风电变流器热应力疲劳寿命评估及控制策略研究

Considering wind power converters, especially for the machine-side converter of direct-drive and doubly fed wind turbine generator system (WTGS), due to sustained low frequency thermal cycling, it is necessary to propose an investigation focusing on the component aging and physical failure mechanisms to evaluate the distribution of the dynamic thermal stress and develop method to evaluate converter fatigue life span as well as control strategies to improve the life profile. Firstly, the proposed research aims to establish dynamic multi-source electro-thermal decoupling models and the thermal stress calculating algorithms of wind power converter power modules, and investigates the characteristics of thermal stress distribution and effected factors in different operating conditions. Secondly, the research will investigate the converter fatigue damage effects on both the short-term shock and the long-term low frequency thermal stress cycling actions. Furthermore, based on the nonlinear fatigue damage cumulative theory, by introducing the increment damage concept and real-time state feedback of fatigue damage levels, it will establish assessment models of wind power converter fatigue lifetime , with memory ability to reflect different stress actions and the different stages of fatigue development. Finally, based on the proposed thermal stress fatigue lifetime assessment model, the proposed research will evaluate the effects in terms of the thermal stresses on the converter by using different control strategies, and further proposes converter and WTGS control strategies with one of main evaluating indicators of the thermal stress fatigue damage level. The anticipated achievements of this proposed project have an important practical and academic significance to accurately assess and improve the operational reliability of wind power converters, as well as extending the useful life span.

针对风力发电变流器，特别是直驱和双馈风电系统中机侧变流器，长期受低频交变热应力作用的特点，围绕其老化和失效的物理本质，开展风电变流器热应力分布特性、热应力疲劳寿命评估及控制策略的研究。项目首先建立变流器功率模块的动态多源电热耦合模型和热应力计算模型，探索风电变流器在不同运行工况下的热应力分布特性及其影响因素。其次，研究风电变流器在短时极限冲击和长期低频交变热应力作用下的疲劳损伤累积效果，基于非线性疲劳损伤累积理论，引入增量损伤概念和疲劳损伤程度的实时状态反馈，建立对不同程度热应力作用和在不同寿命时期均具有记忆能力的风电变流器疲劳寿命评估模型。最后，基于疲劳寿命评估模型，以变流器热应力疲劳损伤程度为主要评价指标之一，研究不同控制策略对风电变流器热应力的影响，提出变流器及风电机组的有效控制策略。项目研究成果对准确评估并提高风电变流器的运行可靠性，延长其使用寿命，具有重要的现实意义和学术价值。

随着我国“建设大基地，集中接入网”风力发电规划的确立和实施，大功率并网风电机组及风电场的安全可靠运行将对提高电网稳定性、实现负荷合理分配产生重要影响。IGBT模块是风电变流器中能量转换的关键部件，故障率高达30%以上。由于风能的间歇式固有特征，长时间、频繁和大范围的随机出力变化，导致其电能转换单元持续承受剧烈的热应力冲击，使变流装置的可靠性变得极其脆弱。.为了提高风电变流器的运行可靠性，围绕其在短时极限冲击和长期低频交变热应力作用下导致老化和失效的科学问题，本项目针对风电变流器功率模块，主要开展包括结温计算和热应力特性分析，热应力疲劳寿命评估，减少结温波动的热管理策略，健康状态监测与评估方法4个方面。①建立了考虑多热源耦合影响的多芯片并联的IGBT耦合热阻抗模型，研究了基板、芯片焊层在不同脱落度下功率模块温度和热应力的分布规律，提出了功率模块的改进热网络模型，获取了不同寿命周期下功率模块结温；提出了考虑并联芯片间动态电流分布的IGBT模块改进开关损耗计算方法，获取了功率模块的动态结温变化规律。②开展了考虑湍流风速影响的IGBT模块功率循环能力评估方法研究，建立长时间尺度下多状态可靠性评估模型以及短时间尺度下功率循环能力的故障率计算方法，发现长时间尺度下的结温平均值变化对故障率的影响程度大于短时间尺度下结温波动的影响。③提出了不同运行工况下减少模块结温幅值的双馈风电变流器分段调制策略，在此基础上，针对机侧变流器在低频运行下结温波动大的缺点，提出了双馈风电机组最大功率跟踪的改进策略，并通过实验证明了其有效性。④建立了基于壳温差的IGBT模块基板焊层状态评估模型，提出了基于导通压降的IGBT模块键合线脱落状态评估方法，实现了对功率模块基板焊层和键合线劣化程度变化的实时监测和评估。.项目研究成果对有效降低风电变流器发生故障的潜在风险，及时制定相应的维护计划，避免事故的发生，对提升风电机组及入网安全稳定运行具有重要的应用价值。