重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室的研究人員楊珍貴、杜雄等，在2015年第16期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，風(fēng)速的隨機(jī)變化使得風(fēng)電變流器處理變化的功率，導(dǎo)致器件的溫度產(chǎn)生波動，影響變流器的可靠運行?，F(xiàn)有的基于一個工作狀態(tài)下的風(fēng)電變流器可靠性評估，無法反映負(fù)載隨機(jī)變化造成器件溫度波動對變流器可靠性的影響。

功率器件失效的主要形式為鋁鍵合線失效與焊料層疲勞，本文綜合考慮這兩種失效因素，給出了可靠性評估模型和評估方法，分析了開關(guān)頻率、功率因數(shù)及散熱熱阻的變化對風(fēng)電全功率變流器可靠性的影響，并以1MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例結(jié)合實際的風(fēng)速及氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。

實例結(jié)果表明，開關(guān)頻率與散熱熱阻的變化對變流器可靠性的影響比較大。根據(jù)分析結(jié)論，討論了針對風(fēng)電變流器的實際工作環(huán)境，考慮風(fēng)速的概率分布，對利用變頻或變散熱條件的控制措施以提高變流器可靠性的可行性。結(jié)果表明，可通過根據(jù)風(fēng)速等工況來改變開關(guān)頻率和散熱條件來提高變流器的可靠性。

風(fēng)電變流器在全功率風(fēng)電結(jié)構(gòu)中起到解耦及電能轉(zhuǎn)換的作用，將機(jī)側(cè)的變頻輸入轉(zhuǎn)換為網(wǎng)側(cè)的恒頻輸出[1]，是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的核心元件。然而風(fēng)機(jī)的惡劣工作環(huán)境，通常使得風(fēng)電變流器的可靠性相比其他工業(yè)領(lǐng)域里要低[2]。

文獻(xiàn)[2]中，通過對超過6000臺陸地風(fēng)電機(jī)組歷時11年的可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到風(fēng)電機(jī)組中各子系統(tǒng)的失效率如圖1所示。由圖1可知，風(fēng)電變流器失效率非常高，僅次于電氣系統(tǒng)。為了降低運行及維護(hù)成本，亟需對風(fēng)電變流器的可靠性進(jìn)行分析，以提出相應(yīng)的改善措施，確保低成本、長期可靠的運行環(huán)境。

圖1風(fēng)電機(jī)組中各子系統(tǒng)的平均失效率分布

文獻(xiàn)[3]指出，風(fēng)電變流器失效中超過50%的故障是由于功率半導(dǎo)體器件造成，而器件的性能主要與工作溫度、濕度及承受的電應(yīng)力有關(guān)[4,5]，尤其是器件的結(jié)溫及其幅值波動很大程度上決定了它們的失效速率[5]。由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，風(fēng)機(jī)的輸出功率及器件的損耗也跟著發(fā)生相應(yīng)的變化，器件的工作溫度也發(fā)生隨機(jī)波動，以致嚴(yán)重影響了風(fēng)電變流器的可靠運行。

鑒于器件工作溫度對變流器可靠性的重要影響，目前，有諸多文獻(xiàn)基于器件的工作溫度對工業(yè)應(yīng)用中變流器的可靠性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6,7]基于器件結(jié)溫幅值大小評估了不同變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性差異，缺乏考慮器件溫度波動的影響;文獻(xiàn)[8]給出了航空三相功率變流器在一種工作狀態(tài)下的可靠性設(shè)計步驟，卻沒有分析負(fù)載變化造成器件工作溫度波動對變流器可靠性的影響;文獻(xiàn)[9]對小型風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中兩種不同變流器拓?fù)涔ぷ髟陬~定狀態(tài)下的可靠性進(jìn)行比較，缺乏分析風(fēng)速變化造成器件溫度波動對變流器可靠性的影響;文獻(xiàn)[10]分析影響風(fēng)電變流器可靠性的影響因素時，考慮了風(fēng)速變化的影響，而變流器系統(tǒng)參數(shù)的影響卻沒有深入研究。

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)報道，業(yè)界針對變流器可靠性的研究主要是基于設(shè)計初始階段，考慮變流器在一種工作狀態(tài)下的可靠性優(yōu)劣，而對于因風(fēng)速隨機(jī)變化使得風(fēng)電變流器頻繁工作在多種狀態(tài)下的可靠性研究，目前還比較少。

本文以永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PermanentMagnetSynonousGenerator，PMSG)連接著“背靠背”的二電平全功率變流器為例，如圖2所示，結(jié)合實測的風(fēng)速及氣溫數(shù)據(jù)，分析論證了變流器參數(shù)——功率因數(shù)、開關(guān)頻率及散熱熱阻的變化，導(dǎo)致器件工作溫度變化對變流器可靠性的影響。

圖2PMSG風(fēng)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文首先根據(jù)溫度對器件失效的機(jī)理，綜合考慮鋁鍵合線失效和焊料層疲勞兩種失效模式，給出了功率半導(dǎo)體器件的可靠性預(yù)測模型。利用風(fēng)機(jī)輸出功率與變流器中器件損耗及結(jié)溫的關(guān)系，結(jié)合器件的溫度計算，得出變流器可靠性的預(yù)測流程圖。然后以實際風(fēng)速數(shù)據(jù)為例，分析論證了變流器系統(tǒng)參數(shù)對變流器可靠性的影響，并初步討論提高變流器可靠性的措施。

結(jié)論

分別根據(jù)器件溫度幅值及其波動對變流器可靠性的影響機(jī)理，綜合考慮鋁鍵合線失效與焊料層失效，給出了風(fēng)電變流器功率器件的可靠性評估模型。結(jié)合實際的風(fēng)速及氣溫數(shù)據(jù)，分析論證了風(fēng)電變流器的系統(tǒng)參數(shù)——功率因數(shù)、開關(guān)頻率及散熱器熱阻的變化對變流器可靠性的影響。結(jié)果表明，開關(guān)頻率與散熱熱阻對變流器可靠性的影響比較大。

根據(jù)分析結(jié)果，本文初步探討了通過改變開關(guān)頻率以及散熱條件方式來提高可靠性的可行性。分析結(jié)果表明，在低風(fēng)速時增大開關(guān)頻率或降低散熱條件，以降低大的溫度幅值變化，可達(dá)到提高變流器可靠性的目的。同時，在設(shè)置變頻或變散熱條件的切換位置時考慮了風(fēng)速的分布概況以減小切換次數(shù)，從而降低控制方式的切換對系統(tǒng)的影響。對于開關(guān)頻率和散熱條件的優(yōu)化選擇和控制將是下一步的研究重點。