风电变流器IGBT模块结温计算及功率循环能力评估

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1、风电变流器IGBT模块结温计算及功率循环能力评估重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：秦星指导教师：李辉教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一四年五月CalculationofJunctionTemperatureandAssessmentofPowerCyclingCapabilitiesofIGBTModulesforWindPowerConverterAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfor

2、theMaster‘sDegreeofEngineeringByQinXingSupervisedbyProf.LiHuiMajor:ElectricalEngineeringSchoolofElectricalEngineeringofChongqingUniversityChongqing，ChinaMay2014中文摘要摘要由于风能的间歇式固有特征，风电机组长时间、频繁和大范围的随机出力变化，往往导致风电变流器IGBT模块（由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）及晶体二极管（Diode）组成）持续承受剧烈的电热应力冲击，尤其是风电

3、机组机侧变流器长期处于低频下运行，其IGBT模块因结温波动变化而导致其运行可靠性较低的问题凸显。为了准确获取风电变流器IGBT模块的结温并评估其运行可靠性，论文以双馈风电机组的变流器IGBT模块为对象，研究其损耗及结温计算模型，并提出机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法。其选题符合我国大力发展风力发电的战略需求，研究成果对提高大功率风电变流器可靠性的状态监测水平有着重要的学术意义和应用价值。本文主要内容包括：①在对IGBT模块封装结构及热传递过程深入了解的基础上，重点掌握器件的电热耦合特性及常见的失效机理，为进一步开展结温

4、计算及功率循环能力的研究奠定基础。②为了准确计算变流器IGBT模块的结温，研究并建立了基于开关周期损耗分析方法的IGBT模块结温计算模型，针对实际IGBT模块，将本文结温模型的计算结果，与采用基于输出周期损耗分析的常规结温计算模型的结果进行比较，并和PLECS电力电子热仿真结果进行验证。③为准确分析双馈风电变流器IGBT模块损耗及结温的变化规律，考虑双馈风电机组运行特性和变流器控制策略，建立了双馈风电变流器IGBT模块损耗及结温计算模型，并分别对风电机组全运行工况下机侧和网侧IGBT模块的损耗及结温进行了研究。④为准确评估实际湍流

5、风速对双馈风电机组机侧变流器IGBT模块功率循环能力的影响，基于雨流算法提取随机结温波动信息，建立了双馈风电机组机侧变流器IGBT模块平均故障间隔时间（MeanTimeBetweenFailure，MTBF）的评估模型，并分析了不同湍流风速对其结温波动特性和功率循环能力的影响。上述研究内容为风电变流器IGBT模块结温的在线准确评估及湍流风速下模块可靠性的定量分析奠定了理论基础和技术支撑。关键词：双馈风电机组，变流器IGBT模块，结温，湍流风速，功率循环能力I重庆大学硕士学位论文II英文摘要ABSTRACTDuetotheinter

6、mittentcharacteristicsofwindenergy,windpowerchangeswithhighfrequency,extensivenessandrandom,whichalwaysleadspowerconvertertosufferfromsharpshock.Furthermore,thefaultrateofpowerconverterishighasthelowfrequencyoperationforgenerator-sidepowerconverterofdoublyfedwindgener

7、atorsystem.JunctiontemperaturefluctuationscausedbypowercyclingisoneoftheimportantfactorsthatledIGBTmoduletofail.Therefore,thejunctiontemperatureandthepowercyclingcapabilityforwindpowerconverterwereinvestigated.Theresultshaveimportantacademicsignificanceandapplicationv

8、aluetoimprovetheoperationsafetyandreliabilityofwindpowerconverter.Themaincontentsofthisthesisarefollowings:①Basedontheunders