系统组件根据环境变化,其失效率随时间推移呈现出浴缸曲线,此外,系统可以被看作是可修复。有研究显示,从可靠性角度看,串联系统组件其可靠性是相关。对于功率半导体寿命可以通过把结温看作一个变量建立可靠性模型来作预测计算。JAlossAJRPTT()losP是半导体器件产生功率损耗(包括开通损耗和开关损耗),并且根据.节中功率分析可以发现losP可以用每一个组件来代替。其寿命JTL可以用下式表示:JJTBLTLexp()其中L假定是通常正常测试寿命,KEBA(B波尔兹曼常数,KeVB.),AE是活化能量,假定是.eV这个半导体典型值[]JT是结温变量,可以被表示为:JJTBLTLexp()失效率可以被表示为[]:JTL()总失效率system可以通过局部失效率i通过代数和求得:Niisystem()这样系统故成可用。这些信息有助于确定WECS中最有可能失效子系统,并能够对其及其配置进行优化设计。现在对SWT实效子系统审核已经开始进行。根据荷兰大型风力放电机项目DOWE提供数据,由德国TheScientificMonitoringandEvaluationProgramme(WMEP)[],瑞典Elsfork[]和德国(LWK)Landwirtschaftskammer,Schleswing-Holstein[]公布数据和评价方案展现在图中。该系统机械子系统由齿轮,机械制动器,液压系统,偏航系统枢纽,和刀片/摊位组成传动,同时电气子系统由发电机,传感器等组成。图表明该系统电气子系统。一种完全相反现象是大型风力发电机故障主要是由机械子系统占主导因素,但是事实上,电气和控制系统组成电力电子元件是PCS一个部分,它不仅决定了性能,而且还承担了小型WECS成本主要部分。就整体而言,为了确保系统高可靠性,应该将注意力集中在简单可靠设计小型WECS,确保零件容易保养和维修,以及控制结构低复杂度一遍达到最佳效果。.数学分析为了完成一个设备可靠性分析,对于风力发电机电力电子元件即半导体(二极管,IGBT等)功率损耗进行数学分析是必不可少。功率调节系统损耗很大程度依赖于电压和电流波形。通过电压和电流方程简化解析推导,加上对单个半导体元件分析来确定损耗。本文中损耗计算侧重于半导体器件开通损耗和开关损耗。此后就提出了系统可靠性数学分析。.基于SWTPMG损耗分析对于三相二极管整流桥,功率损耗可以通过计算单个已知电压和电流方程来计算。假定在三相整流桥中电压和电流被平等分配,那么知道一个二极管功率损耗就可以得出所有桥路上二极管损耗。二极管开通损耗用DBdcdP,表达为:dfoDBdcdIVP,()在一个二极管线性损耗模型中,每个二极管开关损耗可以表达为:drefdcdrefdcSRWTDBdcdIIVVEfP,,,()三相二极管整流桥中用DBdtP,表示个二极管总损耗[]DBDBswtDBdcdtDBdswDBdcdDBdtPPPPP,,,,,()升压变换器开通损耗和开关损耗计算是假定一个理想电感输入来计算。对于升压装置,IGBT被打开时间d,而二极管导通时间为(-d)。流过IGBT导通电流dcI就是输入电流,而逆变器输入电流为给定dcIdIIdcdc()二极管和IGBT开通损耗可以通过他们开通电压,电流,开通时间相乘来计算得到[]dIrVIPdcdfdcBCdcdo,()dIrVIPdccecedcBCIGBTcd,()升压变换器电压和电流就是直流环节电压dcV和输入电流dcI。二极管和IGBT在某个特定频率SWf下开关损耗在下式被给出[]drefdcdrefdcSRswBCdswIIVVEfP,,,()IGBTrefdcIGBTrefdcOFFONSWBCIGBTswIIVVEEfP,,,()综合上述()-()可以给出升压变换器总损耗为:BCIGBTSWBCIGBTcdBCdSWBCdcdBCIGBTdtPPPPP,,,,,()大多数工业和民用SWT系统整合了单相逆变器。去除缓冲电路,逆变器包括四个开关器件和四个反并联二极管构成就像图中所示。