1、PDF外文：http:/ 中文 5188 字 毕 业 设 计（论 文） 外 文 文 献 译 文 及 原 文 学 生： &nbs
2、p; 学 号： 院 （系）： 电信学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师：
3、 2009 年 6 月 10 日 1 出处 : Applied Energy, 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。
4、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。可靠性分析是在某一特定风速和最坏配置的条件下最高转换损失。分析表明，这些基于风力涡轮机的永磁发电机（ PMG）的功率调节系统的可靠性是相当低的，它在一年之内降低到 初始值的 84%。通过对功率调节系统最不可靠组件的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的可靠性， DC-DC 变换器的影响最不显著。可靠性分析表明从功率调节系统的可靠性角度来看，基于风能变换系统的永磁发电机并不是最好的选择，并且需要进一步的研究来确定小型风力发电机变换系统的可靠的电力电子配置。 关键词： 可再生能源，风能，电
5、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 1 绪论 随着并网和离网应用的大型风能变换系统的广泛应用，小型变换系统也迅速的发展。 WECS 被认为是复杂的系统，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。任意一个子系统的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，一遍确定这种配置的有效性和可靠性。 几乎所有的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的功率调
6、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的影响了可靠性分析，因此对于他们对系统可靠性影响的调查是可取的。对于一个机电系统 的可靠性计算要将电压或电流作为一个变量进行考虑 1，但是电力电子元件的可靠性要受到温度变化的影响 2。对于电力电子遇见可靠性的知识是区别不同拓扑的关键。然而，最近的研究间接的证明了逆变器的可靠性和先进性而不是功率调节系统。大多数可靠性计算的数据来源于用于预测电子设备可靠性的军事手册，但是它们却被认为是过时的和悲观的。一个可比较的转换器的可靠性分析就是基于 Aten 等编写的军事手册 6。然而由于缺乏环境和当前的紧张因素的考虑使得计算的可靠性价值有了很
7、大限制。 Rohouma 等提供了一种住各单位计算可靠性的方 法，这杯认为更加有用，但是他所使用的数据来自于制造商，这些数据本身就缺乏可信度，这使得这种方法也缺乏有效的证明。事实上，整流器，转换器或逆变器可靠性的准确数据对确定总的PCS 可靠性是很有用的，但是一旦通过制造商或者军事手册提供的数据使用纯粹的统计方法来进行可靠度计算得出的计算可靠性就是不能确定的 8。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的用户操作点之间的不同，此外，为了满足某些标准的整体系统的要求，同一系统可能有不同的组成部分。 虽然 PCS 中较高级别的部件显示出了较低的可靠 性，反之
8、亦然，较低级别的部件显示出较高的可 2 靠性，但是影响他们的变量是不同的，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的 PCS 的性价比，对可靠性进行分析是很有必要的 4。对于上述的强度分析，本文提出了一种组件级别的可靠性计算。这种方法就像通常使用的高加速寿命测试程序 5一样将温度看作是一个变量，来获得对一个 PCS 组件的可靠性预测。一个操作点的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的认识。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的方法。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 系统的最不可靠组件
9、。 本文安排如下：基于小型风力涡轮机的并网永磁发电机 PCS 系统在第 2 节讲述；接下来在第 3 节讲述的是 SWT 公布的数据的最常见故障组件的确定；第 4 节在电力电子技术的可靠性分析之后介绍了转换损失的数学分析；最后，第 5 节讲述了本研究的结果和重要的结论。 2.小型风力发电机的并网 多年来小型并网风力发电机的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的谐波减少，并且由于数字信号处理器的成本降低和象 IGBT 和 MOSFET 等新型功率器件的出现使得它成为可能。小型风力发电机组的设计概念已经从固定
10、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 1 常用的小型并网永磁风力发电机组的电路结构。这种电路结构需要 3 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的直流环节电压。通过对升压变换器或者逆变器的控制，确保最佳功率，高转换效率和整机变速操作。但是此结构的缺点是通过逆变器来实现并网，但是这种风力发电中使用的逆变器主要是在光伏发电中使用，可靠性不能确定，并且早起的研究也 是从几个主要的方面来增加其可靠性。在低水平可靠性的主导因素是由于电流流动时功率开关的开关引起的功率损耗产生的热量，减小热量的产生就能显著提高可靠性。另外，逆变
11、器中的风扇寿命有限也需要加以注意 7。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，不断的创新而不是仅仅局限于本研究。 3.小型风力发电机系统的失效模型 长期的野外数据对于技术和经济性能的评价是很重要的。由于世界各地显著的（和日益增长的）一些不同年限，类型和位置的风力涡轮机的存在，这些长期记录得来的实效数据和可靠性数据都是现成可用的。这 些信息有助于确定 WECS 中最有可能失效的子系统，并能够对其及其配置进行优化设计。现在对 SWT 实效子系统的审核已经开始进行。根据荷兰大型风力放电机项目 DOWE 提供的数据，由德国 The Scientific Mo
12、nitoring and Evaluation Programme (WMEP)8,瑞典 Elsfork17和德国（ LWK）Landwirtschaftskammer,Schleswing-Holstein18公布的数据和评价方案展现在图 2 中。该系统的机械子系统由齿轮，机械制动器，液压系统，偏 航系统的枢纽，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 2 表明该系统的电气子系统。一种完全相反的的现象是大型风力发电机的故障主要是由机械子系统占主导因素的，但是事实上，电气和控制系统组成的电力电子元件是 PCS 的一个部分，它不仅决定了性能，而且还承担了小型 WECS 成本的主要部分。就整体而言，为了确保系统的高可靠性，应该将注意力集中在简单可靠设计的小型 WECS，确保零件容易保养和维修，以及控制结构的低复杂度一遍达到最佳效果。
