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(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

基于SPWM的直驅風電變流器功率模塊分析

邸強，張新燕，牛盛瑜，張冠琪，劉博文

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

基于新疆地區(qū)特殊的地理環(huán)境造成的風電變流器IGBT功率模塊由于承受劇烈的交變熱應力而失效的情況，以某1.5 MW直驅風電變流器為研究對象，建立了其仿真模型，并推導了網(wǎng)側以及機側變流器功率模塊的損耗和結溫表達式。結合風電場實測風速，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力沖擊情況。研究結果表明網(wǎng)側變流器的IGBT模塊損耗最高，最易損壞。

直驅風力發(fā)電機；IGBT；損耗

0 引 言

風力發(fā)電裝置中，變流器作為風電轉換系統(tǒng)的中樞，是影響機組運行安全和入網(wǎng)穩(wěn)定的關鍵器件，但風電機組變流器不同于普通的電力拖動所用的變流器。由于風速時刻在變化,為了捕獲最大風能,機側變流器的電流電壓以及頻率需要隨風的變化而變動；而為了保證向電網(wǎng)輸送頻率和電壓穩(wěn)定的電能，網(wǎng)側變流器的電流同樣需要隨風的變化而變化。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)?，F(xiàn)有文獻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，精確地估算直驅風電機組變流器功率模塊的損耗，分析其在不同風速下的變化規(guī)律， 對準確評估 IGBT所受熱應力并提高直驅風電變流器的可靠性， 進而保證風電機組安全工作，具有巨大的經(jīng)濟意義。

1 風電變流器IGBT器件結構及損耗結溫計算

1.1 風電變流器 IGBT 模塊結構

近年來，隨著風電機組容量的的迅速擴大，變流器所承受的功率也在倍增。在風電變流器設計中，其功率模塊一般為多個芯片相并聯(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行封裝。圖 1 為某 1.5 MW 直驅變流器IGBT 模塊內(nèi)部等效電路，由3個單元模塊并聯(lián)構成。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)功率損耗兩部分構成，而各元件的損耗又分為通態(tài)損耗和開關損耗兩部分[3]。這些損耗就是IGBT器件結溫的熱源。將以開關周期作為時間單位，建立基于正弦脈寬調制(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功率模塊結構層次

通態(tài)損耗指的是IGBT在導通過程中發(fā)生的耗損[4]。一個IGBT僅在半個周期內(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為導通占空比；RT為模塊電阻；w為角頻率；VT為 IGBT 的導通壓降；φ為實際電流和電壓的初相角；cosφ為負載的功率因數(shù)；ICM為集射極峰值電流；VD為二極管壓降；m為調制比；RD為二極管的導通電阻。

開關損耗由開通損耗以及關斷損耗構成。IGBT 的開關損耗與開關時的電流、 電壓以及結溫有關。其表達式為

(3)

FWD通常采用快速恢復二極管，由于它在關斷時漏電流極小，截止損耗一般忽略不計。所以FWD的開關損耗主要是指反向恢復損耗。其表達式為

(4)

式中：Eon為 IGBT 的開通損耗；Eoff為 IGBT 的關斷損耗；Erec為FWD在反向恢復期間的損耗；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 標稱電壓；Vnom為模塊的額定電壓；Vdc為工作時模塊耐壓；fs為開關頻率。

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(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]，以型號為FZ2400R17HP4_B的功率模塊的IGBT作為研究對象，建立IGBT器件4階熱網(wǎng)絡模型如圖3所示[7]。該模塊的熱抗參數(shù)見表1。

表1 網(wǎng)絡模塊的熱抗參數(shù)

圖3 4階IGBT熱網(wǎng)絡模型

圖4 直驅風電變流器的結溫計算框圖

由圖3可得IGBT模塊結溫：

(8)

式中：P為功率模塊總損耗；Z結-殼為 IGBT 的結 - 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)生的時間；Δt的數(shù)值取 1 /2f；f是變流器當時的輸出頻率[8]。

2 直驅風機變流器IGBT結溫分析

2.1 直驅風電機組變流器功率器件結溫模型

基于上述IGBT模塊損耗計算表達式(1)至式(4)，結合1.5 MW背靠背式直驅風電變流器仿真模型，建立直驅風電變流器的結溫計算框圖，如圖4所示[9]。

根據(jù)圖4可知，直驅風電變流器的IGBT器件結溫計算方法如下：首先，根據(jù)直驅風電系統(tǒng)仿真模型以及廠商提供的變流器參數(shù)，可以分別計算出機側和網(wǎng)側變流器的電流、電壓、相位角、調制度；其次，根據(jù)新疆哈密某風電廠的風速數(shù)據(jù)，計算出風電機組的定子頻率和電流；最后，查詢廠商提供的IGBT模塊的開關頻率fs與變流器額定電流it,根據(jù)結溫計算公式(8)即可算出直驅風電變流器IGBT器件的機側和網(wǎng)側的結溫。

2.2 直驅風電機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背靠背式直驅風機為研究對象，利用上述損耗計算模型，可得新疆哈密某風電廠的1.5 MW直驅風電機組網(wǎng)側和機側變流器IGBT損耗分布圖，如圖5、圖6所示。

圖5 機側變流器損耗

圖6 網(wǎng)側變流器損耗

由圖5可知，隨著風速的增大，機側IGBT和FWD的損耗也逐步升高。此時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機側FWD的通態(tài)損耗大于IGBT的通態(tài)損耗，F(xiàn)WD的開關損耗要大于IGBT的開關損耗。

由圖6可知，隨著風速變大，網(wǎng)側的IGBT及FWD的損耗同樣在逐步上升。而由于電網(wǎng)側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IGBT的通態(tài)損耗大于FWD的通態(tài)損耗，IGBT的開關損耗要大于FWD的開關損耗。

對比圖5和圖6可知，兩側IGBT和FWD的開關損耗都要高于它們的通態(tài)損耗，這是因為風速無時無刻不在變化，它的開關頻率極大。在風速為13 m/s時，所有損耗均達到最大值，此時風速處于額定風速附近。同時可以看出，電網(wǎng)側的IGBT損耗最大，所以它受到的熱應力應該也是最大，最容易損壞。其次是機側的FWD最容易損壞。該風電場的檢修分析也證明了這一點[12]。

2.3 直驅風電機組變流器功率器件結溫分析

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

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

圖7 風速大小

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

圖8 機側變流器的基波頻率

圖9 機側變流器功率器件結溫

圖10 網(wǎng)側變流器功率器件結溫

3 結 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溫的計算表達式，建立了一種直驅變流器損耗計算模型，詳細研究了風速變化時風電機組功率模塊損耗變化的一般規(guī)律。主要結論有：

1)機側功率模塊中FWD的損耗最大，而網(wǎng)側功率模塊中IGBT的損耗最大；

2)在同一風速下，網(wǎng)側的變流器IGBT損耗最大，承擔熱應力最大，最易失效，在檢修維護時需特別注意。

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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

國家自然科學基金資助項目(51667018)

邸 強(1990)，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；

張新燕(1964)，教授，主要研究方向為新能源發(fā)電控制與并網(wǎng)技術；

牛盛瑜(1993)，碩士研究生，研究方向為風機故障診斷；

張冠琪(1992)，碩士研究生，研究方向為風機故障診斷；

劉博文(1990)，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。

2017-07-24)