一种风力发电系统中机侧IGBT模块的寿命延长方法

一种风力发电系统中机侧igbt模块的寿命延长方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体为一种风力发电系统中机侧igbt模块的寿命延长方法。


背景技术：

2.已有的工业界调查结果表明，igbt模块是风电系统最易发生失效的组件，特别是机侧igbt模块。由于机侧变流器工作频率较低，因此结温波动幅值往往较大，导致机侧igbt模块可靠性相较网侧igbt模块可靠性更低。因此，降低机侧igbt模块的寿命消耗对于提升系统的可靠性具有重要意义。
3.相关加速寿命测试表明，igbt模块预期使用热循环次数随着结温波动的升高而降低，因此采用热管理方法降低结温波动可以提高igbt模块可靠性。然而热管理方法往往带有两面性，以变开关频率方法为例。变开关频率虽可降低结温波动，但是不可避免地会降低变流器效率，增加谐波畸变率。此外，选择越低的结温波动作为控制目标虽可使得寿命消耗降低的越多，但是会导致风电变流器电气性能下降的越多。因此，如何优化热管理的经济效益，选择出机侧igbt模块最优的结温波动控制目标是一个亟需解决的难题。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景提出的技术问题，本发明提出了一种风力发电系统中机侧igbt模块的寿命延长方法。该方法采用热管理效率这一指标来指导结温波动控制目标的选择，从而优化热管理的经济效益。
5.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
6.一种风力发电系统中机侧igbt模块的寿命延长方法，包括以下步骤：
7.结合近段时间的风速和气温得到风电变流器机侧igbt模块的结温任务剖面，找到结温波动的最大值，并将其设为热管理控制目标的上限；
8.将最低环境温度设定为机侧igbt模块的结温下限，根据预先设定的结温波动控制目标计算出结温上限，并将结温上限与不同风速下机侧igbt模块的最高结温进行对比，从而找到需要采取热管理措施的风速区间；
9.统计该风速区间内的风速个数，将其设为预设结温波动控制目标下热管理使用的次数；
10.计算不同结温波动控制目标下机侧igbt模块减少的寿命消耗和热管理使用次数之间的比值，并将其定义为热管理效率；
11.选取热管理效率最大的结温波动作为机侧igbt模块热管理的控制目标。
12.进一步的，根据一整年的风速和气温数据，结合结温数值迭代算法，计算得到机侧igbt模块一整年的结温任务剖面，并基于雨流算法提取出结温波动，找出最大的结温波动作为结温波动控制目标的上限。
13.进一步的，将最低环境温度t
amin
设定为风力发电系统的结温下限，结合预先设定
的结温波动控制目标δt
j,tgt
计算出运行结温上限t
j,usl
，公式如下所示：
14.t
j,usl
＝δt
j,tgt
+t
amin
ꢀꢀ
(1)。
15.进一步的，将运行结温上限与不同风速下机侧igbt模块的最高结温t
jmax
(v)进行对比，当满足以下不等式时，即找到δt
j,tgt
所对应的阈值风速v
th
：
[0016][0017]
进一步的，δt
j,tgt
对应的热管理效率α通过公式(4)获得：
[0018][0019]
其中，δt
j,tgt
为预先设定的结温波动控制目标δt
j,tgt
；n(v》v
th
)为热管理使用次数。
[0020]
进一步的，减少的寿命消耗δcl
igbts
通过以下公式计算得到：
[0021]
δcl
igbts
＝cl
igbts-cl'
igbts
ꢀꢀ
(3)
[0022]
其中cl'
igbts
指代在风速区间v》v
th
将结温控制不超过t
j,usl
情况下，机侧igbt模块的寿命消耗；cl
igbts
则指代未采取热管理措施情况下机侧igbt模块的寿命消耗。
[0023]
进一步的，热管理使用次数n(v》v
th
)通过统计一整年中风速高于v
th
的风速数量得到。
[0024]
有益效果
[0025]
本发明可以优化热管理的经济效益和结温波动控制目标的选择，具体体现在每次采用热管理措施能够降低最多的机侧igbt模块寿命消耗。
附图说明
[0026]
图1为所提技术方案流程图；
[0027]
图2为机侧igbt模块的结温波动；
[0028]
图3为最高结温和风速之间关系。
具体实施方式
[0029]
实施例1
[0030]
一种风力发电系统中机侧igbt模块的寿命延长方法，该方法主要通过热管理效率来选择结温波动控制目标，具体包括以下步骤：
[0031]
步骤一：结温波动控制目标的上限
[0032]
