG系統(tǒng) 。 這個并網(wǎng)永磁發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要整流，生涯變換器和一個并網(wǎng)逆變器。操作環(huán)境和變量等極大的影響了可靠性分析，因此對于他們對系統(tǒng)可靠性影響的調(diào)查是可取的。對于一個機電系統(tǒng) 的可靠性計算要將電壓或電流作為一個變量進行考慮 [1]，但是電力電子元件的可靠性要受到溫度變化的影響 [2]。對于電力電子遇見可靠性的知識是區(qū)別不同拓?fù)涞年P(guān)鍵。然而，最近的研究間接的證明了逆變器的可靠性和先進性而不是功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。大多數(shù)可靠性計算的數(shù)據(jù)來源于用于預(yù)測電子設(shè)備可靠性的軍事手冊，但是它們卻被認(rèn)為是過時的和悲觀的。一個可比較的轉(zhuǎn)換器的可靠性分析就是基于 Aten等編寫的軍事手冊 [6]。然而由于缺乏環(huán)境和當(dāng)前的緊張因素的考慮使得計算的可靠性價值有了很大限制。 Rohouma等提供了一種住各單位計算可靠性的方 法，這杯認(rèn)為更加有用，但是他所使用的數(shù)據(jù)來自于制造商，這些數(shù)據(jù)本身就缺乏可信度，這使得這種方法也缺乏有效的證明。事實上，整流器，轉(zhuǎn)換器或逆變器可靠性的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對確定總的PCS可靠性是很有用的，但是一旦通過制造商或者軍事手冊提供的數(shù)據(jù)使用純粹的統(tǒng)計方法來進行可靠度計算得出的計算可靠性就是不能確定的 [8]。這些數(shù)據(jù)將整流器，轉(zhuǎn)換器和逆變器看做是一個整體系統(tǒng)而忽視了他們在不同的用戶操作點之間的不同，此外，為了滿足某些標(biāo)準(zhǔn)的整體系統(tǒng)的要求，同一系統(tǒng)可能有不同的組成部分。 雖然 PCS中較高級別的部件顯示出了較低的可靠 性，反之亦然，較低級別的部件顯示出較高的可 2 靠性，但是影響他們的變量是不同的，這就有可能在可靠性方面產(chǎn)生出變異。另外，為了優(yōu)化小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組的 PCS的性價比，對可靠性進行分析是很有必要的 [4]。對于上述的強度分析，本文提出了一種組件級別的可靠性計算。這種方法就像通常使用的高加速壽命測試程序 [5]一樣將溫度看作是一個變量，來獲得對一個 PCS組件的可靠性預(yù)測。一個操作點的改變也可以在這種方法中被體現(xiàn)，所以對于系統(tǒng)可靠性可以有一個清晰的認(rèn)識。將平均故障間隔時間進行量化是在可靠性研究中普遍使用的方法。為了優(yōu)化設(shè) 計小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機電力電子接口還要確定一個 PCS系統(tǒng)的最不可靠組件。 本文安排如下：基于小型風(fēng)力渦輪機的并網(wǎng)永磁發(fā)電機 PCS系統(tǒng)在第 2節(jié)講述；接下來在第 3節(jié)講述的是 SWT公布的數(shù)據(jù)的最常見故障組件的確定；第 4節(jié)在電力電子技術(shù)的可靠性分析之后介紹了轉(zhuǎn)換損失的數(shù)學(xué)分析；最后，第 5節(jié)講述了本研究的結(jié)果和重要的結(jié)論。 多年來小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機的電力電子技術(shù)已經(jīng)從基于 SCRs 變換轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化 ACDCAC 鏈。這一變化使得輸入電網(wǎng)的諧波減少，并且由于數(shù)字信號處理器的成本降低和象 IGBT和 MOSFET等新型功率器件的出現(xiàn)使得它成為可能。