这样一组二极管和IGBT损耗可以表示如下:omfomdINVdcdIVMIrMP,coscos()omceomceINVIGBTcdIVMIrMP,coscos()在输出电流oi给出条件下,二极管和IGBT开关损耗近似计算方法:IGBTrefOIGBTrefdcOFFONSWINVIGBTSWIIVVEEfP,,,()drefOdrefdcSWINVdSWIIVVfP,,,()通过上述()-()可以计算出逆变器总损耗:INVIGBTSWINVdSWINVIGBTcdINVdcdINVIGBTdtPPPPP,,,,,()以PMG为基础SWT变换阶段功率损耗是:INVIGBTdtBCIGBTdTDBdtPMGtPPPP,,,().基于SETPMG可靠性分析可靠性是一个组件在特定操作条件下实现其预定功能概率统计。对于一个高可靠性系统来说,平均可靠工作时间由一个系统平均无故障时间和更具价值MTBF来衡量。这样,工程师和设计师总是努力设计具有更高MTBF电力电子元件来提高电力电子系统可靠性。本文计算出来平均无故障时间MTBF是在组件级别进行。系统组件根据环境变化,其失效率随时间推移呈现出浴缸曲线,此外,系统可以被看作是可修复。有研究显示,从可靠性角度看,串联系统组件其可靠性是相关。对于功率半导体寿命可以通过把结温看作一个变量建立可靠性模型来作预测计算。JAlossAJRPTT()losP是半导体器件产生功率损耗(包括开通损耗和开关损耗),并且根据.节中功率分析可以发现losP可以用每一个组件来代替。其寿命JTL可以用下式表示:JJTBLTLexp()其中L假定是通常正常测试寿命,KEBA(B波尔兹曼常数,KeVB.),AE是活化能量,假定是.eV这个半导体典型值[]JT是结温变量,可以被表示为:JJTBLTLexp()失效率可以被表示为[]:JTL()总失效率system可以通过局部失效率i通过代数和求得:Niisystem()这样系统故.Asawhole,thescopeofresearchshouldbeaimedatanoptimumconfigurationthatwillhavelesspowerlosses,highefficiencyaswellaslesscomplexarchitectureandconsequentlywillbemorereliableandlesscostlyduringtheoperation..ConclusionsAbriefreviewofthedistributionoffailuresforSWTsubsystemsispresentedtorecognizethefrequentfailureofsubsystemsofasmallwindturbinesystem.ThereliabilityanalysisofthepowerconditioningsystemforaPMGbasedSWTsystemispresented.Temperatureisusedasacovariateforreliabilityanalysisanditisfoundthatsuchconfigurationsuffersfromlowreliability.TheleastreliablecomponentisidentifiedastheinverterofthepowerconditioningsystemandavariationofoperatingpointonthePCSreliabilityisinvestigated.Ithasbeenconcludedthattoachieveabetterreliability,smallwindturbinesshoulduseagridconnectedconfigurationthatrequiresminimalpowerelectronics.AcknowledgementsTheauthorswouldliketothanktheNationalScienceandEngineeringResearchCouncil(NSERC)Canadaforprovidingfinancialsupportofthisresearch.TheauthorwishtothankMr.F.I.Khan,AssociateProfessor,FacultyofEngineeringandAppliedScienceofMemorialUniversityofNewfoundlandforthesupportheprovidedduringthisresearch.References[]TengNH,KolarikWJ.On/offcyclingundermultiplestresses.IEEETransReliab;():–.