考虑不同时间尺度的风电变流器功率模块可靠性评估模型

考虑到变风速运行下风电变流器功率模块的结温波动既受到风速的影响,同时也存在由换流引起的基频结温波动。为了综合衡量这两个时间尺度下结温波动对变流器可靠性的影响,提出考虑不同时间尺度下结温波动特点的可靠性评估模型。针对受风速影响较大的长时间尺度结温波动,根据FIDES可靠性评估导则,引入热应力因子和温度循环因子对不同风速均值、风速湍流强度运行状态下的可靠性影响进行评估。针对由换流引起的短时间尺度下的基频结温波动,采用多状态概率评估思想将风速大小进行概率划分,并基于功率模块失效机理评估不同风速对功率模块故障率的贡献。最后,以某风场变流器为例,对其可靠性进行评估,并分析设计参数对可靠性的影响。文中结论对于制定检修计划,提高功率模块设计可靠度提供了依据。     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

功率变流器的可靠性研究现状及展望

可再生能源并网发电技术的迅速发展,对功率变流装置的可靠性提出了更高要求。工业界的调查表明,可再生能源发电系统的故障很大一部分原因可归咎于变流装置的故障,而功率器件的失效是主要诱因。研究功率器件可靠性是提高变流器可靠性的基础,对延长设备的使用寿命具有重要意义。围绕功率变流器的可靠性问题,从变流器的工作特点出发分析了导致其可靠性不高的主要原因。首先阐述了功率器件在工作中的主要失效机理;为防止损坏设备的故障发生,需要实时监测变流器的健康状态及评估装置的可靠性,文章总结了功率器件的状态监测方法及寿命预测技术;为提高变流器的运行可靠性,提出了变流器状态控制的概念,对各种状态控制方法进行了分类介绍,并分析总结了现有状态监测方法、寿命预测模型及状态控制方法的优缺点,最后根据这些优缺点对功率变流器可靠性研究进行了展望。     

考虑基频结温波动的风电变流器可靠性评估

目前风电变流器可靠性评估,无法在考虑实际风速、气温等外部环境长期随机变化的情况下考虑基频结温波动对变流器可靠性的影响。文中提出一种结温迭代算法,可以快速数值计算出功率模块结温。该方法与结温电热仿真方法相比,在保证计算精度的同时能大大缩短计算时间。文中以1.2MW直驱风力发电系统为例,利用提出的结温数值计算方法并结合实际风速和气温数据快速计算整年器件结温,采用Bayerer寿命模型和线性累计损伤理论实现了计入基频结温波动的风电变流器可靠性评估。最后还对可靠性计算结果进行了验证,对比分析了机侧和网侧变流器的可靠性差异、低频和基频结温波动对变流器可靠性的影响。结果表明,大功率直驱风力发电系统,机侧变流器可靠性问题更为严重,且基频结温波动对变流器可靠性的影响不容忽视。     

计及疲劳损伤的多时间尺度风电变流器IGBT可靠性评估

现有的风电变流器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性评估方法在计及疲劳损伤时无法兼顾计算效率与准确度,为此提出了一种多时间尺度可靠性评估算法.首先,基于监测控制和数据采集(SCADA)数据建立风速的威布尔概率分布模型,依据风电变流器拓扑结构推导IGBT模块的电热耦合模型,并引入了常用的寿命预测模型;其次,对风电变流器...     

基于PXI技术的全功率风电变流器监测系统

在风力发电并网全功率变流器的研发过程中,为了测试和验证变流器的运行性能,需要一个变流器监测系统,不仅能够满足大量通道的高速数据采集,同时还要具有故障报警、录波、以及数据分析的能力。提出了并实现了一种基于PXI技术的3 MW全功率变流器监测系统以满足上述的要求。详细描述了监测系统软硬件的实现方法,并且给出了大数据量监测系统的实时性问题的软件解决方法。在最后,给出了监测系统在3 MW变流器实际调试过程中捕捉并记录下变流器故障的实例,表明了所提出的变流器监测系统的实效性。     

考虑气象影响的电力系统运行可靠性评估

气象因素会对线路运行温度产生影响,而线路运行温度与线路的阻抗以及故障停运率等参数密切相关,现有研究在进行系统运行可靠性评估时未充分考虑气象因素对线路多参数的影响。为此,文中首先以气象相依的输电线路热平衡方程为基础,研究考虑气象因素的线路温度计算方法和气象条件相依的输电线路实时容量模型,在此基础上建立导线温度相依的线路阻抗参数模型和线路实时停运模型。然后,提出一种基于蒙特卡洛模拟的考虑气象因素的电力系统运行可靠性评估方法。最后,以IEEE 14和IEEE RTS96节点修改系统为例,分析气象因素对输电线路实时参数容量、温度、阻抗、故障率等以及电力系统运行可靠性指标的影响,算例结果验证了所提出的考虑气象因素的线路运行可靠性模型和系统运行可靠性评估方法的正确性。     

