國電南瑞科技股份有限公司 馬 超 張 敏

1 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，對于風(fēng)電設(shè)備的要求也越來越高。其中，保證其在復(fù)雜工況下能夠正常運行是至關(guān)重要的一點。而這就需要對風(fēng)電設(shè)備進行深入研究和分析，以便更好地發(fā)現(xiàn)問題并解決這些問題。本文主要針對風(fēng)電變流器中存在的一些問題展開了相關(guān)研究工作。首先介紹了目前國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電設(shè)備可靠性方面的研究現(xiàn)狀以及所采用的各種評估方法。

2 提出的結(jié)溫迭代數(shù)值計算方法

2.1 功率器件結(jié)溫評估流程

在進行功率器件結(jié)溫評估時，首先需要對所使用的散熱方式和散熱條件進行分析。一般來說，由于功率器件工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，因此其散熱主要依靠自然冷卻或強制風(fēng)冷兩種方式。自然冷卻是指通過空氣流動將芯片表面熱量帶出；強制風(fēng)冷則是利用風(fēng)機將熱空氣吹到芯片上，使得芯片迅速降溫。無論哪種散熱方式都存在一個最佳風(fēng)速范圍問題，超過這個范圍就可能導(dǎo)致散熱效果不佳甚至失效。

針對此類情況，本文提出了一套完整的功率器件結(jié)溫情況評估流程，主要步驟如下。

一是確定散熱方案及參數(shù)設(shè)置[1]。根據(jù)實際情況選擇合適的散熱方式并設(shè)置相應(yīng)的散熱參數(shù)，如環(huán)境溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。二是采集功率器件運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過傳感器獲取功率器件的電流電壓信號以及外部負(fù)載變化信息，為后續(xù)結(jié)溫評估提供依據(jù)。三是提取功率器件結(jié)溫特征值[2]。采用統(tǒng)計學(xué)方法或者有限元仿真軟件提取不同工況下功率器件的結(jié)溫分布特征量，例如最大結(jié)溫和最小結(jié)溫等。四是建立功率器件結(jié)溫模型。結(jié)合試驗測試結(jié)果與仿真模擬結(jié)果，構(gòu)建功率器件結(jié)溫預(yù)測模型，實現(xiàn)對未來一段時間內(nèi)功率器件結(jié)溫的準(zhǔn)確預(yù)測。五是判斷功率器件是否處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)。當(dāng)功率器件的結(jié)溫達到一定限值時，應(yīng)及時采取措施保證設(shè)備正常運行。

2.2 功率器件熱網(wǎng)絡(luò)

在進行功率器件結(jié)溫仿真時，需要對內(nèi)部各元件建立熱網(wǎng)絡(luò)模型。常見的功率器件熱網(wǎng)絡(luò)是Cancer 網(wǎng)絡(luò)和Foster 熱網(wǎng)絡(luò)。

Cancer 網(wǎng)絡(luò)主要包括二極管、MOS 管等；Foster 網(wǎng)絡(luò)則由晶體管、電阻以及電感構(gòu)成。本文采用了Foster 熱網(wǎng)絡(luò)來建模功率器件[3]。

在確定好熱網(wǎng)絡(luò)后，可利用有限元法求解器件內(nèi)部溫度分布情況。同時也能得到不同功率器件之間的熱阻值，為后續(xù)可靠性分析提供依據(jù)。值得注意的是，在實際應(yīng)用中，還需考慮到散熱條件、環(huán)境溫度等因素對接頭溫度的影響。因此，在進行仿真前，應(yīng)先對這些參數(shù)進行合理的設(shè)定。

到此就是本文提出的基于有限元法的功率器件熱網(wǎng)絡(luò)建模及求解方法。通過該方法可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測功率器件的結(jié)溫情況，并為后續(xù)的可靠性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

兩類常用的功率器件熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 兩類常用的功率器件熱網(wǎng)絡(luò)模型

在實際建模過程中，由于不同功率器件結(jié)構(gòu)差異較大，因此可以采用不同的簡化方式來構(gòu)建熱網(wǎng)絡(luò)模型。本文所提出的基于IDEF0標(biāo)準(zhǔn)的功率器件熱網(wǎng)絡(luò)建模流程可參考文獻。

2.3 基于電熱比擬理論的開關(guān)周期結(jié)溫計算

在實際工程應(yīng)用中，由于風(fēng)速、環(huán)境溫度等因素影響，風(fēng)力發(fā)電機組各部件之間存在著不同程度的熱阻。為了準(zhǔn)確地模擬出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部各個部件的工作狀態(tài)及發(fā)熱情況，需要對其進行建模分析。本文采用電熱類比法建立了風(fēng)力發(fā)電機組各部分的數(shù)學(xué)模型。其中，轉(zhuǎn)子和定子是風(fēng)力發(fā)電機組最重要的組成部分之一，也是產(chǎn)生故障最多的地方。因此，本研究重點關(guān)注這兩個部分的結(jié)溫情況。