[]HirschmannD,TissenD,SchroderS,DeDonckerRW.Reliabilitypredictionforinvertersinhybridelectricalvehicles.IEEETransPowerElectron;():–.[]PregeljA,BegovicM,RohatgiA.ImpactofinverterconfigurationonPVsystemreliabilityandenergyproduction.In:IEEEphotovoltaicspecialistsconference,NewOrliens,Louisiana;.[]JulianAL,OritiG.Acomparisonofredundantinvertertopologiestoimprovevoltagesourceinverterreliability.IEEETransIndApplicat;():–.[]RistowA,BegovicM,PregeljA,RohatgiA.Developmentofamethodologyforimprovingphotovoltaicinverterreliability.IEEETransIndElectron;():–.[]AtenM,TowersG,WhitleyC,WheelerP,ClareJ,BradleyK.Reliabilitycomparisonofmatrixandotherconvertertopologies.IEEETransAerospaceElectronSyst;():–.成可用。这些信息有助于确定WECS中最有可能失效子系统,并能够对其及其配置进行优化设计。现在对SWT实效子系统审核已经开始进行。根据荷兰大型风力放电机项目DOWE提供数据,由德国TheScientificMonitoringandEvaluationProgramme(WMEP)[],瑞典Elsfork[]和德国(LWK)Landwirtschaftskammer,Schleswing-Holstein[]公布数据和评价方案展现在图中。该系统机械子系统由齿轮,机械制动器,液压系统,偏航系统枢纽,和刀片/摊位组成传动,同时电气子系统由发电机,传感器等组成。图表明该系统电气子系统。一种完全相反现象是大型风力发电机故障主要是由机械子系统占主导因素,但是事实上,电气和控制系统组成电力电子元件是PCS一个部分,它不仅决定了性能,而且还承担了小型WECS成本主要部分。就整体而言,为了确保系统高可靠性,中文字毕业设计(论文)外文文献译文及原文学生:学号:院(系):电信学院专业:电气工程及其自动化指导教师:年月日出处:AppliedEnergy,,():-小型网络互联风力发电机功率器件可靠性分析Md.Arifujjaman,M.T.Iqbal,J.E.Quaicoe摘要:基于风力涡轮机小型永磁发电机(PMG)网络互联需要一个功率调节系统,这个系统由桥式整流器,DC-DC变换器和并网逆变器组成。这就提出了可靠性分析,并且要确定这个网络互联功率调节系统中最不可靠部分。可靠性分析是在某一特定风速和最坏配置条件下最高转换损失。分析表明,这些基于风力涡轮机永磁发电机(PMG)功率调节系统可靠性是相当低,它在一年之内降低到初始值。通过对功率调节系统最不可靠组件确定更证实了这一结论。并且可以看出主要是逆变器决定着系统可靠性,DC-DC变换器影响最不显著。可靠性分析表明从功率调节系统可靠性角度来看,基于风能变换系统永磁发电机并不是最好选择,并且需要进一步研究来确定小型风力发电机变换系统可靠电力电子配置。关键词:可再生能源,风能,电力电子,并网逆变器,永磁发电机,小型风力发电机,开关损耗,可靠性,平均故障间隔时间绪论随着并网和离网应用大型风能变换系统广泛应用,小型变换系统也迅速发展。