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考虑光伏电源可靠性的配电网无功电压调控策略

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高电压技术 2023年第7期49卷 2775-2784页

作者：张波高远王磊李铁成河北省分布式储能与微网重点实验室(华北电力大学) 保定071003 国网河北省电力有限公司电力科学研究院石家庄050021

光伏电源主动参与配电网无功调控会增大光伏逆变器输出电流,导致绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)最大结温升高、结温波动加剧,严重影响光伏电源的可靠运行。为了实现光伏电源无功主动支撑,同时保证光伏电... 详细信息

光伏电源主动参与配电网无功调控会增大光伏逆变器输出电流,导致绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)最大结温升高、结温波动加剧,严重影响光伏电源的可靠运行。为了实现光伏电源无功主动支撑,同时保证光伏电源可靠运行,提出考虑光伏电源可靠性的配电网无功电压调控策略,采用基于任务剖面的igbt可靠性评估方法,实现光伏逆变器中igbt可靠性的量化评估;考虑分布式光伏电源无功支撑能力,建立基于igbt最大结温、配电网网损、光伏有功削减的有源配电网多目标无功优化模型,通过线性化与二阶锥松弛将非线性非凸模型转化为二阶锥规划模型,实现模型快速求解;利用IEEE 33节点典型配电系统与实际配电系统验证了所提策略在提升光伏电源最小寿命、平均寿命、可靠性等方面的有效性。

关键词：光伏逆变器 igbt结温 igbt可靠性无功优化有源配电网

考虑光伏电源可靠性的新能源配电网数据驱动无功电压优化控制

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中国电机工程学报 2023年

作者：张波高远李铁成胡雪凯贾焦心国网河北省电力有限公司电力科学研究院河北省分布式储能与微网重点实验室(华北电力大学)

充分挖掘分布式光伏电源的无功支撑能力，有助于解决光伏高比例接入带来的配电网电压波动、电压越限以及新能源消纳等问题，但光伏电源无功输出会造成其功率器件结温越限或剧烈波动，严重威胁到光伏电源的可靠运行。为此，本文提出考虑... 详细信息

充分挖掘分布式光伏电源的无功支撑能力，有助于解决光伏高比例接入带来的配电网电压波动、电压越限以及新能源消纳等问题，但光伏电源无功输出会造成其功率器件结温越限或剧烈波动，严重威胁到光伏电源的可靠运行。为此，本文提出考虑光伏电源可靠性的新能源配电网数据驱动无功电压优化控制策略。首先提出一种基于数据驱动的光伏电源可靠性评估方法，该方法采用XGBoost机器学习模型计算igbt结温，提高了igbt结温计算效率，避免了评估精度对igbt参数的依赖；进而建立考虑光伏电源可靠性的配电网无功电压优化模型，将igbt结温均值和结温波动引入模型优化目标；然后将该模型进行马尔可夫决策过程转化，并基于深度确定性策略梯度强化学习算法完成智能体训练；最后通过IEEE 33节点系统验证了所提策略在无功电压快速优化和光伏电源可靠性提升方面的优势。

关键词：配电网 igbt可靠性无功电压优化马尔可夫决策过程强化学习

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基于状态反馈线性化的igbt外部热管理

电工技术学报 2021年第8期36卷 1636-1645页

作者：孙林孙鹏菊罗全明王绪龙周雒维输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400044

绝缘栅双极型晶体管(igbt)的热管理技术能降低其运行时的结温波动,提高器件的可靠性。针对igbt外部热管理系统中的非线性成分,建立系统的仿射非线性模型。通过引入状态反馈线性化方法对其进行线性化,弥补目前igbt热管理控制系统设计中... 详细信息

绝缘栅双极型晶体管(igbt)的热管理技术能降低其运行时的结温波动,提高器件的可靠性。针对igbt外部热管理系统中的非线性成分,建立系统的仿射非线性模型。通过引入状态反馈线性化方法对其进行线性化,弥补目前igbt热管理控制系统设计中缺乏精确数学模型的缺陷。基于线性二次型调节器(LQR)设计一种闭环控制方法,通过调节外部散热条件以平滑igbt运行时由于负载波动导致的低频结温波动。基于Buck电路进行实验,实验证明,所提算法对负载电流在额定值的60%~100%范围内波动时,能够降低约60%的结温波动,提高igbt约69倍的寿命。最后,基于小电流注入法在线测量结温,验证了基于模型计算结温的准确性。