小型風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計概念已經(jīng)從固定速度異步發(fā)電機，硬性被動傳動系統(tǒng)與變速箱發(fā)展為變速永磁發(fā)電機，柔性小失速無變速箱系統(tǒng)。圖 1常用的小型并網(wǎng)永磁風(fēng)力發(fā)電機組的電路結(jié)構(gòu)。這種電路結(jié)構(gòu)需要 3相整流橋，升壓轉(zhuǎn)換器和一個并網(wǎng)逆變器。升壓變換器提供了逆變器所需要的直流環(huán)節(jié)電壓。通過對升壓變換器或者逆變器的控制，確保最佳功率，高轉(zhuǎn)換效率和整機變速操作。但是此結(jié)構(gòu)的缺點是通過逆變器來實現(xiàn)并網(wǎng)，但是這種風(fēng)力發(fā)電中使用的逆變器主要是在光伏發(fā)電中使用，可靠性不能確定，并且早起的研究也 是從幾個主要的方面來增加其可靠性。在低水平可靠性的主導(dǎo)因素是由于電流流動時功率開關(guān)的開關(guān)引起的功率損耗產(chǎn)生的熱量，減小熱量的產(chǎn)生就能顯著提高可靠性。另外，逆變器中的風(fēng)扇壽命有限也需要加以注意 [7]。然而，也有其他方面（如濕度，模塊化和包裝等）也需要加以注意，不斷的創(chuàng)新而不是僅僅局限于本研究。 長期的野外數(shù)據(jù)對于技術(shù)和經(jīng)濟性能的評價是很重要的。由于世界各地顯著的（和日益增長的）一些不同年限，類型和位置的風(fēng)力渦輪機的存在，這些長期記錄得來的實效數(shù)據(jù)和可靠性數(shù)據(jù)都是現(xiàn)成可用的。這 些信息有助于確定 WECS中最有可能失效的子系統(tǒng)，并能夠?qū)ζ浼捌渑渲眠M行優(yōu)化設(shè)計?，F(xiàn)在對 SWT 實效子系統(tǒng)的審核已經(jīng)開始進行。根據(jù)荷蘭大型風(fēng)力放電機項目 DOWE提供的數(shù)據(jù)，由德國 The Scientific Monitoring and Evaluation Programme (WMEP)[8],瑞典 Elsfork[17]和德國（ LWK）Landwirtschaftskammer,SchleswingHolstein[18]公布的數(shù)據(jù)和評價方案展現(xiàn)在圖 2 中。該系統(tǒng)的機械子系統(tǒng)由齒輪，機械制動器，液壓系統(tǒng)，偏 航系統(tǒng)的樞紐，和刀片 /攤位組成傳動，同時電氣子系統(tǒng)由發(fā)電機，傳感器等組成。圖 2表明該系統(tǒng)的電氣子系統(tǒng)。一種完全相反的的現(xiàn)象是大型風(fēng)力發(fā)電機的故障主要是由機械子系統(tǒng)占主導(dǎo)因素的，但是事實上，電氣和控制系統(tǒng)組成的電力電子元件是 PCS的一個部分，它不僅決定了性能，而且還承擔(dān)了小型 WECS成本的主要部分。就整體而言，為了確保系統(tǒng)的高可靠性，應(yīng)該將注意力集中在簡單可靠設(shè)計的小型 WECS，確保零件容易保養(yǎng)和維修，以及控制結(jié)構(gòu)的低復(fù)雜度一遍達到最佳效果。 3 為了完成一個設(shè)備的可靠性分析，對于風(fēng)力發(fā)電機的電力電 子元件即半導(dǎo)體（二極管， IGBT等）的功率損耗進行數(shù)學(xué)分析是必不可少的。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的損耗很大程度依賴于電壓和電流波形。通過電壓和電流方程的簡化解析推導(dǎo)，加上對單個半導(dǎo)體元件的分析來確定損耗。本文中的損耗計算側(cè)重于半導(dǎo)體器件的開通損耗和開關(guān)損耗。此后就提出了系統(tǒng)可靠性的數(shù)學(xué)分析。 SWT的 PMG損耗分析 對于三相二極管整流橋，功率損耗可以通過計算單個已知電壓和電流的方程來計算。