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(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

基于SPWM的直驅(qū)風(fēng)電變流器功率模塊分析

邸強(qiáng)，張新燕，牛盛瑜，張冠琪，劉博文

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

基于新疆地區(qū)特殊的地理環(huán)境造成的風(fēng)電變流器IGBT功率模塊由于承受劇烈的交變熱應(yīng)力而失效的情況，以某1.5 MW直驅(qū)風(fēng)電變流器為研究對(duì)象，建立了其仿真模型，并推導(dǎo)了網(wǎng)側(cè)以及機(jī)側(cè)變流器功率模塊的損耗和結(jié)溫表達(dá)式。結(jié)合風(fēng)電場實(shí)測風(fēng)速，研究了變流器功率器件的損耗變化規(guī)律，分析了變流器各部件所受熱應(yīng)力沖擊情況。研究結(jié)果表明網(wǎng)側(cè)變流器的IGBT模塊損耗最高，最易損壞。

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；IGBT；損耗

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電裝置中，變流器作為風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的中樞，是影響機(jī)組運(yùn)行安全和入網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵器件，但風(fēng)電機(jī)組變流器不同于普通的電力拖動(dòng)所用的變流器。由于風(fēng)速時(shí)刻在變化,為了捕獲最大風(fēng)能,機(jī)側(cè)變流器的電流電壓以及頻率需要隨風(fēng)的變化而變動(dòng)；而為了保證向電網(wǎng)輸送頻率和電壓穩(wěn)定的電能，網(wǎng)側(cè)變流器的電流同樣需要隨風(fēng)的變化而變化。變流器的頻率、電壓和電流的不斷變化,將在功率模塊上產(chǎn)生劇烈的熱循環(huán)。現(xiàn)有文獻(xiàn)表明變流器失效故障中大部分是因 IGBT 功率循環(huán)損壞引起的[1]。因此，精確地估算直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器功率模塊的損耗，分析其在不同風(fēng)速下的變化規(guī)律， 對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估 IGBT所受熱應(yīng)力并提高直驅(qū)風(fēng)電變流器的可靠性， 進(jìn)而保證風(fēng)電機(jī)組安全工作，具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義。

1 風(fēng)電變流器IGBT器件結(jié)構(gòu)及損耗結(jié)溫計(jì)算

1.1 風(fēng)電變流器 IGBT 模塊結(jié)構(gòu)

近年來，隨著風(fēng)電機(jī)組容量的的迅速擴(kuò)大，變流器所承受的功率也在倍增。在風(fēng)電變流器設(shè)計(jì)中，其功率模塊一般為多個(gè)芯片相并聯(lián)組成[2]。通常 IGBT 和續(xù)流二極管(free wheeling diode，F(xiàn)WD)一起被封裝在模塊內(nèi)，模塊內(nèi)部用硅膠填充，外部使用硬塑料外殼進(jìn)行封裝。圖 1 為某 1.5 MW 直驅(qū)變流器IGBT 模塊內(nèi)部等效電路，由3個(gè)單元模塊并聯(lián)構(gòu)成。圖2是它的剖面圖。

1.2 IGBT模塊損耗分析

IGBT 器件功率損耗主要是由 IGBT 芯片的功率損耗和反并聯(lián)續(xù)流二極管(FWD)功率損耗兩部分構(gòu)成，而各元件的損耗又分為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗兩部分[3]。這些損耗就是IGBT器件結(jié)溫的熱源。將以開關(guān)周期作為時(shí)間單位，建立基于正弦脈寬調(diào)制(SWPM)下的IGBT損耗模型。

圖1 三單元功率模塊內(nèi)部等效電路

圖2 IGBT功率模塊結(jié)構(gòu)層次

通態(tài)損耗指的是IGBT在導(dǎo)通過程中發(fā)生的耗損[4]。一個(gè)IGBT僅在半個(gè)周期內(nèi)有電流流過，因此IGBT的通態(tài)損耗可表示如下[5]：

(1)

FWD的通態(tài)損耗表示為

(2)

式中：δ為導(dǎo)通占空比；RT為模塊電阻；w為角頻率；VT為 IGBT 的導(dǎo)通壓降；φ為實(shí)際電流和電壓的初相角；cosφ為負(fù)載的功率因數(shù)；ICM為集射極峰值電流；VD為二極管壓降；m為調(diào)制比；RD為二極管的導(dǎo)通電阻。

開關(guān)損耗由開通損耗以及關(guān)斷損耗構(gòu)成。IGBT 的開關(guān)損耗與開關(guān)時(shí)的電流、 電壓以及結(jié)溫有關(guān)。其表達(dá)式為

(3)