2.4 器件工頻周期結(jié)溫數(shù)值計算

在進行器件級可靠性分析時，需要對每個子模塊中各半導(dǎo)體材料的結(jié)溫和其對應(yīng)的熱導(dǎo)率進行求解。由于不同半導(dǎo)體材料具有不同的物理特性和溫度響應(yīng)規(guī)律，因此需要采用合適的數(shù)學(xué)模型來描述這些參數(shù)隨工作條件變化的情況。

本文選取了常用的PN 結(jié)模型作為基本數(shù)學(xué)模型，同時考慮到實際應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的非理想因素（如雜質(zhì)、缺陷等），引入了修正系數(shù)以提高模型精度。將各子模塊中的電阻視為一個并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)，其中每一段線路都代表著一定大小的電感元件。這樣就可以通過簡單的電路模擬得到該部分電路的電流-電壓特性曲線，從而確定相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)及節(jié)點電壓。利用歐姆定律求得每個子模塊內(nèi)部所有半導(dǎo)體材料的電壓-電流關(guān)系以及相應(yīng)的熱容值。最后，結(jié)合各子模塊之間的連接方式，即可得到整個系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程組，進而求解出系統(tǒng)整體的結(jié)溫情況[4]。

值得注意的是，模型假設(shè)了各子模塊內(nèi)部的溫度分布均勻且恒定，但實際上由于制造工藝或外部環(huán)境等原因，各子模塊之間存在明顯的溫度差異，這會導(dǎo)致模型預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)存在較大偏差。

試驗首先建立了包含多個子模塊的完整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并在Ansoft 軟件中搭建了相應(yīng)的電磁場-熱耦合仿真模型；接著，針對某特定風(fēng)速下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行情況，提取出相應(yīng)的溫度云圖及其他相關(guān)信息；然后，基于所得數(shù)據(jù)擬合出各向異性修正系數(shù)，進一步完善模型并驗證其準(zhǔn)確度；最終，將所建模型應(yīng)用于變流器的可靠性評估中，獲得了較為滿意的計算效果。由一個工頻周期所分成的6個相等區(qū)間如圖2所示。

圖2 由一個工頻周期所分成的6個相等區(qū)間

3 結(jié)溫迭代數(shù)值計算方法驗證

3.1 參數(shù)設(shè)置

在進行可靠性分析時，需要對模型中各個參數(shù)進行合理設(shè)定。其中，主要包括材料熱導(dǎo)率、散熱方式等參數(shù)。由于本文所研究的是IGBT 模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此采用了三維有限元法來模擬IGBT 模塊內(nèi)部溫度場分布情況。同時為了保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確度，還需考慮的因素如下。

一是網(wǎng)格劃分精度。為了減小誤差并提高仿真效率，應(yīng)將模型離散化后再使用ANSYS 軟件生成合適數(shù)量的單元格。二是時間步長和收斂準(zhǔn)則。適當(dāng)選取時間步長可以加快仿真速度，但過大或過小都會影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；而收斂準(zhǔn)則一般有最大迭代次數(shù)、殘差曲線變化規(guī)律等指標(biāo)。這些參數(shù)的選擇要結(jié)合具體問題而定。

此處重點介紹了IGBT 模塊可靠性分析中所涉及的參數(shù)設(shè)置及相關(guān)要求。通過合理設(shè)置參數(shù)，能夠有效提升仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，從而更好地理解IGBT 模塊的工作特性及其故障機理。得到的仿真結(jié)果具有一定可信度，能夠滿足實際工程應(yīng)用需求。

3.2 IGBT 模塊結(jié)溫結(jié)果對比

將提出的基于有限元法和蒙特卡洛模擬相結(jié)合的結(jié)溫仿真模型對兩種不同結(jié)構(gòu)類型的IGBT 模塊進行結(jié)溫仿真計算。

第一種類型為傳統(tǒng)的六邊形柵極結(jié)構(gòu)，第二種類型為改進后的八邊形柵極結(jié)構(gòu)。同時，考慮到實際情況下， IGBT 模塊內(nèi)部可能存在多個子模塊，因此需要分別對每個子模塊進行建模并求解其溫度分布。最終得到兩組結(jié)溫數(shù)據(jù)，一組是傳統(tǒng)六邊形柵極結(jié)構(gòu)下的結(jié)溫數(shù)據(jù)，另一組則是改進后的八邊形柵極結(jié)構(gòu)下的結(jié)溫數(shù)據(jù)。

