計及多熱源耦合及熱疲勞影響的風電變流器功率模塊結溫計算.pdf

1、變流器作為風電機組電能回饋至電網的關鍵控制環(huán)節(jié)，其可靠運行對并網風電機組的電能質量與安全穩(wěn)定性至關重要。電力電子器件及其功率模塊的結溫是影響變流器運行可靠性的關鍵因素之一，功率模塊內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溫計算，而準確的結溫計算又是實現其有效的狀態(tài)監(jiān)測和壽命預測的基礎。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，針對其內部結構和材料參數，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溫計算方法的研究。
　　本文主要內容包括：
　　①針對風電變流器功率模塊內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溫的問題，提出一種多芯片功率模塊結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，分析功率模塊內多芯片的結溫分布和穩(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)結溫模型的結果進行對比驗證。
　?、跒榱藢で箅p饋風電機組變流器IGBT模塊的結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模塊的結溫計算模型。最后，分別對不同運行工況下機側和網側變流器IGBT模塊的損耗、結溫及其耦合結溫進行分析，并和某H93-2MW雙饋風電機組變流器的殼溫實際測試結果進行比較。
　　③針對功率模塊內焊層疲勞影響其結溫計算的問題，結合耦合熱阻抗模型，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