风力发电中电力电子变流装置可靠性概率评估模型及寿命在线预测的研究

电力电子变流装置是风力发电中电能输出的桥梁，关乎风力发电的应用及未来发展，伴随风力发电容量的提高，电力电子变流装置的可靠运行问题，成为电力电子与电力系统交叉研究的热点。在影响电力电子变流装置可靠性的关键因素中，功率器件占据主导地位，故本项目拟以器件可靠性为起点，研究非平稳工况下影响装置可靠性的机理，从运行的角度，分析器件运行过程中可靠性的衰退，探讨器件老化进程中动态波形的变化，并以此为主参量建立装置可靠性概率评估模型及寿命在线预测体系。通过本项目的研究，不仅可以促进风力发电可靠性的提高，加快其发展；还能够拓展电力电子在其他对可靠性有较高要求领域的应用。

本项目围绕风力发电中电力电子变流装置的可靠性问题，研究其内部功率器件的可靠性衰退机理和失效进程，探讨器件失效过程中电压电流动态波形的变化，并以此为参量建立装置可靠性评估模型和故障预诊断方法。项目主要完成了如下几方面的工作：(1) 从IGBT器件的失效机理出发，基于失效过程中疲劳损伤累积对IGBT器件内部杂散参数的影响，提出了IGBT器件“缺陷”的概念。 (2) 基于缺陷对IGBT模块内部寄生参数的影响，提出了一种基于频率响应的IGBT模块内部缺陷的诊断方法，该方法能够有效诊断出IGBT模块内部硅片的失效。(3) 提出基于器件开关波形动态变化和分布参数辨识的IGBT模块内部缺陷诊断的多种实现方法。分析了各方法的特点并进行了实验验证，结果表明这类方法可视为IGBT器件故障前的诊断手段，对降低IGBT器件故障风险和提高功率变流装置运行可靠性具有重要的意义。(4) 建立了基于PoF（Physics-of-Failure）的元件故障率演化模型，可用于功率变流装置短时间尺度运行风险分析。(5) 自主设计了功率模块的加速老化试验平台，并研制了一套基于LABVIEW的IGBT模块端部特征量自动测试系统，初步实现端部参数自动测量，为研究变流器中功率器件的状态监测提供了实验支撑。