风力发电变流器IGBT器件应力特性及主动热调控方法
定 价：109 元
- 作者：李辉等
- 出版时间：2025/3/1
- ISBN：9787030806451
- 出 版 社：科学出版社
- 中图法分类：TM614
- 页码：171
- 纸张：
- 版次：1
- 开本：B5
风力发电变流器是大功率风电机组电能回馈至电网的关键控制通道，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是其核心。掌握复杂工况下风电变流器IGBT器件应力分布特性，以及主动热调控延长其寿命方法，对提高风电主动支撑电网能力以及降低运行成本至关重要。本书总结团队多年来在风电机组并网控制及器件可靠性研究方面所取得的成果，以双馈风电变流器为对象，从器件应力分布特性、失效状态评估和寿命预测、结温波动抑制等方面开展研究，全面阐述风电变流器IGBT器件应力特性及主动热调控方法。
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1997年获重庆大学电机及其控制专业学士学位，2000年和2004年在重庆大学电气工程学院分别获工学硕士、工学博士学位。2005年9月至2007年10月赴丹麦奥尔堡大学能源技术学院作访问学者和博士后的合作研究。2007年至今重庆大学电气工程学院及输变电国重室1.国家重点研发计划项目"柔性直流输电装备压接型定制化超大功率IGBT关键技术及应用"的课题四"柔性直流输电装备用1.IGBT器件测试与可靠性技术研究"编号2016YFB0901804，负责人
2.国家自然科学基金智能电网联合基金重点项目"压接型IGBT器件封装老化失效演化机理及测评方法"编号U1966213，负责人
目录
第1章 绪论 1
1.1 风力发电发展概况 1
1.2 风电变流器发展及面临挑战 2
1.3 IGBT器件应力特性及热管理研究现状 4
1.3.1 IGBT应力分析研究现状 4
1.3.2 风电变流器功率器件封装失效状态监测与评估现状 7
1.3.3 风电变流器功率器件热疲劳寿命预测现状 9
1.3.4 风电变流器IGBT器件热调控方法研究现状 10
第2章 双馈风电变流器IGBT器件多芯片热源耦合建模及应力特性分析 13
2.1 风电变流器IGBT器件有限元建模及热耦合分析 13
2.1.1 风电变流器IGBT器件结构 13
2.1.2 风电变流器IGBT器件有限元建模 14
2.1.3 风电变流器IGBT器件热耦合分析 17
2.2 考虑多芯片热源耦合的改进热网络模型及结温计算 18
2.2.1 IGBT器件常规热网络模型 18
2.2.2 考虑多芯片热源耦合的改进热网络模型 19
2.2.3 耦合热阻抗参数提取及特性分析 20
2.2.4 多芯片热源耦合的改进热网络模型验证 22
2.3 双馈风电机组建模及运行特性 23
2.3.1 双馈风电机组的工作原理 23
2.3.2 风力机控制特性 24
2.3.3 双馈风电机组运行特性分析 25
2.4 双馈风电变流器IGBT器件应力计算与特性分析 27
2.4.1 机侧及网侧变流器IGBT器件的损耗计算方法 27
2.4.2 双馈风电变流器IGBT器件改进结温计算模型 29
2.4.3 机侧及网侧变流器IGBT器件结温及热耦合分析 29
2.4.4 不同运行工况下双馈变流器IGBT器件的损耗及耦合结温分析 31
2.4.5 实际风电机组变流器壳温验证 32
2.5 本章小结 33
第3章 双馈风电变流器IGBT器件动态均流及应力特性分析 34
3.1 风电变流器IGBT功率器件封装结构及其工作原理 34
3.1.1 风电变流器IGBT功率器件封装结构 34
3.1.2 IGBT工作原理 35
3.2 封装杂散电感对IGBT动态特性的影响 36
3.2.1 考虑封装杂散参数的IGBT功率器件模型 36
3.2.2 IGBT功率器件动态特性 36
3.2.3 封装杂散电感对器件内各芯片并联均流的影响 39
3.3 计及杂散电感的功率器件等效电路建模及验证 41
3.3.1 功率器件有限元建模及杂散参数提取 41
3.3.2 等效电路建模及仿真 43
3.3.3 芯片间不均流特性实验验证 45
3.4 计及动态电流分布的影响 47
3.4.1 损耗计算原理 47
3.4.2 考虑并联芯片间动态电流分布的开关损耗计算方法 48
3.4.3 实验验证 50
3.5 双馈风电变流器IGBT器件动态应力分析 52
3.5.1 多芯片耦合热网络模型 52
3.5.2 考虑杂散参数影响的双馈风电变流器IGBT器件动态结温分析 54
3.5.3 双馈风电变流器IGBT器件应力实验测试 57
3.6 本章小结 59
第4章 风电变流器IGBT器件疲劳老化失效状态监测与评估 61
