基于热网络参数辨识的变流器热疲劳老化健康状态评估

In the application fields of power electronics, such as renewable energy integration, electrical vehicle, the thermal fatigue introduced by the alternating electrical-thermal stress due to the power fluctuation processed by the power converter results in high faulty ratio and low reliability. Health condition assessment of power converters will prevent the suddenly faulty event to occur and then the reliability will be increased. .This project will focus on the thermal parameter in the aging process and treat it as the main characteristics. The changing law and the parameter recognition method of the thermal network will be studied to evaluate the health condition of power converters in the aging process..The following aspects will be studied in this project. The first one is the electrical-thermal-mechanical mechanism in the power converter’s aging process, the electrical-thermal-mechanical multi-physics coupling model will be set up to identify the thermal parameter (thermal resistance and thermal capacitance) changing law with power converter’s aging procedure. The second one is thermal parameter peudo-online method based on the case temperature measurement in the start and stop period of power converters. The third one is the converter health condition assessment based on the thermal parameters and other related characteristics. The completion of this project may find out a new characteristic for power converter online monitor, and the result will be used for condition prognostic and condition based repair, and provide a new method to improve the reliability of power converters.

在新能源发电、电动汽车等领域中应用的功率变流器，由于其处理功率的波动性，变流器长期承受交变的电热应力而产生热疲劳老化，导致变流器故障率高，可靠性低。对变流器进行健康状态评估可以避免突发故障造成的损失，提高可靠性。本项目拟以变流器热疲劳老化进程中功率半导体器件的热网络参数作为切入点，将热阻和热容作为状态监测的主要特征量，研究热网络参数的变化规律及其准在线辨识和健康状态评估方法。主要研究变流器热疲劳老化进程中的电-热-机相互作用机理，通过建立电-热-机多物理场耦合模型，揭示老化进程中热网络参数（包括热阻和热容）的变化规律；研究在变流器启停机阶段基于功率器件壳温测量的热网络参数准在线辨识方法；研究主要基于辨识出的热网络参数，同时考虑其他特征量的变流器健康状态评估方法。本项目的研究成功，将可能为变流器的状态监测探索出新的特征量，为实现故障预警和基于状态的维修，提高变流器的可靠性提供新的解决方案。

功率变流器广泛应用于涉及国民经济、安全的重要领域，由于其处理功率的波动性、间歇工作状态和工作环境的变化，变流器易发生热疲劳老化，导致可靠性降低。为了实现对变流器热疲劳老化进程的实时监测与可靠性提高，本项目从变流器热疲劳老化进程中热网络参数的变化规律，基于壳温测量的变流器热网络参数准在线辨识方法，和基于热网络参数的健康状态评估等方面开展了研究工作。首先，以变流器热网络参数为切入点，建立电-热-机耦合模型，分析了热疲劳老化进程中多因素相互作用机理；通过温度循环试验和功率循环试验，研究了内部和外部因素造成的温度波动对功率器件热疲劳老化的影响。综合仿真建模与加速老化试验结果，总结了热网络参数在热疲劳老化进程中的变化规律，指出了功率器件的封装薄弱环节，对基于热网络参数进行健康状态评估提供了理论依据。其次，采用电热比拟理论，建立了等效数学模型，研究了变流器启停机工况下外部壳温对内部热网络参数的可观测性，提出了基于壳温的内部热网络参数辨识方法，实现了在变流器停机过程中对热网络参数的准在线辨识，并将该技术成果推广到变流器直流母线电容的状态监测，实现。最后，基于热网络参数在热疲劳老化进程中的变化规律与准在线的参数辨识方法，一方面提出了以热网络自然频率作为全新的特征量，实现对变流器功率器件和散热系统的同步监测，有助于指导计划性维修，降低非计划性停机事故；另一方面以风电变流器为对象，结合结温数值计算方法、Bayerer寿命模型、雨流算法和Miner法则，对功率器件寿命消耗及其特点进行评估，提出了以平滑大幅值低频结温波动的热管理策略，有效降低功率器件寿命消耗，提高变流器可靠性。本项目按原定计划书执行并完成所有研究目标与内容，为综合评估变流器健康状态，实现故障预警和基于状态的维修，提高变流器的可靠性提供技术支撑。

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