关键词： igbt外部热管理非线性系统状态反馈线性化 igbt可靠性

基于元件和设备的中低压直流配电网可靠性评估

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基于元件和设备的中低压直流配电网可靠性评估

作者：邓帅荣重庆大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的发展和新能源并网的普及,直流配电网将是未来电网的一种重要形态。一方面,现有分布式可再生电源大多以输出直流电为主;另一方面,配网末端的负荷也多采用直流供电。传统交流配电网越来越难以适应电源和负荷侧的变革,... 详细信息

随着电力电子技术的发展和新能源并网的普及,直流配电网将是未来电网的一种重要形态。一方面,现有分布式可再生电源大多以输出直流电为主;另一方面,配网末端的负荷也多采用直流供电。传统交流配电网越来越难以适应电源和负荷侧的变革,直流配电网是未来的发展趋势。以满足用户供电的可靠性和电力公司的经济性为目的,研究直流配电网的可靠性和经济性,对直流配电网的规划和运行具有重要意义。据此,本文以深圳某工业园区直流配电网示范工程为算例,对三种典型拓扑的中低压直流配电网可靠性和经济性进行了研究。主要内容如下:(1)定义了直流配电网节点类型,提出了一种基于负荷等效电导迭代的节点电压法,用于计算直流配电网主网络潮流,为可靠性评估和经济性损耗计算提供潮流依据。以手拉手直流配电网拓扑为例,验证了算法的合理性和有效性。考虑直流配电网的新能源接入,对计及新能源可靠发电的直流配电网系统可靠性指标进行补充,结合传统的电力系统可靠性指标,综合评估直流配电网的可靠性。(2)提出综合考虑元件、设备、系统的直流配电网可靠性评估方法。以直流配电网关键设备的核心元件为切入点,围绕Infineon的绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块,基于Coffin-Manson-Arrheniu和Bayerer寿命模型评估了igbt模块的寿命和故障率。在此基础上建立了换流站、直流变压器、直流断路器等直流配电网关键设备的可靠性模型,结合IEEE Std 493等标准,采用元件计数法预测了关键设备的可靠性参数,为直流配电网可靠性评估提供原始可靠性参数。(3)采用蒙特卡洛法对直流配电网三种典型拓扑的可靠性进行了评估,研究了新能源电源的并网位置、分散性等因素,对直流配电网可靠性的影响;在此基础上计算了三种拓扑的经济性,优化了直流配电网拓扑方案。算例结果表明:三种拓扑中,环网型可靠性水平最高,辐射型最低;新能源并网之后,三种拓扑的可靠性水平都有所改善,其中辐射型提高幅度最大,环网型提高幅度最小,说明了增加电源个数对直流配电网可靠性的改善程度有限;新能源电源分别在中压和低压母线处并网时,新能源电源的可靠性指标差别较大,根据新能源电源的额定电压选择合理的并网位置,可以提高新能源电源发电的可靠性水平;不同拓扑的经济性除了与系统可靠性指标有关之外,由于新能源并网不同程度上改善了直流配电网各拓扑的可靠性,因此对其经济性的影响大小也不同。

关键词：直流配电网 igbt可靠性关键设备建模可靠性评估经济性计算

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直流配电中心关键设备可靠性模型研究

直流配电中心关键设备可靠性模型研究

作者：帅双旭贵州大学

学位级别：硕士

随着新能源战略的稳步推进,大量分布式能源的接入给传统配电网带来了巨大挑战。与此同时,直流输配电技术和电力电子技术的发展使得清洁能源以更加灵活的方式接入电网。本文依托贵州大学城市配电网柔性互联关键设备及技术研究示范工程,... 详细信息