首先根据一整年的风速和气温数据，结合结温数值迭代算法，计算得到机侧igbt模块一整年的结温任务剖面，并基于雨流算法提取出结温波动，找出最大的结温波动作为结温波动控制目标的上限。
[0033]
步骤二：预设结温波动控制目标对应的阈值风速
[0034]
将最低环境温度t
amin
设定为风力发电系统的结温下限，结合预先设定的结温波动控制目标δt
j,tgt
计算出运行结温上限t
j,usl
，公式如下所示：
[0035]
t
j,usl
＝δt
j,tgt
+t
amin
ꢀꢀ
(1)
[0036]
然后将运行结温上限与不同风速下机侧igbt模块的最高结温t
jmax
(v)进行对比，
当满足以下不等式时，即找到δt
j,tgt
所对应的阈值风速v
th
。
[0037][0038]
步骤三：不同结温波动控制目标下的热管理效率
[0039]
计算不同结温波动控制目标下机侧igbt模块减少的寿命消耗和热管理使用次数之间的比值。其中减少的寿命消耗δcl
igbts
可通过以下公式计算得到：
[0040]
δcl
igbts
＝cl
igbts-cl'
igbts
ꢀꢀ
(3)
[0041]
其中cl'
igbts
指代在风速区间v》v
th
将结温控制不超过t
j,usl
情况下，机侧igbt模块的寿命消耗。cl
igbts
则指代未采取热管理措施情况下机侧igbt模块的寿命消耗。热管理使用次数n(v》v
th
)则是通过统计一整年中风速高于v
th
的风速数量得到。基于上述计算结果，δt
j,tgt
对应的热管理效率α可通过公式(4)获得：
[0042][0043]
其中，δt
j,tgt
为预先设定的结温波动控制目标δt
j,tgt
；δcl
igbts
为减少的寿命消耗；n(v》v
th
)为热管理使用次数。
[0044]
选取α最大时的δt
j,tgt
作为结温波动的控制目标，此时意味着每次采用热管理措施能够降低最多的机侧igbt模块寿命消耗。
[0045]
本发明方法将热管理效率作为选择结温波动控制目标的量化指标，当热管理效率为最大值时候，选择相应的预设结温波动为机侧igbt模块热管理的控制目标。
[0046]
本发明所述方法首先结合一整年的风速和气温得到风电变流器机侧igbt模块的结温任务剖面，找到结温波动的最大值，并将其设为热管理控制目标的上限。然后，将最低环境温度设定为机侧igbt模块的结温下限，根据预先设定的结温波动控制目标计算出结温上限，并将结温上限与不同风速下机侧igbt模块的最高结温进行对比，从而找到需要采取热管理措施的风速区间。统计该风速区间内的风速个数，将其设为预设结温波动控制目标下热管理使用的次数。接着，计算不同结温波动控制目标下机侧igbt模块减少的寿命消耗和热管理使用次数之间的比值，并将其定义为热管理效率。最后，选取热管理效率最大的结温波动作为机侧igbt模块热管理的控制目标。与以往方法相比，该方法不仅优化了机侧igbt模块结温波动控制目标的选择，而且大大提升了热管理的经济效益。
[0047]
实施例2
[0048]
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明，图1为方案流程图。
[0049]
以马林角地区2017年一整年的风速和气温数据为例，基于结温数值迭代算法和雨流算法，提取出风力发电系统机侧igbt模块的结温波动，如图2所示，其中最大结温波动为144.64℃。
[0050]
接着，以结温波动控制目标δt
j,tgt
等于144℃为例，通过以下公式获得相应的结温上限t
j,usl
＝137.35℃：
[0051]
t
j,usl
＝δt
j,tgt
+t
amin
ꢀꢀ
(1)
[0052]
t
amin
＝-6.65℃为一整年中最低的环境温度。然后基于结温数值算法，计算不同风速下机侧igbt模块的最高结温t
jmax
，如图3所示。
[0053]
进一步结合公式(10)可获得结温波动控制目标为144℃下对应的阈值风速v
th
＝
10.1m/s。
[0054][0055]
最后，基于公式(11)计算得到结温波动控制目标144℃下的热管理效率为1.23
×
10-4
％，这意味着每次使用热管理措施可以降低机侧igbt模块1.23
×
10-4
％的寿命消耗。
[0056][0057]
表1给出了不同结温波动控制目标下的热管理效率。由表1可知，当结温波动控制目标设定为120℃时，热管理效率最大，应选择为控制目标。
[0058]
表1不同结温波动控制目标下的热管理效率
[0059][0060][0061]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。