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风力发电机功率变换器可靠性的趋势与影响因素:深入分析
Trends and Influencing Factors in Power-Converter Reliability of Wind Turbines: A Deepened Analysis
| 作者 | Fraser Anderson · Karoline Pelka · Julia Walgern · Timo Lichtenstein · Katharina Fischer |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 风电变流技术 |
| 技术标签 | 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 风力发电机 变流器系统 故障率 设计因素 环境影响 |
语言:
中文摘要
基于涵盖五大洲陆上和海上风力发电机组超22000运行年的综合实地数据,我们给出了变流器系统主要部件的故障率,研究了其故障行为趋势,并确定了对变流器可靠性有显著影响的设计相关因素和特定场地因素。所有变流器部件均呈现出明显的早期故障行为,随后直接过渡到退化故障。若干设计因素被确定为影响可靠性的重要驱动因素,即变流器的冷却方案、其在风力发电机组内的位置、额定容量以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块制造商。此外,还识别并量化了变流器对平均绝对环境湿度、平均环境温度、安装高度和平均容量系数等环境影响因素的敏感性。
English Abstract
Based on comprehensive field data covering more than 22 000 operating years of onshore and offshore wind turbines on five different continents, we present failure rates for the main components of the converter system, investigate their failure behavior with respect to trends and identify both design-related and site-specific factors having a significant effect on converter reliability. All converter components show prominent early failure behavior followed by a transition straight to degradation failures. Several design factors are identified as significant reliability drivers: Namely the cooling concept of the converter, its position inside the wind turbine, its rated capacity, as well as the IGBT-module manufacturer. In addition, a susceptibility to the environmental influences of mean absolute ambient humidity, mean ambient temperature, installation height and mean capacity factor is identified and quantified.
S
SunView 深度解读
本研究基于22000多台年的全球风电变流器现场运行数据,揭示的可靠性规律对阳光电源的电力电子产品线具有重要借鉴价值。研究发现的"早期失效-退化失效"双峰特征,与我司光伏逆变器和储能变流器的失效模式高度一致,这为优化产品全生命周期管理提供了数据支撑。
从技术迁移角度看,研究识别的四大设计关键因素——冷却方案、设备安装位置、额定容量和IGBT模块供应商选择——直接适用于我司1500V大功率逆变器和液冷储能系统的设计优化。特别是冷却技术的可靠性差异分析,可指导我们在风冷与液冷方案间做出更科学的权衡,这对正在拓展的工商业储能和大型地面电站项目至关重要。研究量化的环境敏感性参数(湿度、温度、海拔、容量因子)为我们的全球化部署策略提供了风险评估工具,尤其是在中东高温、东南亚高湿等极端气候区域的产品定制化设计中价值显著。
该研究的成熟度较高,基于真实运行数据的统计分析方法可直接应用。技术挑战在于风电与光储系统的工况差异:光伏逆变器面临更剧烈的日间功率波动,储能变流器则承受频繁的充放电切换。我们需要建立自有的光储设备失效数据库,结合本研究方法论进行针对性分析。
这为阳光电源带来三大机遇:一是通过供应链优化提升核心器件可靠性;二是开发环境自适应的智能热管理系统;三是建立基于大数据的预测性维护服务平台,将可靠性优势转化为差异化竞争力,支撑公司在全球新能源市场的领先地位。