【正文】 中文 5188字 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 外 文 文 獻(xiàn) 譯 文 及 原 文 學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 院 （系）： 電信學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)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(jī)功率器件可靠性分析 Md. Arifujjaman, . Iqbal, . Quaicoe 摘要 ： 基于風(fēng)力渦輪機(jī)的小型永磁發(fā)電機(jī)（ PMG）的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需要一個(gè)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這個(gè)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(gè)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。可靠性分析是在某一特定風(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(jī)的永磁發(fā)電機(jī)（ PMG）的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性是相當(dāng)?shù)偷模谝荒曛畠?nèi)降低到 初始值的 84%。通過(guò)對(duì)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)最不可靠組件的確定更證實(shí)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。可靠性分析表明從功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性角度來(lái)看，基于風(fēng)能變換系統(tǒng)的永磁發(fā)電機(jī)并不是最好的選擇，并且需要進(jìn)一步的研究來(lái)確定小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開(kāi)關(guān)損耗，可靠性，平均故障間隔時(shí)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(jī)械子系統(tǒng)（轉(zhuǎn)子，集線(xiàn)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(gè)子系統(tǒng)的失敗都會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。如果系統(tǒng)離網(wǎng)造成動(dòng)力不足將會(huì)使問(wèn)題更加嚴(yán)重。有鑒于此，有必要對(duì)小型風(fēng)能變換系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)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(jī)組是根據(jù) PMG系統(tǒng) 。 這個(gè)并網(wǎng)永磁發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要整流，生涯變換器和一個(gè)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(duì)于他們對(duì)系統(tǒng)可靠性影響的調(diào)查是可取的。對(duì)于一個(gè)機(jī)電系統(tǒng) 的可靠性計(jì)算要將電壓或電流作為一個(gè)變量進(jìn)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(duì)于電力電子遇見(jiàn)可靠性的知識(shí)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(jìn)性而不是功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。大多數(shù)可靠性計(jì)算的數(shù)據(jù)來(lái)源于用于預(yù)測(cè)電子設(shè)備可靠性的軍事手冊(cè)，但是它們卻被認(rèn)為是過(guò)時(shí)的和悲觀(guān)的。一個(gè)可比較的轉(zhuǎn)換器的可靠性分析就是基于 Aten等編寫(xiě)的軍事手冊(cè) [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(jì)算的可靠性?xún)r(jià)值有了很大限制。 Rohouma等提供了一種住各單位計(jì)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(lái)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(shí)上，整流器，轉(zhuǎn)換器或逆變器可靠性的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)確定總的PCS可靠性是很有用的，但是一旦通過(guò)制造商或者軍事手冊(cè)提供的數(shù)據(jù)使用純粹的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行可靠度計(jì)算得出的計(jì)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(gè)整體系統(tǒng)而忽視了他們?cè)诓煌挠脩?hù)操作點(diǎn)之間的不同，此外，為了滿(mǎn)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(jí)別的部件顯示出了較低的可靠 性，反之亦然，較低級(jí)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(jī)組的 PCS的性?xún)r(jià)比，對(duì)可靠性進(jìn)行分析是很有必要的 [4]。對(duì)于上述的強(qiáng)度分析，本文提出了一種組件級(jí)別的可靠性計(jì)算。這種方法就像通常使用的高加速壽命測(cè)試程序 [5]一樣將溫度看作是一個(gè)變量，來(lái)獲得對(duì)一個(gè) PCS組件的可靠性預(yù)測(cè)。一個(gè)操作點(diǎn)的改變也可以在這種方法中被體現(xiàn)，所以對(duì)于系統(tǒng)可靠性可以有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。將平均故障間隔時(shí)間進(jìn)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(jì)小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電力電子接口還要確定一個(gè) 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(jī)的并網(wǎng)永磁發(fā)電機(jī) PCS系統(tǒng)在第 2節(jié)講述；接下來(lái)在第 3節(jié)講述的是 SWT公布的數(shù)據(jù)的最常見(jiàn)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(lái)小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(hào)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(jī)組的設(shè)計(jì)概念已經(jīng)從固定速度異步發(fā)電機(jī)，硬性被動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)與變速箱發(fā)展為變速永磁發(fā)電機(jī)，柔性小失速無(wú)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(jī)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(gè)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(guò)對(duì)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(jī)變速操作。