4.1 基板焊层脱落下IGBT器件热分析 61
4.2 基于壳温差的IGBT器件基板焊层状态评估方法 65
4.2.1 IGBT器件基板焊层状态评估模型 65
4.2.2 IGBT器件基板焊层状态评估步骤 66
4.3 IGBT器件基板焊层脱落状态监测与评估 67
4.3.1 基板焊层脱落模拟实验平台简介 67
4.3.2 有限元模型有效性验证 68
4.3.3 基板焊层状态评估方法有效性验证 70
4.4 风电变流器IGBT器件键合线失效下电热特性仿真分析 73
4.4.1 IGBT器件键合线失效分析 73
4.4.2 键合线无脱落时IGBT器件电热特性分析 73
4.4.3 键合线脱落时IGBT器件电热特性分析 75
4.4.4 SVPWM控制下IGBT器件导通电压 80
4.5 风电变流器IGBT器件可用芯片数目评估方法 81
4.5.1 IGBT器件可用芯片数目评估模型 81
4.5.2 IGBT器件可用芯片数目评估流程 82
4.6 IGBT器件键合线失效下可用芯片数目评估实验分析 83
4.6.1 IGBT器件输出特性 83
4.6.2 键合线失效下可用芯片数目评估实验平台 84
4.6.3 IGBT器件可用芯片数目计算的有效性验证 85
4.7 本章小结 88
第5章 基于多尺度应力累积的风电变流器IGBT器件寿命预测 89
5.1 寿命预测模型 90
5.1.1 科芬-曼森模型 90
5.1.2 线性疲劳累积损伤模型 90
5.1.3 非线性疲劳累积损伤模型 91
5.1.4 分段式非线性疲劳累积损伤模型 91
5.2 雨流计数法 92
5.3 计及小热载荷的IGBT器件寿命预测分析 94
5.3.1 随机载荷算例分析 94
5.3.2 基于实际风速载荷变流器算例分析 100
5.4 计及电网电压故障穿越累积效应的IGBT器件寿命评估 107
5.4.1 风电变流器IGBT功率器件多时间尺度划分 107
5.4.2 计及电网故障穿越累积效应的功率器件多时间尺度寿命评估模型 108
5.4.3 计及电网电压故障穿越累积效应的双馈风电变流器IGBT功率器件寿命评估 113
5.5 本章小结 119
第6章 基于组合调制策略的双馈风电变流器IGBT器件结温抑制策略 121
6.1 基于DSVPWM策略的变流器结温抑制原理 121
6.1.1 不同DSVPWM策略 121
6.1.2 基于DSVPWM策略的变流器结温抑制思路 122
6.1.3 不同调制策略下的结温实验比较 122
6.2 组合分段DSVPWM策略对变流器结温及调制性能的影响 124
6.2.1 机侧变流器负载功率因数角分析 124
6.2.2 基于组合分段DSVPWM调制策略的机侧变流器IGBT结温抑制 127
6.2.3 机组有功出力变化下组合分段DSVPWM策略的结温抑制效果 128
6.2.4 机组无功出力变化下组合分段DSVPWM策略的结温抑制效果 130
6.3 不同空间矢量调制策略的谐波性能比较 132
6.4 本章小结 133
第7章 基于转速优化的双馈风电机侧变流器IGBT器件结温波动抑制策略 135
7.1 双馈风电机侧变流器同步转速附近结温抑制策略 135
7.1.1 机侧变流器IGBT器件结温波动抑制原理 135
7.1.2 机侧变流器IGBT器件结温波动抑制流程 136
7.2 机侧变流器IGBT器件结温波动抑制效果比较 138
7.2.1 同步转速附近区域动态结温仿真 138
7.2.2 全风速范围下稳态结温波动分析 140
7.2.3 等效实验分析 141
7.3 不同控制策略下的机组效率分析 142
7.3.1 稳态风速下定子出力分析 142
7.3.2 改进控制策略下的机组效率分析 143
7.4 本章小结 145
第8章 兼顾变流器IGBT器件热应力调控的风电场分布式无功-电压协调控制策略 146
8.1 基于电压灵敏度与K-均值聚类的风电场分群 146
8.2 海上风电场无功-电压协调控制模型 149
8.2.1 无功控制对系统关键参量的影响分析 149
8.2.2 考虑多参量的无功-电压协调控制模型 150
8.3 基于多智能体DDPG的无功-电压协调控制模型映射 151
8.3.1 多智能体马尔可夫决策过程 151
8.3.2 多智能体深度确定性策略梯度算法 152
8.4 算例分析 154
8.4.1 无功-电压协调控制策略模型训练结果 154
8.4.2 无功-电压协调控制策略效果分析 155
8.5 本章小结 160
参考文献 162
附录 168
附录A 三相变流器参数 168
附录B 2MW双馈风电机组的主要仿真参数 169
附录C 风电变流器IGBT器件主要参数 169
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