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基于IGBT的太阳能逆变器可靠性研究及故障停机发电量损失预测

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1 绪言

1.1 概述

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源、研究内容及论文安排

2 光伏系统逆变器的选择及逆变器中IGBT的选择

2.1 太阳能逆变器简介

2.2 逆变器选型

2.3 太阳能逆变器中IGBT的选型

2.4 本章小结

3 太阳能逆变器IGBT热网络的建立和瞬态热阻抗的提取

3.1 IGBT开关损失介绍

3.2 太阳能逆变器全桥PWM逆变中IGBT开关总损失计算

3.3 芯片结温计算

3.4 瞬态热阻抗提取

3.5 本章小结

4 太阳能逆变器IGBT热-电耦合模拟及寿命预测

4.1 IGBT模块热电耦合模拟

4.2 IGBT模块的寿命预测

4.3 本章小结

5 太阳能逆变器故障停机发电量损失预测

5.1 逆变器故障损失发电量预测的意义

5.2 光伏系统发电量预测的方法

5.3 逆变器故障损失发电量预测方法

5.4 逆变器故障损失发电量预测

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 对后续工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录

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摘要

太阳能光伏系统的可靠性对能源转换的稳定性,持续性很重要。而太阳能逆变器作为太阳能光伏系统中的主要部件是系统中可靠性最薄弱的环节。本文围绕太阳能逆变器的可靠性问题,在光伏系统级别和半导体器件级别,综合电学,热学和统计学的研究方法,对逆变器在光伏系统中的作用,失效机理,寿命评估和失效后果进行了基础研究。
  (1)在光伏系统设计层面,根据光伏阵列与逆变器电压,电流以及功率的匹配性,并考虑光伏逆变器的效率曲线特点,系统地分析了选择光伏逆变器的要求和原则,并根据实例作了具体的分析和比较。
  (2)在IGBT半导体开关器件层面,根据IGBT开关功耗能耗理论和IGBT开关失效机理,在建立IGBT模块热网络模型,通过有限元方法,提取了IGBT模块的瞬时热阻抗曲线,并与IGBT产品手册中的数据作了对比,稳态热阻误差为2.86%。
  (3)以得到的IGBT模块瞬时热阻抗参数,依据模块传热网络模型,建立热-电耦合模拟电路,得到 IGBT芯片在周期热损耗载荷条件下的温度分布曲线,并将结果与理论值做对比,偏差小于1.36%,从而验证了模拟电路的正确性。并在此基础上,根据IGBT模块寿命预测模型,对IGBT模块SKM75GB063D(600V/75A)进行了寿命预测。
  (4)最后,从统计学角度出发,以逆变器历史发电量的数据相关性为基础的,通过使用相关性系数在99.9%左右的逆变器作为发电量损失预测,在时间维度为一天和一周的范围上,预测的精确度是适用于工业实际的(时间维度在天和周的平均预测误差在10%和3%以内)。而时间维度为小时的预测精确度不适用于工业实际。

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