可再生能源发电中功率变流器的可靠性研究

随着可再生能源发电容量占电力系统容量比例的增大，对可再生能源发电系统的可靠性提出了更高的要求，要求其具有和传统水电和火电相近的可靠性。然而由于可再生能源发电输入功率的随机波动和其恶劣的工作环境，导致其中应用的功率变流器处理的功率一直出于变化之中，交变的热和机械应力使其可靠性受到极大影响。..本项目拟从可再生能源发电中变流器设计和运行层面研究提高可靠性的方法。重点研究引入功率波动、气象变化因素的多维多变流器稳定性分析方法及其相关的稳定控制策略；研究变流器端部信息与变流器状态之间的关系，以及基于端部信息的变流器状态监测方法；研究通过对变流器载荷及载荷变化率的控制，以及对散热系统的实时管理，并结合状态检测及降低损耗的各种方法，进行未来高效、可靠变流器系统的综合设计技术。为可再生能源系统变流器的可靠性分析与设计提供理论支撑。

随着新能源发电容量占电力系统容量比例的增大，电力系统对新能源发电的可靠性提出了更高的要求，要求其具有与传统水电和火电相近的可靠性。然而由于新能源发电输入功率的随机波动和其恶劣的工作环境，导致在新能源发电中应用的功率变流器处理的功率一直处于变化之中，交变的电热应力和机械应力使其可靠性受到极大影响。本项目围绕可再生能源发电中功率变流器的稳定性理论与优化控制策略，可靠性状态监测，可靠、高效新能源发电变流器系统的设计技术三个方面展开研究工作，完成的主要工作如下：. 在变流器的稳定性分析与优化控制方面：提出将变流器系统工作点信息引入到系统建模中，得到包含工作点信息的多变量频域模型的总思路。分别针对DC-DC变换器建立低频稳态多变量工程化模型并进行了频域分析；针对三相变流器建立了复系数的多变量频域模型，提出了先确保每个工作点小信号稳定，再确保工作点间跳变稳定的大信号稳定性分析方法；提出了系统工作点区域划分的稳定性分析思想。. 在变流器状态监测方面：从IGBT器件失效机理出发，研制了IGBT加速老化试验平台，探索了可以用于表征IGBT老化状态的特征量。揭示了IGBT模块短路电流、门极信号随器件老化进程的变化规律。根据老化状态特征量的变化规律，相应的提出了基于门极信号短路电流、跨导等特征量的IGBT模块键合线状态监测方法，并在搭建的变流器状态监测实验样机上进行了验证。提出了一种功率器件长期热载荷评估方法，建立了用于评估多时间尺度寿命消耗的寿命模型，对不同时间尺度寿命消耗进行评估，分析了寿命消耗的分布特点。. 可靠、高效新能源发电变流器系统的设计技术研究方面：针对现有在线结温测量问题，提出四种结温估算方法。针对现有热管理方法匮乏的问题，提出了基于电容能量反馈及调节IGBT关断轨迹的热管理方法，从风速概率的角度，提出一种宏观热管理方法。通过确定每种热管理方法的调节范围、优缺点、适用工况，归纳出综合热管理的控制策略。并通过项目研制的综合热管理平台，以风电场实测风速为任务曲线，采用Miner线性累积损伤理论和雨流计数统计法，验证热管理对于延缓变流器疲劳老化速率的有效性。