假定在三相整流橋中電壓和電流被平等的分配，那么知道一個二極管的功率損耗就可以得出所有橋路上的二極管損耗。二極管的開通損耗用 DBdcdP, 表達為： dfoDBdcd IVP ?, （ 1） 在一個二極管線性損耗模型中，每個二極管的開關(guān)損耗可以表達為： drefdcdrefdcSRWTDB dcd IIVVEfP,1,1, ??? （ 2） 三相二極管整流橋中用 DBdtP, 表示 6個 二極管的總損耗 [20] DB DBsw tDB dc d tDB dswDB dcdDBdt PPPPP ,, 66 ???? （ 3） 升壓變換器的開通損耗和開關(guān)損耗的計算是假定一個理想電感輸入來計算的。對于升壓裝置， IGBT被打開時間 d,而二極管導(dǎo)通時間為（ 1d）。流過 IGBT 的導(dǎo)通電流 1dcI 就是輸入電流，而逆變器的輸入電流為給定的 2dcI ? ?dII dcdc ?? 112 （ 4） 二極管和 IGBT的開通損耗可以通過他們的開通電壓，電流，開通時間相乘來計算得到 [21] ? ? ? ?dIrVIP dcdfdcBC dcd ???? 11o1, (5) ? ? dIrVIP dccecedcBC IGB Tcd ??? 101, (6) 升壓變換器的的電壓和電流 就是直流環(huán)節(jié)的電壓 2dcV 和輸入電流 1dcI 。二極管和 IGBT 在某個特定頻率 SWf 下的開關(guān)損耗在下式被給出 [21] 4 drefdcdrefdcSRswBC dsw IIVVEfP,1,2, ??? （ 7） ? ? I G B Tr e f dcI G B Tr e f dcO F FONSWBC I G B Tsw I IV VEEfP , 1, 2, ???? （ 8） 綜合上述（ 5） （ 8）可以給出升壓變換器的總損耗為： ? ? ? ? ? ?BC I GB TSWBC I GB TcdBC dSWBC dcdBC I GB Tdt PPPPP ,, ????? (9) 大多數(shù)工業(yè)和民用的 SWT 系統(tǒng)整合了單相逆變器。去除緩沖電路，逆變器包括四個開關(guān)器件和四個反并聯(lián)的二極管構(gòu)成就像圖 1中所示。這樣一組二極管和 IGBT的損耗可以表示如下： omfomdI N Vdcd IVMIrMP 02,1 c os821c os381 ?????? ???????? ?? ??? (10) omceomceI N VI G B Tcd IVMIrMP 02,1 c os821c os381 ?????? ???????? ?? ??? （ 11） 在輸出電流 oi 給出的條件下，二極管和 IGBT開關(guān)損耗的近似計算方法： ? ?I G B Tr e fOI G B Tr e fdcO F FONSWI N V I G B TSW I IV VEEfP,2,1 1 ?? ? （ 12） drefOdrefdcSWIN V dSW I IVVfP,2,1 1?? （ 13） 通過上述（ 10） （ 13）可以計算出逆變器的總損耗： ? ? I N V I GB TSWI N VdSWI N VI GB TcdI N VdcdI N V I GB Tdt PPPPP ,, ????? （ 14） 以 PMG為基礎(chǔ)的 SWT 的變換階段的功率損耗是： ? ? ? ?I N V I G B TdtBC I G B TdTDBdtP M Gt PPPP ?? ??? , （ 15） SET的 PMG可靠性分析 可靠性是一個組件在特定的操作條件下實現(xiàn)其預(yù)定功能的概率統(tǒng)計。對于一個高可靠性的系統(tǒng)來說，平均可靠工作時間由一個系統(tǒng)的平均無故障時間和更具價值的 MTBF來衡量。這樣，工程師和設(shè)計師總是努力設(shè)計具有更高 MTBF的電力電子元件來提高電力電子系統(tǒng)的可靠性。本文計算出來的平均無故障時間 MTBF是在組件級別進行的。系統(tǒng)組件根據(jù)環(huán)境的變化，其失效率隨時間的推移呈現(xiàn)出浴缸曲線，此外，系統(tǒng)可以被看作是可修復(fù)