兩種結(jié)構(gòu)類型下IGBT 模塊中心點處的結(jié)溫隨時間變化可以看出，無論是哪種結(jié)構(gòu)類型，隨著時間的推移，結(jié)溫都呈現(xiàn)不斷升高的趨勢。但是相比之下，改進后的八邊形柵極結(jié)構(gòu)下的結(jié)溫上升速度明顯減緩，且最高結(jié)溫也有所降低。這是因為改進后的八邊形柵極結(jié)構(gòu)能夠更好地控制熱源擴散，從而使得整個模塊的散熱效果更為優(yōu)秀。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在相同工作條件下，采用改進后的八邊形柵極結(jié)構(gòu)的IGBT 模塊具有更高的安全裕度，能夠有效避免由于高溫導(dǎo)致的失效問題。因此，該設(shè)計方案可作為提高風(fēng)電變流器可靠性的重要手段之一。

3.3 電熱參數(shù)對結(jié)溫計算的影響

在進行變流器的熱仿真時，需要輸入各部件材料的電學(xué)和熱學(xué)參數(shù)。電阻、電容等元件的參數(shù)會直接影響到其自身發(fā)熱量以及與其他電路元器件之間的傳熱情況；而功率半導(dǎo)體器件則是整個變流器中最主要的耗能元件之一，導(dǎo)通電阻大小及損耗也將極大地影響到變流器整體的散熱效果。因此，研究這些參數(shù)對變流器內(nèi)部溫度分布的影響具有重要意義。

為了探究這個問題，本文選取IGBT 模塊作為分析對象，分別改變其導(dǎo)通電壓和開關(guān)頻率，得到不同工作狀態(tài)下的溫度場分布圖，進而對比分析兩種因素對接頭最高溫度的影響。

從仿真結(jié)果可以看出，隨著IGBT 導(dǎo)通時間的增加，接頭最高溫度呈現(xiàn)逐漸升高趨勢。這是因為當(dāng)IGBT 導(dǎo)通后，所產(chǎn)生的熱量無法及時散發(fā)出去，導(dǎo)致其周圍空氣溫度不斷上升，最終超過了設(shè)定值并形成熱點。同時，由于IGBT 存在一定的導(dǎo)通電阻，其消耗的能量一部分轉(zhuǎn)化成了熱能，另一部分則以電磁波的形式向外輻射，使得周圍環(huán)境溫度升高。

通過比較不同電壓下的溫度場分布發(fā)現(xiàn)，隨著電壓的增大，接頭最高溫度也隨之增高。這是因為較高的電壓會加劇IGBT 內(nèi)部電場強度，使得其更容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象，從而釋放更多的熱量。

首先考慮電阻這一基本元件對變流器結(jié)溫情況的影響。由于電阻本身并不產(chǎn)生熱量，但當(dāng)電流通過電阻時，就會有電能轉(zhuǎn)化為熱能并逐漸積累，從而導(dǎo)致電阻表面溫度升高。同時，電阻的尺寸越大，其自身的發(fā)熱量也越高，這將會進一步加劇其表面溫度的上升速度。因此，在進行變流器的熱仿真時，必須準(zhǔn)確測量每個電阻的實際值及其對應(yīng)的溫度，以便更好地理解不同工作狀態(tài)下各個電阻的溫度變化規(guī)律。

除了電阻外，電容也是一個非常重要的元件。電容作為一種儲能元件，可以吸收電源電壓波動所帶來的能量，并在輸出端釋放出來。然而，電容本身也存在著一定的發(fā)熱量，尤其是在高頻率開關(guān)動作過程中更為明顯。因此，在進行變流器的熱仿真時，還需特別關(guān)注電容的溫度變化情況。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于有限元法和蒙特卡洛模擬相結(jié)合的風(fēng)電變流器溫度場建模與仿真分析方法，該方法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測變流器內(nèi)部各個模塊的溫度分布情況。同時，通過對某型號風(fēng)力發(fā)電機組進行實際測試，驗證了所提方法的可行性和有效性。在此基礎(chǔ)上，進一步研究了不同工況下變流器各部分材料的結(jié)溫情況以及其對變流器性能指標(biāo)（如輸出功率、效率等）的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)變流器工作在額定負(fù)載時，散熱效果較好；而在低速或零速狀態(tài)下，由于存在較大的開關(guān)損耗且難以及時散出去，容易導(dǎo)致局部熱點問題，需要采取相應(yīng)措施加以改善。因此，針對具體應(yīng)用環(huán)境中可能出現(xiàn)的各種異常情況，有必要開展更加深入細致的可靠性評估工作，以保證風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行。