計及多熱源耦合及熱疲勞影響的風電變流器功率模塊結(jié)溫計算.pdf

1、變流器作為風電機組電能回饋至電網(wǎng)的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，其可靠運行對并網(wǎng)風電機組的電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。電力電子器件及其功率模塊的結(jié)溫是影響變流器運行可靠性的關(guān)鍵因素之一，功率模塊內(nèi)部多芯片熱源耦合及不同壽命時期器件老化和風電機組復雜運行工況等將影響結(jié)溫計算，而準確的結(jié)溫計算又是實現(xiàn)其有效的狀態(tài)監(jiān)測和壽命預測的基礎(chǔ)。因此，本文以實際雙饋風電機組（DFIG）變流器用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊為研究對象，針對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，開

2、展計及多熱源耦合以及不同壽命時期焊層熱疲勞影響的功率模塊結(jié)溫計算方法的研究。
　　本文主要內(nèi)容包括：
　　①針對風電變流器功率模塊內(nèi)部多芯片熱源相互影響，且常規(guī)電熱耦合模型不能有效計算其結(jié)溫的問題，提出一種多芯片功率模塊結(jié)溫計算的耦合熱阻抗模型。首先，采用ANSYS/Workbench有限元軟件建立實際風電變流器功率模塊的三維模型，分析功率模塊內(nèi)多芯片的結(jié)溫分布和穩(wěn)態(tài)熱耦合影響。其次，基于多芯片間熱源耦合影響，構(gòu)建功率模塊的

3、熱阻抗矩陣方程，提出基于耦合熱阻抗矩陣的功率模塊結(jié)溫計算改進模型。最后，與相同損耗下的有限元方法和常規(guī)結(jié)溫模型的結(jié)果進行對比驗證。
　　②為了尋求雙饋風電機組變流器IGBT模塊的結(jié)溫特性及其受熱耦合影響的規(guī)律，在耦合熱阻抗模型分析的基礎(chǔ)上，建立了考慮變流器控制策略和雙饋風電機組運行特性的結(jié)溫計算仿真模型。首先，基于雙饋風電機組的基本原理，在PLECS中建立了雙饋風電機組的動態(tài)模型，并分析其運行特性。其次，依據(jù)多芯片耦合熱阻抗方法，

4、建立雙饋風電機組變流器IGBT模塊的結(jié)溫計算模型。最后，分別對不同運行工況下機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器IGBT模塊的損耗、結(jié)溫及其耦合結(jié)溫進行分析，并和某H93-2MW雙饋風電機組變流器的殼溫實際測試結(jié)果進行比較。
　?、坩槍β誓K內(nèi)焊層疲勞影響其結(jié)溫計算的問題，結(jié)合耦合熱阻抗模型，提出一種計及不同壽命時期影響的IGBT模塊結(jié)溫計算模型。首先，搭建風電變流器功率模塊的焊層熱疲勞三維有限元模型，同時引入焊層脫落度概念，分析不同焊層脫落度下功