随着新能源战略的稳步推进,大量分布式能源的接入给传统配电网带来了巨大挑战。与此同时,直流输配电技术和电力电子技术的发展使得清洁能源以更加灵活的方式接入电网。本文依托贵州大学城市配电网柔性互联关键设备及技术研究示范工程,以直流配电中心智能配用电关键设备混合MMC换流器和ISOP型直流变压器为对象,开展器件级、子模块和设备级的可靠性模型研究工作。具体研究内容如下:针对器件级可靠性模型研究,本文从igbt模块的拓扑结构和失效机制着手,以焊接式igbt为对象,建立其电热耦合模型,根据示范工程的实测数据计算其瞬时结温,再采用雨流算法提取结温循环信息,并根据Bayerer寿命模型对igbt模块进行寿命预测,得到其可靠性参数。针对子模块可靠性模型研究,本文介绍了应用于直流配电中心关键设备的三种子模块,详细阐述了其拓扑结构和工作原理。根据三种不同类型子模块的拓扑结构建立不计及相关性的可靠性模型,其次使用Gumbel型Copula函数对相同结构和不同结构子模块构成的串联系统建立计及相关性的可靠性模型,再对其进行解耦得到计及相关性的子模块可靠性模型。以直流配电中心关键设备为例,对MMC桥臂和DAB子模块串联系统进行可靠性模型研究,并分析拓扑结构、冗余度、相关系数对可靠性的影响。针对设备级可靠性模型研究,本文在考虑子模块相关性的基础上,采用元件计数法和故障树分析法,根据直流配电中心混合式MMC换流器、ISOP型直流变压器的拓扑结构和冗余设计进行可靠性模型研究,并对其进行可靠性分析。本文从器件级、子模块和设备级对直流配电关键设备进行可靠性模型研究,分别得到了igbt模块寿命预测及可靠性参数、计及相关性的子模块解耦可靠性模型以及设备的可靠性参数。完成器件级、子模块和设备级的可靠性模型研究,可为设备的设计与系统可靠性评估提供参考。

关键词： igbt可靠性子模块相关性 MMC 直流变压器可靠性模型

igbt快速功率循环老化试验装置的研究与设计

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IGBT快速功率循环老化试验装置的研究与设计

作者：刘洪纪重庆大学

学位级别：硕士

igbt器件是功率变流器中故障率最高的部件,其可靠性问题严重制约功率变流器的广泛应用。由于igbt器件的设计寿命一般在20年以上,所以需借助功率循环加速老化试验来加速igbt的老化进程,以期在较短时间内明确igbt失效机理,并发现能反映IGB... 详细信息

igbt器件是功率变流器中故障率最高的部件,其可靠性问题严重制约功率变流器的广泛应用。由于igbt器件的设计寿命一般在20年以上,所以需借助功率循环加速老化试验来加速igbt的老化进程,以期在较短时间内明确igbt失效机理,并发现能反映igbt老化衰退状态的失效预兆特征量和建立寿命评估模型,以便用于后续状态监测、故障诊断和寿命预测等igbt可靠性方面的研究。功率循环加速老化试验的基本原理是使igbt结温在大范围内循环波动,然而,不同控制策略的功率循环老化试验得到的igbt失效机理和失效循环周期相差甚大。另外,由于igbt器件自身存在的差异性,只有通过对比分析大量igbt的老化数据,才可获得准确和通用的试验结论。因此,本文皆在设计一台能满足多种老化控制策略,且可同时老化多个igbt器件的快速功率循环老化试验装置。为实现多个igbt模块同时老化的试验要求,本文提出为每一个串联待老化igbt模块加并联可控开关的老化试验方案。该方案不仅适用于恒定结温波动ΔTj、恒定壳温波动ΔTc、固定导通关断时间和恒定加热电流等控制策略下的功率循环加速老化试验,而且只需一台加热电流源便可同时老化多个igbt模块。文中对每一种控制策略下的试验方案进行了详细的分析,并从主电路电气连接设计、结\壳温测量设计、水冷系统设计等三个方面介绍了老化装置硬件部分的设计实现。主电路能同时老化四个igbt模块,且电气连接部分与水循环部分被支撑板隔开,可避免因漏水造成的电气故障。采用为每个工位配备二位三通电磁水阀的方法,实现了多工位共用一个水泵的水冷系统,有效减小了老化装置体积。为保证老化装置安全可靠运行,文中设计了完善的保护电路。首先从电气连接和水循环系统两方面概况了老化装置运行中可能发生的故障,针对每一种故障确定了相应的保护流程。然后基于老化装置监控系统功能需求和设计原则,设计了由PLC和Win CC上位机组成的二级监控系统;PLC模块化易扩展,编程简单,完全满足老化工位扩展的需求;Win CC上位机界面友好,功能全面,能实时反映老化装置各组成设备当前工作状态。实时采集功率循环老化试验进程中igbt模块的饱和压降和壳温值,证实设计的功率循环加速老化装置能完成恒定结温波动ΔTj、恒定壳温波动ΔTc等功率循环老化试验,且有良好的准确性和稳定性,基本满足设计目标;该加速老化试验装置目前正在同时对四个igbt模块老化,长时间全自动化运行良好。