WECS被认为是复杂系统,包括机械子系统(转子,集线器,和变速箱)和电气子系统(转换器/逆变器,整流器,以及控制)和负载。任意一个子系统失败都会造成重大经济损失。如果系统离网造成动力不足将会使问题更加严重。有鉴于此,有必要对小型风能变换系统进行可靠性评估,一遍确定这种配置有效性和可靠性。几乎所有商用小型风力发电机组是根据PMG系统。这个并网永磁发电机功率调节系统需要整流,生涯变换器和一个并网逆变器。操作环境和变量等极大影响了可靠性分析,因此对于他们对系统可靠性影响调查是可取。对于一个机电系统可靠性计算要将电压或电流作为一个变量进行考虑[],但是电力电子元件可靠性要受到温度变化影响[]。对于电力电子遇见可靠性知识是区别不同拓扑关键。然而,最近研究间接证明了逆变器可靠性和先进性而不是功率调节系统。大多数可靠性计算数据来源于用于预测电子设备可靠性军事手册,但是它们却被认为是过时和悲观。一个可比较转换器可靠性分析就是基于Aten等编写军事手册[]。然而由于缺乏环境和当前紧张因素考虑使得计算可靠性价值有了很大限制。Rohouma等提供了一种住各单位计算可靠性方法,这杯认为更加有用,但是他所使用数据来自于制造商,这些数据本身就缺乏可信度,这使得这种方法也缺乏有效证明。事实上,整流器,转换器或逆变器可靠性准确数据对确定总PCS可靠性是很有用,但是一旦通过制造商或者军事手册提供数据使用纯粹统计方法来进行可靠度计算得出计算可靠性就是不能确定[]。这些数据将整流器,转换器和逆变器看做是一个整体系统而忽视了他们在不同用户操作点之间不同,此外,为了满足某些标准整体系统要求,同一系统可能有不同组成部分。虽然PCS中较高级别部件显示出了较低可靠性,反之亦然,较低级别部件显示出较高可靠性,但是影响他们变量是不同,这就有可能在可靠性方面产生出变异。另外,为了优化小型并网风力发电机组PCS性价比,对可靠性进行分析是很有必要[]。对于上述强度分析,本文提出了一种组件级别可靠性计算。这种方法就像通常使用高加速寿命测试程序[]一样将温度看作是一个变量,来获得对一个PCS组件可靠性预测。一个操作点改变也可以在这种方法中被体现,所以对于系统可靠性可以有一个清晰认识。将平均故障间隔时间进行量化是在可靠性研究中普遍使用方法。为了优化设计小型并网风力发电机电力电子接口还要确定一个PCS系统最不可靠组件。本文安排如下:基于小型风力涡轮机并网永磁发电机PCS系统在第节讲述;接下来在第节讲述是SWT公布数据最常见故障组件确定;第节在电力电子技术可靠性分析之后介绍了转换损失数学分析;最后,第节讲述了本研究结果和重要结论。.小型风力发电机并网多年来小型并网风力发电机电力电子技术已经从基于SCRs变换转变为优化AC-DC-AC链。这一变化使得输入电网谐波减少,并且由于数字信号处理器成本降低和象IGBT和MOSFET等新型功率器件出现使得它成为可能。小型风力发电机组设计概念已经从固定速度异步发电机,硬性被动传动系统与变速箱发展为变速永磁发电机,柔性小失速无变速箱系统。图常用小型并网永磁风力发电机组电路结构。这种电路结构需要相整流桥,升压转换器和一个并网逆变器。升压变换器提供了逆变器所需要直流环节电压。通过对升压变换器或者逆变器控制,确保最佳功率,高转换效率和整机变速操作。但是此结构缺点是通过逆变器来实现并网,但是这种风力发电中使用逆变器主要是在光伏发电中使用,可靠性不能确定,并且早起研究也是从几个主要方面来增加其可靠性。在低水平可靠性主导因素是由于电流流动时功率开关开关引起功率损耗产生热量,减小热量产生就能显著提高可靠性。另外,逆变器中风扇寿命有限也需要加以注意[]。然而,也有其他方面(如湿度,模块化和包装等)也需要加以注意,不断创新而不是仅仅局限于本研究。.小型风力发电机系统失效模型长期野外数据对于技术和经济性能评价是很重要。由于世界各地显著(和日益增长)一些不同年限,类型和位置风力涡轮机存在,这些长期记录得来实效数据和可靠性数据都是现成可用。这些信息有助于确定WECS中最有可能失效子系统,并能够对其及其配置进行优化设计。现在对SWT实效子系统审核已经开始进行。