【正文】 高電力電子系統(tǒng)的可靠性。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。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。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。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)。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。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。如果系統(tǒng)離網(wǎng)造成動力不足將會使問題更加嚴(yán)重?？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。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。 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。 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。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。升壓變換器提供了逆變器所需要的直流環(huán)節(jié)電壓。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。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。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 。有研究顯示，從可靠性角度看，串聯(lián)的系統(tǒng)組件其可靠性是相關(guān)的。 上一章通過分析計算確定了平均無故障時間 MTBF和預(yù)先假定了風(fēng)速條件的 SWT 的可靠性配 6 置。 我們可以清楚的認(rèn)識到小型風(fēng)力發(fā)電機等功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)都需要經(jīng)濟可靠，最重要的是要考慮到對每個人來說幾乎是免維護的。同樣伴隨實際系統(tǒng)的可靠性，在平均故障間隔時間中升壓變壓器和逆變器 可以計算出來并在圖 6中表示出來了?；仡櫟?，改變開關(guān)頻率也相應(yīng)的改變 PCS的功率損耗和系統(tǒng)的平均故障間隔時間。 本文簡要回顧了小型風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)中分布式 SWT 子系統(tǒng)的失效問題，說明了機遇 SWT 的永磁發(fā)電機（ PMG）系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)可靠性分析。 K is the Boltzman’s constant which has a value of eV/K, EA is the activation energy, which is assumed to be eV, a typical value for semiconductors, DTJ is the variation of junction temperature and can be expressed as ? ? ???????? ??JJ TBLTL e xp0 （ 18） The failure rate, is described by [26] ? ?JTL1?? （ 19） The global failure rate, ksystem is then obtained as the summation of the local failure rates, ki as: ???Ni isystem 1 ?? （ 20） The mean time between failures, MTBFsystem and reliability, Rsystem of the system are given, respectively by MTBFsystem 188。 致謝 作者要感謝加拿大全國科學(xué)和工程研究理事會（ NSERC ）提供的財政支持這項研究，感謝提供 7 了在這一研究的紐芬蘭紀(jì)念大 學(xué)工學(xué)部和應(yīng)用科學(xué)的副教授 。這樣就能構(gòu)成一個低開關(guān)頻率高效率的 PCS 系統(tǒng)，相反就是一個高開關(guān)頻率的系統(tǒng)。功率器件的功率損耗通常隨開關(guān)頻率的增加而增大，相應(yīng)的失效率的增加減小了平均故障間隔時間，反之亦然。結(jié)果顯示，一年后可靠性下降到 84%， 40000小時（ ）后不到 50%，如圖 5所示，對于維修和更換費用昂貴的 SWT汽輪機來說是不可取的。為了研究最壞情況下的功率損耗模型，調(diào)制指數(shù)被假定是跟負(fù)載電流和輸出電壓同相。 MATLAB程序開發(fā)這一部分使用了 。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。 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。圖 2表明該系統(tǒng)的電氣子系統(tǒng)。另外，逆變器中的風(fēng)扇壽命有限也需要加以注意 [7]。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。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]。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)。任意一個子系統(tǒng)的失敗都會造成重大經(jīng)濟損失。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。可靠性分析表明從功率調(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。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。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]。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。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。現(xiàn)在對 SWT 實效子系統(tǒng)的審核已經(jīng)開始進行。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。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。對于功率半導(dǎo)體的壽命可以通過把結(jié)溫看作一個變量建立可靠性模型來作預(yù)測計算。假定風(fēng)力發(fā)電機組為額定功率 千瓦，預(yù)期的額定風(fēng)速條件是 13 米 /秒。計算顯示功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的失效率是 ?? ， 6 年的 MTBF 是 ? ?？梢钥闯鲈撃孀兤魇强刂谱酉到y(tǒng)，同時升壓變換器與整流器有同樣重要的作用。表 2列出的變化效率和平均無故障時間 MTBF與開關(guān)頻率的改變。其中是把溫度作為變量來進行可靠性分析和研究系統(tǒng)配置可靠性較低。 systemsystemMT BF ?1? （ 21） tsystem systemeR ??? （ 22） . Reliability calculation for a PMG based SWT The reliability analysis for the PCS of the PMG based configuration is performed by the formulation described in Sections and . A Matlab program is developed which putes the ponent junction temperature using the conduction and switching loss formulations described in Section . After the determination of the failure rate for each ponent using (19), the program sums up the failure rates to evaluate the total system failure rates (20).The reliability of the system is obtainable once the system MTBF (21) is known. A brief schematic of the program and its operating procedure is given in Fig. 3. 5. Results The analytical calculations illustrated in the preceding section were carried out to determine the MTBF and consequently the reliability of a SWT configuration for a preassumed wind speed condition. The rated power for the wind turbine is assumed to be kW. The expected operating condition of the rated wind speed is considered as 13 m/s. It is assumed that the generator speed is proportional to the output voltage of the 3phase bridge rectifier which provides a rated 280 volt output at the rectifier terminal at the rated rotational speed. The switching frequency of the boost converter and inverter is considered as 20 kHz which is usual for 13 most of the practical applications [27]. In order to investigate the worst case scenario of the power loss in the numerical simulation study, the modulation index is assumed unity and the load current is assumed to be in phase with the output. A standard grid is considered which will reflect the optimum behavior as required by the optimum wind turbine operation. The analytical calculation is based on the data sheet on the EUPEC IGBT module FP15R