FWD通常采用快速恢復(fù)二極管，由于它在關(guān)斷時(shí)漏電流極小，截止損耗一般忽略不計(jì)。所以FWD的開關(guān)損耗主要是指反向恢復(fù)損耗。其表達(dá)式為

(4)

式中：Eon為 IGBT 的開通損耗；Eoff為 IGBT 的關(guān)斷損耗；Erec為FWD在反向恢復(fù)期間的損耗；In為 IGBT 額定電流；im為相電流幅值；Inom為模塊的額定電流；Vn為 IGBT 標(biāo)稱電壓；Vnom為模塊的額定電壓；Vdc為工作時(shí)模塊耐壓；fs為開關(guān)頻率。

IGBT總損耗為

P總-T=PC-T+PSW-T

(5)

FWD總損耗為

P總-D=PC-D+PSW-D

(6)

功率模塊總損耗為

P總=6(P總-T+P總-D)

(7)

1.3 IGBT模塊結(jié)溫分析

現(xiàn)有的IGBT器件全部采用封裝形式，內(nèi)部充滿絕熱硅膠，因此IGBT芯片和FWD二極管由于損耗而產(chǎn)生大量熱能只能單方向的通過芯片基板、散熱器，最終通過冷卻介質(zhì)(空氣或水)將熱量帶走。將基于熱阻抗等效電路和集總參數(shù)法[6]，以型號(hào)為FZ2400R17HP4_B的功率模塊的IGBT作為研究對(duì)象，建立IGBT器件4階熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示[7]。該模塊的熱抗參數(shù)見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)模塊的熱抗參數(shù)

圖3 4階IGBT熱網(wǎng)絡(luò)模型

圖4 直驅(qū)風(fēng)電變流器的結(jié)溫計(jì)算框圖

由圖3可得IGBT模塊結(jié)溫：

(8)

式中：P為功率模塊總損耗；Z結(jié)-殼為 IGBT 的結(jié) - 殼熱阻抗；Z殼-散為IGBT 的殼壁到散熱器的熱阻抗；Z散為 IGBT 的散熱器熱阻抗。R1 ～R5和C1～C5分別是為功率模塊的等效熱阻和熱容，它們并聯(lián)構(gòu)成其熱抗；Ta為環(huán)境溫度(該地區(qū)為45℃)。Δt為損耗連續(xù)發(fā)生的時(shí)間；Δt的數(shù)值取 1 /2f；f是變流器當(dāng)時(shí)的輸出頻率[8]。

2 直驅(qū)風(fēng)機(jī)變流器IGBT結(jié)溫分析

2.1 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器功率器件結(jié)溫模型

基于上述IGBT模塊損耗計(jì)算表達(dá)式(1)至式(4)，結(jié)合1.5 MW背靠背式直驅(qū)風(fēng)電變流器仿真模型，建立直驅(qū)風(fēng)電變流器的結(jié)溫計(jì)算框圖，如圖4所示[9]。

根據(jù)圖4可知，直驅(qū)風(fēng)電變流器的IGBT器件結(jié)溫計(jì)算方法如下：首先，根據(jù)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型以及廠商提供的變流器參數(shù)，可以分別計(jì)算出機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的電流、電壓、相位角、調(diào)制度；其次，根據(jù)新疆哈密某風(fēng)電廠的風(fēng)速數(shù)據(jù)，計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組的定子頻率和電流；最后，查詢廠商提供的IGBT模塊的開關(guān)頻率fs與變流器額定電流it,根據(jù)結(jié)溫計(jì)算公式(8)即可算出直驅(qū)風(fēng)電變流器IGBT器件的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的結(jié)溫。

2.2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器功率器件損耗分析

根據(jù)1.2節(jié)中IGBT損耗估算方法，以1.5 MW背靠背式直驅(qū)風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用上述損耗計(jì)算模型，可得新疆哈密某風(fēng)電廠的1.5 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器IGBT損耗分布圖，如圖5、圖6所示。

圖5 機(jī)側(cè)變流器損耗

圖6 網(wǎng)側(cè)變流器損耗

由圖5可知，隨著風(fēng)速的增大，機(jī)側(cè)IGBT和FWD的損耗也逐步升高。此時(shí)變流器工作在整流狀態(tài)，F(xiàn)WD承載更多的電流[10]，所以圖中可以看出風(fēng)機(jī)側(cè)FWD的通態(tài)損耗大于IGBT的通態(tài)損耗，F(xiàn)WD的開關(guān)損耗要大于IGBT的開關(guān)損耗。