根据荷兰大型风力放电机项目DOWE提供数据,由德国TheScientificMonitoringandEvaluationProgramme(WMEP)[],瑞典Elsfork[]和德国(LWK)Landwirtschaftskammer,Schleswing-Holstein[]公布数据和评价方案展现在图中。该系统机械子系统由齿轮,机械制动器,液压系统,偏航系统枢纽,和刀片/摊位组成传动,同时电气子系统由发电机,传感器等组成。图表明该系统电气子系统。一种完全相反现象是大型风力发电机故障主要是由机械子系统占主导因素,但是事实上,电气和控制系统组成电力电子元件是PCS一个部分,它不仅决定了性能,而且还承担了小型WECS成本主要部分。就整体而言,为了确保系统高可靠性,应该将注意力集中在简单可靠设计小型WECS,确保零件容易保养和维修,以及控制结构低复杂度一遍达到最佳效果。.数学分析为了完成一个设备可靠性分析,对于风力发电机电力电子元件即半导体(二极管,IGBT等)功率损耗进行数学分析是必不可少。功率调节系统损耗很大程度依赖于电压和电流波形。通过电压和电流方程简化解析推导,加上对单个半导体元件分析来确定损耗。本文中损耗计算侧重于半导体器件开通损耗和开关损耗。此后就提出了系统可靠性数学分析。.基于SWTPMG损耗分析对于三相二极管整流桥,功率损耗可以通过计算单个已知电压和电流方程来计算。假定在三相整流桥中电压和电流被平等分配,那么知道一个二极管功率损耗就可以得出所有桥路上二极管损耗。二极管开通损耗用DBdcdP,表达为:dfoDBdcdIVP,()在一个二极管线性损耗模型中,每个二极管开关损耗可以表达为:drefdcdrefdcSRWTDBdcdIIVVEfP,,,()三相二极管整流桥中用DBdtP,表示个二极管总损耗[]DBDBswtDBdcdtDBdswDBdcdDBdtPPPPP,,,,,()升压变换器开通损耗和开关损耗计算是假定一个理想电感输入来计算。对于升压装置,IGBT被打开时间d,而二极管导通时间为(-d)。流过IGBT导通电流dcI就是输入电流,而逆变器输入电流为给定dcIdIIdcdc()二极管和IGBT开通损耗可以通过他们开通电压,电流,开通时间相乘来计算得到[]dIrVIPdcdfdcBCdcdo,()dIrVIPdccecedcBCIGBTcd,()升压变换器电压和电流就是直流环节电压dcV和输入电流dcI。二极管和IGBT在某个特定频率SWf下开关损耗在下式被给出[]drefdcdrefdcSRswBCdswIIVVEfP,,,()IGBTrefdcIGBTrefdcOFFONSWBCIGBTswIIVVEEfP,,,()综合上述()-()可以给出升压变换器总损耗为:BCIGBTSWBCIGBTcdBCdSWBCdcdBCIGBTdtPPPPP,,,,,()大多数工业和民用SWT系统整合了单相逆变器。去除缓冲电路,逆变器包括四个开关器件和四个反并联二极管构成就像图中所示。这样一组二极管和IGBT损耗可以表示如下:omfomdINVdcdIVMIrMP,coscos()omceomceINVIGBTcdIVMIrMP,coscos()在输出电流oi给出条件下,二极管和IGBT开关损耗近似计算方法:IGBTrefOIGBTrefdcOFFONSWINVIGBTSWIIVVEEfP,,,()drefOdrefdcSWINVdSWIIV 中文5188字毕业设计(论文)外文文献译文及原文学生:学号:院(系):电信学院专业:电气工程及其自动化指导教师:2009年6月10日1出处:AppliedEnergy,2009,86(9):1617-1623小型网络互联风力发电机功率器件可靠性分析Md.Arifujjaman,M.T.Iqbal,J.E.Quaicoe摘要:基于风力涡轮机的小型永磁发电机(PMG)的网络互联需要一个功率调节系统,这个系统由桥式整流器,DC-DC变换器和并网逆变器组成。
这就提出了可靠性分析,并且要确定这个网络互联的功率调节系统中最不可靠的部分。
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