功率變流器中關鍵器件在線監(jiān)測技術的研究.pdf

1、十三五規(guī)劃提出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體得到改善的目標要求，為解決生態(tài)環(huán)境與能源危機等問題，促進了新能源發(fā)電技術的發(fā)展和應用，尤其以風力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電裝機容量逐年增加。根據(jù)實際工程應用數(shù)據(jù)表明，功率變流器是風力發(fā)電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。作為風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，功率變流器的可靠性直接影響新能源發(fā)電的并網(wǎng)以及大電網(wǎng)的安全運行。
　　功率變流器故障主要由IGBT模塊和直流母線電容老化失效引起的。由于風能的隨機性和不穩(wěn)定性，風電變流器

2、在處理能量的過程中功率器件的結溫會發(fā)生大幅度的波動，再加上IGBT模塊封裝材料熱膨脹系數(shù)差異較大，較高的結溫波動使得IGBT模塊焊料層和鍵合線極易出現(xiàn)老化。在變流器工作過程中，直流母線電容電解液會逐步揮發(fā)，使得母線電容發(fā)生老化。隨著變流器中關鍵器件的老化，風電變流器的可靠性逐漸降低。為避免因IGBT模塊或直流母線電容老化而突然失效給風力發(fā)電系統(tǒng)帶來災難性后果，實時在線監(jiān)測IGBT模塊和直流母線電容的老化特征量，及時發(fā)現(xiàn)并更換健康水平較低

3、的器件，是目前亟待解決的問題。
　　本文提出了一種功率變流器關鍵器件的在線監(jiān)測方法，能同時對IGBT模塊和直流母線電容的健康水平進行在線評估。在變流器正常工作過程中，加入短路測試，在線測試 IGBT模塊的短路電流以及直流母線電容端口電壓的突變量。IGBT模塊的健康水平可以根據(jù)測得的短路電流大小進行判斷；根據(jù)IGBT模塊的短路電流和直流母線電容的端口電壓，可以計算出直流母線電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)，進而在線評估直流母線電容的健康

4、水平。本文的主要工作如下：
　　首先，詳細分析了IGBT模塊和電解電容的老化機理，并提出了IGBT模塊和直流母線電容的狀態(tài)監(jiān)測方法。本文提出了一種基于短路電流的IGBT模塊狀態(tài)監(jiān)測方法，從理論上分析了IGBT模塊鍵合線老化對IGBT短路電流的影響。根據(jù)本文提出的方法，只需監(jiān)測IGBT模塊的短路電流，就可以直接判斷模塊的健康水平而不需要考慮芯片的結溫。同時對電解電容的老化特征量和狀態(tài)監(jiān)測方法進行了詳細的分析。
　　其次，提出了

5、基于短路電流的IGBT模塊及直流母線電容的在線監(jiān)測方法。以短路電流作為IGBT模塊的老化特征量，等效串聯(lián)電阻作為直流母線電容的老化特征量。詳細分析了短路電流及ESR的在線測量方法。在變流器正常工作過程中加入短路測試，使待測IGBT模塊工作在電流飽和狀態(tài)，實現(xiàn)IGBT及直流母線電容的在線監(jiān)測。同時，短路測試對關鍵器件的影響以及對變流器正常工作的影響在本文中進行了詳細的分析。
　　最后，通過實驗驗證了本文提出的在線監(jiān)測方法的正確性。設

6、計了一款用于功率變流器關鍵器件在線監(jiān)測的IGBT驅動電路，該驅動電路能輸出三種不同的電平使變流器中的IGBT可以工作在不同狀態(tài)。利用設計的IGBT驅動電路，在恒溫箱中，對IGBT模塊不同鍵合線老化狀態(tài)、不同芯片結溫時，在不同門極驅動電壓下進行短路測試，并分析IGBT模塊的短路電流與門極驅動電壓、芯片結溫以及鍵合線老化狀態(tài)的關系。并搭建了一套單相逆變器實驗平臺，對IGBT模塊的短路電流以及直流母線電容的ESR進行在線測量。試驗結果與理論分