由圖6可知，隨著風(fēng)速變大，網(wǎng)側(cè)的IGBT及FWD的損耗同樣在逐步上升。而由于電網(wǎng)側(cè)的變流器工作在逆變狀態(tài)，IGBT承載大部分電流[11]，所以電網(wǎng)側(cè)IGBT的通態(tài)損耗大于FWD的通態(tài)損耗，IGBT的開關(guān)損耗要大于FWD的開關(guān)損耗。

對(duì)比圖5和圖6可知，兩側(cè)IGBT和FWD的開關(guān)損耗都要高于它們的通態(tài)損耗，這是因?yàn)轱L(fēng)速無時(shí)無刻不在變化，它的開關(guān)頻率極大。在風(fēng)速為13 m/s時(shí)，所有損耗均達(dá)到最大值，此時(shí)風(fēng)速處于額定風(fēng)速附近。同時(shí)可以看出，電網(wǎng)側(cè)的IGBT損耗最大，所以它受到的熱應(yīng)力應(yīng)該也是最大，最容易損壞。其次是機(jī)側(cè)的FWD最容易損壞。該風(fēng)電場的檢修分析也證明了這一點(diǎn)[12]。

2.3 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器功率器件結(jié)溫分析

為了研究網(wǎng)側(cè)以及機(jī)側(cè)變流器中功率器件隨風(fēng)速變化時(shí)的結(jié)溫情況，以哈密風(fēng)電場采集到的風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計(jì)算兩側(cè)變流器的結(jié)溫。風(fēng)速變化情況如圖 7 。由于變流器依靠最大功率追蹤控制[13]，此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出功率在風(fēng)速過大時(shí)依然保持不變。它的基波頻率也無變化，如圖8所示。

兩側(cè)變流器的結(jié)溫仿真分別如圖9和圖10。圖中實(shí)線代表IGBT結(jié)溫變化，虛線代表二極管FWD結(jié)溫變化。對(duì)比兩側(cè)功率器件的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速大小一樣的情況下，網(wǎng)側(cè)IGBT 的溫度最高。這是由于網(wǎng)側(cè)變流器在額定工況下，它的IGBT功率損耗最高[14]。同時(shí)可以看出，在19 s附近，隨著風(fēng)速達(dá)到額定最大值13 m/s,網(wǎng)側(cè)IGBT結(jié)溫也達(dá)到最大值。隨后，由于風(fēng)速的減小，IGBT的結(jié)溫也逐漸降低。

圖7 風(fēng)速大小

分別將兩側(cè)功率器件的IGBT和二極管結(jié)溫相加取平均值可得，機(jī)側(cè)功率器件的平均結(jié)溫為50℃，而網(wǎng)側(cè)功率模塊的平均結(jié)溫為86℃。很顯然，網(wǎng)側(cè)變流器承受熱應(yīng)力遠(yuǎn)大于機(jī)側(cè)變流器，最易老化。這與上節(jié)中關(guān)于變流器損耗分析的結(jié)論一致。

圖8 機(jī)側(cè)變流器的基波頻率

圖9 機(jī)側(cè)變流器功率器件結(jié)溫

圖10 網(wǎng)側(cè)變流器功率器件結(jié)溫

3 結(jié) 語

通過分析影響變流器功率模塊損耗的因素，給出了功率模塊損耗和結(jié)溫的計(jì)算表達(dá)式，建立了一種直驅(qū)變流器損耗計(jì)算模型，詳細(xì)研究了風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)電機(jī)組功率模塊損耗變化的一般規(guī)律。主要結(jié)論有：

1)機(jī)側(cè)功率模塊中FWD的損耗最大，而網(wǎng)側(cè)功率模塊中IGBT的損耗最大；

2)在同一風(fēng)速下，網(wǎng)側(cè)的變流器IGBT損耗最大，承擔(dān)熱應(yīng)力最大，最易失效，在檢修維護(hù)時(shí)需特別注意。

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In view of the special geographical environment of Xinjiang, the IGBT power module of wind power converter bears the severe alternating thermal stress, so breakdown occurs frequently. Taking a 1.5 MW direct-driven wind power converter as the research object, the simulation model is established, and the expressions of the loss and junction temperature are derived for converter power module at the machine side and the grid side. Based on the measured wind speed of wind farm, the variation law of power module is studied, and the thermal stress

by each component is evaluated. The results show that IGBT module at the grid side has the largest losses and is the most easily damaged.

direct-driven wind turbine generators; IGBT; loss

TM615

A

1003-6954(2017)06-0007-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51667018)

邸 強(qiáng)(1990)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

張新燕(1964)，教授，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電控制與并網(wǎng)技術(shù)；

牛盛瑜(1993)，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)機(jī)故障診斷；

張冠琪(1992)，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)機(jī)故障診斷；

劉博文(1990)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。

2017-07-24)