但是此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是通過(guò)逆變器來(lái)實(shí)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(gè)主要的方面來(lái)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(dòng)時(shí)功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(zhǎng)期的野外數(shù)據(jù)對(duì)于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能的評(píng)價(jià)是很重要的。由于世界各地顯著的（和日益增長(zhǎng)的）一些不同年限，類(lèi)型和位置的風(fēng)力渦輪機(jī)的存在，這些長(zhǎng)期記錄得來(lái)的實(shí)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)在對(duì) SWT 實(shí)效子系統(tǒng)的審核已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行。根據(jù)荷蘭大型風(fēng)力放電機(jī)項(xiàng)目 DOWE提供的數(shù)據(jù)，由德國(guó) The Scientific Monitoring and Evaluation Programme (WMEP)[8],瑞典 Elsfork[17]和德國(guó)（ LWK）Landwirtschaftskammer,SchleswingHolstein[18]公布的數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)方案展現(xiàn)在圖 2 中。該系統(tǒng)的機(jī)械子系統(tǒng)由齒輪，機(jī)械制動(dòng)器，液壓系統(tǒng)，偏 航系統(tǒng)的樞紐，和刀片 /攤位組成傳動(dòng)，同時(shí)電氣子系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)，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(jī)的故障主要是由機(jī)械子系統(tǒng)占主導(dǎo)因素的，但是事實(shí)上，電氣和控制系統(tǒng)組成的電力電子元件是 PCS的一個(gè)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(jiǎn)單可靠設(shè)計(jì)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(dá)到最佳效果。 3 為了完成一個(gè)設(shè)備的可靠性分析，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力電 子元件即半導(dǎo)體（二極管， IGBT等）的功率損耗進(jìn)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(lài)于電壓和電流波形。通過(guò)電壓和電流方程的簡(jiǎn)化解析推導(dǎo)，加上對(duì)單個(gè)半導(dǎo)體元件的分析來(lái)確定損耗。本文中的損耗計(jì)算側(cè)重于半導(dǎo)體器件的開(kāi)通損耗和開(kāi)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(duì)于三相二極管整流橋，功率損耗可以通過(guò)計(jì)算單個(gè)已知電壓和電流的方程來(lái)計(jì)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(gè)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(kāi)通損耗用 DBdcdP, 表達(dá)為： dfoDBdcd IVP ?, （ 1） 在一個(gè)二極管線(xiàn)性損耗模型中，每個(gè)二極管的開(kāi)關(guān)損耗可以表達(dá)為： drefdcdrefdcSRWTDB dcd IIVVEfP,1,1, ??? （ 2） 三相二極管整流橋中用 DBdtP, 表示 6個(gè) 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(kāi)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算是假定一個(gè)理想電感輸入來(lái)計(jì)算的。對(duì)于升壓裝置， IGBT被打開(kāi)時(shí)間 d,而二極管導(dǎo)通時(shí)間為（ 1d）。流過(guò) 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(kāi)通損耗可以通過(guò)他們的開(kāi)通電壓，電流，開(kāi)通時(shí)間相乘來(lái)計(jì)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(gè)特定頻率 SWf 下的開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)器件和四個(gè)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(kāi)關(guān)損耗的近似計(jì)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(guò)上述（ 10） （ 13）可以計(jì)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(gè)組件在特定的操作條件下實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能的概率統(tǒng)計(jì)。對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，平均可靠工作時(shí)間由一個(gè)系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間和更具價(jià)值的 MTBF來(lái)衡量。這樣，工程師和設(shè)計(jì)師總是努力設(shè)計(jì)具有更高 MTBF的電力電子元件來(lái)提高電力電子系統(tǒng)的可靠性。本文計(jì)算出來(lái)的平均無(wú)故障時(shí)間 MTBF是在組件級(jí)別進(jìn)行的。系統(tǒng)組件根據(jù)環(huán)境的變化，其失效率隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)出浴缸曲線(xiàn)，此外，系統(tǒng)可以被看作是可修復(fù)