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。     

风速记录差异对评估风电变流器可靠性的影响

风速的随机变化使得风电变流器中器件的结温产生波动,影响变流器的可靠运行。现有文献依据每小时的风速记录来评估风电变流器的可靠性,忽略了每小时内风速的频繁变化对变流器可靠性的影响,这会高估风电变流器的可靠性。根据实际的风速及气温数据,分析了不同风速记录时间刻度对风电变流器中器件结温及其波动计算结果的影响;利用Coffin-Manson器件可靠性评估模型评估了在不同时间刻度下的可靠性。评估结果表明,在不同风速记录间隔下,风电变流器的可靠性并不一致。研究结果表明,当风速及气温数据的记录时间间隔在2~3 min之间,风电变流器可靠性的评估结果较为准确;若记录时间间隔较长(如大于10 min),将会高估变流器的可靠性。     

考虑风机排序的风电集群分层有功控制策略

随着我国风电的迅速发展,风电场有功调控趋于集群化。为合理调控风电集群有功功率、提高风电消纳量、减少风电机组调控次数,文中提出考虑风机排序控制的风电集群分层有功控制策略。根据风电场所在区域不同并结合超短期风电功率预测,将风电集群分为场群层、风电场层、机组层3个控制层。场群层和风电场层通过不同时间尺度的滚动优化提高风电消纳量;机组层通过选取影响风机调控能力的评价指标,结合熵值法与隶属度函数,计算并排序各机组调控能力评分,通过机组的排序控制减少风机调控次数。基于GAMS及Matlab平台对山西电网实际风电场数据进行分析,结果表明所提控制策略在提高风电消纳量的同时减少了风机调控次数。     

Reliability centered planning for distributed generation considering wind power volatility

This paper investigates a stochastic planning model to minimize the lifecycle cost of distributed generation (DG) systems under the energy reliability criterion, namely the loss-of-load probability. In particular, our study focuses on the DG system penetrated by renewable wind technology. The optimization is formulated to determine the wind turbine capacity and their placement in the DG system with the intent to minimize the capital, operational and environmental costs. Statistical moments including mean and variance are utilized to characterize the wind power volatility and the load uncertainty. Genetic algorithm combined with heuristic search is used to find the best sitting and sizing of the distributed energy recourses. Our study is among the first attempts in the literature to model and optimize DG system based on continuous probabilistic theory. The moment methods are shown to be effective in characterizing the stochastic behavior of wind power and load dynamics. Case studies are provided to demonstrate the application and performance of the planning method.     

计及运行风险和备用可用性的含风电系统两阶段优化调度

针对风电和负荷的不确定性对系统日前调度的影响,提出一种计及运行风险和备用可用性的日前两阶段优化调度方法。首先,考虑风电和负荷的不确定性及容许误差区间,利用条件风险价值(Conditional Value-at Risk, CVaR)度量系统调度运行风险。然后,建立日前两阶段优化调度模型。其中第一阶段优化模型以包含风险成本的系统运行成本最小为目标函数,优化制定有功调度及备用计划,保证系统运行经济性。基于第一阶段优化结果生成极限潮流场景集,第二阶段优化模型校验极限场景下的备用可用性并将结果反馈至第一阶段模型,确保系统运行鲁棒性,并提出迭代求解算法。最后,以IEEE39 节点系统和实际区域电网为算例验证了该方法的可行性和有效性。     

结合有源阻尼的风电变流器改进线性自抗扰控制

为提高风电变流器网侧的稳定性,解决负载波动时变流器并网接口的谐波和谐振问题。提出了一种改进的有源阻尼线性自抗扰控制(ADLADRC)策略。首先建立LCL型变流器数学模型,分析传统三阶自抗扰控制器原理。在此基础上,为提高传统观测器的观测能力,设计了在观测器总扰动通道上串联滤波器的改进自抗扰控制,并引入有源阻尼与其结合完成改进ADLADRC控制策略设计。然后通过频域分析法对改进ADLADRC下变流器系统进行频率特性分析可知,改进ADLADRC控制具有更好的并网稳定性和谐波谐振抑制力。最后,通过仿真对比所提控制策略与传统LADRC、传统PI控制下的并网点电流波形。仿真结果显示稳态条件改进ADLADRC满载谐波率相比PI的2.89%降为0.39%和半载谐波率相比PI的7.64%降为0.60%,表明所提控制策略不仅有更好的并网稳定性,还有在负载波动时快速的动态响应和谐波抑制力。     

