风电变流器中直流侧电容可靠性评估及其提高措施的研究

摘要

随风电技术的不断发展和风电机组装机容量的快速增长，电力系统对风电机组及其组件的可靠性要求越来越高。电容常被作为储能装置用在风电变流器直流环节中，主要起平衡风机中变流器的交流侧的输出功率和直流侧的输入功率的功率差异，降低变流器的直流侧电路纹波电压的作用。调查结果表明，直流侧电容是风电变流器中的最脆弱元件之一，是影响变流器系统和风电机组可靠性水平的重要因素之一。因此研究直流侧电容的可靠性评估，并在此基础上给出针对性的提高措施，具有重要的意义。本文在分析电容失效机理和电热耦合模型的基础上，建立了基于傅里叶变换的直流侧电容热点温度改进算法，结合电容寿命损耗率的计算方法，提出直流侧电容可靠性评估的改进模型以适用于风电变流器中直流侧电容的可靠性评估。在此基础上，通过分析直流侧电容外部参数和内部参数对直流侧电容寿命损耗的影响，提出更为针对性的提高直流侧电容可靠性的改进措施。论文取得的主要成果如下：
　　①依据电容等效串联电阻的频率特性，结合电容的电热耦和模型，提出基于快速傅里叶变换的电容热点温度计算方法，相比于通过基于时域下纹波电流的均方根值计算电容热点温度的方法，本文提出的计算方法考虑了纹波电流中的高频谐波对电容运行时承受的电热应力影响，通过试验分析验证了基于快速傅里叶变换的电容热点温度计算方法能的准确性，为风电变流器中直流侧电容可靠性评估提供基础。
　　②提出改进的直流侧电容可靠性评估模型，该模型依据直流侧电容工作的实际工况，结合寿命损耗率计算方法，综合反映了风机运行过程中影响直流侧电容可靠性的因素。依据某风电场的实际风速及气温数据，分析了环境温度、风速、变流器开关频率、电容等效串联电阻及热阻等风机参数的变化时，直流侧电容上承受的电热应力的变化情况，进而研究风电机组中参数变化对变流器直流侧电容可靠性的影响。
　　③基于对风机中参数变化对直流侧电容可靠性的影响，提出通过改进直流侧电容外部参数设计、改进直流侧电容内部参数设计和改进直流侧电路的设计等措施，用以降低直流侧电容上承受的电热应力，从而提高直流侧电容可靠性。最后提出兼顾可性和经济性的直流侧电容设计选型策略，为提高直流侧容的可靠性设计水平和和风电变流器的运行可靠性提供参考依据。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 目前研究中存在的不足

1.4 本文的主要研究内容

2 基于快速傅里叶变换的直流侧电容热点温度改进算法

2.1 引言

2.2 电容的失效机理

2.3 变流器直流侧电容的热点温度计算方法

2.4 试验验证

2.5 小结

3 直流侧电容可靠性评估及其影响因素分析

3.1 引言

3.2 直流侧电容可靠性评估

3.3 直流侧电容外部参数变化对其可靠性的影响

3.4 直流侧电容内部参数变化对其可靠性的影响

3.5 小结

4 提高风电变流器直流侧电容可靠性的措施

4.1 引言

4.2 改进直流侧电容外部参数的设计

4.3 改进直流侧电容内部参数的设计

4.4 改进直流侧的设计

4.5 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目