关键词： igbt可靠性快速功率循环老化试验加速老化试验装置

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基于散热器的igbt外部热管理研究

基于散热器的IGBT外部热管理研究

作者：孙林重庆大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的迅速发展,电力电子装置在各行各业的应用越来越为广泛。在诸多的应用下,电力电子装置的可靠性问题也随之暴露出来。功率半导体器件是电力电子装置中最重要的部件之一,也是失效率较高的元器件。因此,电力电子装置整体... 详细信息

随着电力电子技术的迅速发展,电力电子装置在各行各业的应用越来越为广泛。在诸多的应用下,电力电子装置的可靠性问题也随之暴露出来。功率半导体器件是电力电子装置中最重要的部件之一,也是失效率较高的元器件。因此,电力电子装置整体的可靠性与功率器件的可靠性息息相关,研究如何提高功率器件的可靠性具有较强的实际意义。功率半导体器件的热管理技术以平滑低频结温波动,提高器件可靠性为目的,是热力学和电力电子技术的交叉学科,近年来越来越多的研究学者开始关注这一领域。多数研究的内容集中在基于器件损耗的结温调节方法,但是其他方面的研究则相对较少涉及。本文以引线键合式封装的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt)功率模块为研究对象,从igbt的老化机理和解析寿命模型出发,研究了散热器动态调节性能优化的方法,建立了igbt外部热管理的线性化模型并设计了热管理控制策略。本文所做的主要工作如下:首先,分析了igbt模块的失效机理和可靠性模型,发现结温波动是影响igbt模块寿命的重要因素之一。功率模块的外部热管理技术能够降低结温波动,对提高igbt的的预期寿命具有较大的意义。igbt的结温在线测量较难实现,所以基于igbt的损耗模型和简化的RC热网络模型对结温进行估算。基于一种特殊的电路拓扑结构和开关管控制时序,利用小电流测结温的原理,提出了一种igbt结温在线测量方法。通过将实测结温和模型计算结温的对比,验证了结温计算模型的准确性。其次,针对目前功率器件散热器的设计难以满足igbt外部热管理对散热器的要求,基于数值计算的方法,提出了一种型材风冷散热器的优化方法。与传统散热器设计不同的是,该方法关注如何增大散热器对环境热阻的调节范围和提高动态响应速度而不是仅仅考虑增加散热能力。基于有限元分析工具,验证了数值计算方法的准确性。基于最优化数学方法,得到了散热器动态调节性能的优化方案。最后,研究了igbt模块外部热管理系统的建模方法。对系统的RC热网络列写了状态空间方程,针对模型含有的非线性成分、首次将基于状态反馈的精确线性化的方法引入igbt外部热管理建模中,验证了原系统可线性化的条件,推导了状态反馈矩阵,将原系统的线性化消去。然后基于线性二次型调节器(LQR)设计了igbt热管理的散热器控制算法。所提方法具有一定的泛用性,适用于任何散热功率可调的变流器装置,使得热管理算法的设计不再依靠经验进行,使得热管理系统设计有了模型基础和理论支撑,同时提高了结温闭环控制参数的设计效率。

关键词： igbt可靠性散热器动态性能优化 igbt外部热管理状态反馈线性化

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双馈风机转子侧变流器电热特性分析

新型工业化 2015年第10期5卷 21-26页

作者：王传东向大为王腾同济大学电气与信息工程学院上海201804

双馈风机(DFIG:doubly-fed induction generator)转子侧变流器的电气和热特性直接影响系统运行性能与可靠性。为提高双馈风机的技术经济性能,论文对转子侧变流器的电热运行特性进行了分析。通过仿真和实验研究了系统运行工作点对于发电... 详细信息

双馈风机(DFIG:doubly-fed induction generator)转子侧变流器的电气和热特性直接影响系统运行性能与可靠性。为提高双馈风机的技术经济性能,论文对转子侧变流器的电热运行特性进行了分析。通过仿真和实验研究了系统运行工作点对于发电机PWM谐波以及变流器功率器件结温的影响。研究结果表明:双馈风机运行过程中,PWM谐波与器件结温主要受发电机转差和变流器开关频率的影响。深入理解转子侧变流器的电热特性有助于进一步提高双馈发电机以及转子侧变流器的设计与控制。

关键词：双馈风机 igbt可靠性开关频率 PWM谐波功率器件结温