Reliability evaluation considering customized power quality supply in FRIENDS

The authors have proposed a Flexible, Reliable and Intelligent ENergy Delivery System (called “FRIENDS”), which is a new concept for a future power distribution system. One of the most important feature of FRIENDS is to be able to manage the reliability of power supply. In this paper, FRIENDS and a conventional distribution system are compared quantitatively as to supply reliability and cost through time sequential Monte Carlo simulation. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 151(4): 25–35, 2005; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20053     

考虑极端天气冲击过程的风电机组竞争失效可靠性评估

针对风电机组的运行可靠性易受极端天气影响的问题,提出了一种考虑极端天气冲击过程的风电机组竞争失效可靠性评估方法。同时考虑风电机组自然退化、极端天气冲击导致的瞬时退化以及极端天气持续过程产生的加速退化,构建极端天气下的风电机组综合退化模型;考虑风电机组退化过程对其耐冲击性能的影响,建立风电机组竞争失效可靠度模型以评估风电机组可靠性;基于我国北方某风电场工程数据和极端天气历史数据评估了某2 MW风电机组的可靠性并进行了参数灵敏度分析。结果显示,到第5年时,仅考虑自然退化的方法评估风电机组可靠度为0.84,而考虑极端天气冲击过程的方法评估风电机组可靠度为0.178,后者更加符合工程实际。通过模型参数的灵敏度分析发现,运行时间超过3年后,退化失效开始逐渐影响风电机组的可靠性。     

Reliability/cost evaluation of a wind power delivery system

When the geographical locations with good wind resources are not close to the main load centers, it becomes extremely important to assess adequate transmission facility to deliver wind power to the power grid. A probabilistic method is presented to evaluate the contribution of a wind power delivery system to the overall system reliability. The basic model incorporates transmission line connecting a remotely located large wind farm to a conventional grid system. The classical generation system adequacy evaluation model is extended to incorporate limited transmission system. The mean Capacity Outage Probability Table (mean-COPT) concept is used to increase the computational efficiency as it allows determination of EUE (expected unserved energy) and LOLE (loss of load expectation) simultaneously in calculation of reliability indices of the generating system. The wind farm generation model is obtained by superimposing simulated wind speed, obtained from developed ARMA time series model, on power curve of WTG. An apportioning method has been used to reduce the number of states in the resulting model, obtaining an equivalent reduced 5-state model. Applying transmission line constraints result in wind generation model ranging from 2- to 5-state models. The study recognizes benefits from fuel offset by wind power, reliability worth and environmental improvement and determines appropriate transmission line capacity based on its contribution to the overall system risk and associated transmission system cost. The paper illustrates results using a real wind farm. The presented methods and discussions should be useful to power system planners and policy makers.     

风机并网变流器温升分析与控制参数优化

并网变流器作为风电机组的核心部件之一,其故障时间直接影响机组的发电量和度电成本。特别是在风机并网可靠性要求高和工况恶劣环境下,变流器可靠性显得更重要。其中,因变流器温升问题导致的停机故障已经成为影响可靠性的重要因素之一。分析了影响风机并网变流器温升的主要因素,通过优化温升相关的开关频率、发波方式及影响PWM电压波形的吸收电容值大小等主要控制参数,给出了风机并网变流器过温问题的保护与治理措施以及相关参数优化方案,并对选用的1.5 MW双馈风机并网变流器进行了实验对比分析。通过实验数据可以看到,同等条件下变流器的温升会明显降低,实验结果证明了所提方案的有效性。     

广东电网直流换流站站用电源的可靠性评价

在西电东送中,三回直流的电力输送为广东省的经济发展做出了重要贡献.如直流系统因受端换向失败导致直流闭锁,将引发广东电网产生严重的电网事故,而直流换流站站用电源的可靠性将直接影响其换向.比较分析了广东省境内的3座直流换流站站用电源的供电结构、运行特点及其可靠性,并从两级电网结构及电网运行管理的角度分析给出相关评估和建议,对提高直流换流站安全运行的可靠性具有较高的实用价值.