CN108399275A - 一种考虑任务剖面的mmc关键器件综合寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，涉及一种MMC关键器件综合寿命预测方法。目前的研究仍缺乏考虑结合实际工况对MMC综合寿命预测模型。本发明包括如下步骤：A：将某供电公司柔直工程中某个换流站一年运行的月数据进行处理，转换为电压电流应力的任务剖面，计算MMC关键器件功率损耗；B：给出MMC关键器件热阻热容网络，根据电热比拟理论，将热运算转化为电运算得到MMC关键器件内部温升；C：将MMC关键器件内部温升代入寿命公式计算分别得到MMC关键器件寿命，最终得到MMC综合寿命。本发明考虑实际运行工况，对MMC关键器件分别进行寿命分析最终得到MMC综合寿命，为提高MMC整体的可靠性提供了参考。

Description

一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种MMC关键器件综合寿命预测方法，尤其涉及一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法。

背景技术

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)是R.Marquardt于2001年提出的新型电压源换流器拓扑结构，凭借其模块化、低谐波含量、低损耗等优势受到广泛关注，在被广泛使用的同时其可靠性成为焦点之一，部分研究通过考虑MMC子模块相关性来提高可靠性，而MMC的寿命预测同样是提高其可靠性、开展相关状态监测的关键技术之一。

IGBT作为MMC的重要组成部分，其内部结温易受功率波动影响导致热循环失效；直流侧的功率解耦电容在使用过程中，由于寄生的等效串联电阻(Equivalent SeriesResistance,ESR)的存在，产生功率损耗最终发热失效。两者的寿命问题为MMC可靠性的关键问题。

IGBT的寿命预测需要重点考虑在实际工况中因温度波动产生热应力导致的热疲劳失效；膜电容其寿命预测采用目前最为普遍的能反应膜电容ESR随温度变化关系的经验寿命模型。

现阶段研究中，对MMC所有易损坏得到器件进行了寿命预测，但其寿命预测方法为基于长期失效概率统计得到的概率模型，没有考虑实际工况，其预测结果可能存在一定的偏差。部分文献虽然考虑实际工况以及温度循环对IGBT开关寿命的影响，但未考虑MMC其他易失效器件的寿命。总而言之，目前的研究仍缺乏考虑结合实际工况对MMC综合寿命预测模型。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，以得到MMC的综合寿命预测，为提高MMC整体的可靠性提供参考的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，包括以下步骤：

1)计算MMC关键器件功率损耗：

101)以MMC模块运行工况作为任务剖面输入，将实际运行数据转换为器件电应力剖面；

102)将电应力任务剖面作为输入，基于损耗计算，获得IGBT导通和开关损耗；

103)电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻而产生，并根据电容电流中包含的工频波动、二倍频的波动，计算电容功率损耗；

2)获得MMC关键器件热阻热容网络，并根据电热比拟理论，将热运算转化为电，运算得到MMC关键器件内部温升；

3)将MMC关键器件内部温升代入寿命公式计算分别得到MMC关键器件寿命，最终得到MMC综合寿命。

作为优选技术手段：

步骤2)的具体步骤为：

201)热阻热容的计算，热阻热容的计算式为：

C_th＝cρdA

式中，d为热传导方向上材料的长度；A为每层的面积；λ为材料的导热系数；c为材料的定压比热容；ρ为材料的密度。

202)器件内部温度计算；器件内部温度来源包括器件的等效热阻R_th,i(℃/W)、热容C_th-jc(J/℃)，环境温度T_amb(℃)以及器件功率损耗P(W)，据电热比拟理论，将IGBT内部温度的热运算转化为由Cauer模型等效的一电流源、电阻，电容并联的一阶电路运算，器件功率损耗作为电流源输入，电阻电容比拟为器件的热阻热容。通过求解一阶电路的微分方程，求得U_C的表达式，所得U_C即为器件内部温度。

203)结温变化计算；器件内部结温达到一定值后在一个小范围内循环波动，其结温上升如下式：

对于散热阶段，结温变化表示为：

作为优选技术手段：在步骤101)中，在MMC模块的电应力计算中做以下假设：

1)计算过程忽略桥臂电流在电抗LC上的压降；

2)假设所有子模块的直流电容电压相同；

3)假设各开关管功率分布均匀；

在MMC的实际应用中的记录数据包括系统有功功率，系统无功功率。

利用有功功率与无功功率可求解得到系统电流，其计算式为：

其中Vv为交流侧额定电压幅值。

求解出单个模块的直流电压V_DC

其中，V_DC0为柔性直流换流阀电压等级，N为一个阀塔子模块个数。

本发明将某供电公司柔直工程中某个换流站一年运行的月数据进行处理，转换为电压电流应力的任务剖面。然后，将电应力任务剖面作为输入，基于损耗计算、电热模型与寿命模型对IGBT和电容进行寿命预测，最终得到MMC综合寿命预测结果。

作为优选技术手段：在步骤102)中，MMC开关管的功率损耗为：

其中，V_T0为开关管的导通压降，R_T为开关管的导通电阻。对上两式求解，得：

其中：

B_T1＝(2-4/k²)/tg(A)+sin(2A)

C_T1＝(k²/2-1)π+(2-k²)A-(2-k²/2)sin(2A)

D_T1＝4/tg(A)(1/k²-1)+3kcos(A)-kcos(3A)/3

B_T2＝4A+2π+(2+4/k²)/tg(A)-sin(2A)

C_T2＝(k²/2+3)π+(6+k²)A-(2+k²/2)sin(2A)

D_T2＝4/tg(A)(1/k²+1)+3kcos(A)-kcos(3A)/3

由此可得MMC一个子模块总体的导通损耗为：

ΔP_MMCcon＝ΔP_T1con+ΔP_T2con

MMC模块中IGBT的开关损耗与桥臂电流i_ARM，子模块电容电压u_cap，开关管开关时间t_sw，开关频率f_sw相关；为了平衡各子模块电压，在每个开关周期内，执行开关动作的子模块数并不是常数。单个开关周期内，执行开关动作的总子模块数定义为平均选择器开关函数nss(t)+1，其中nss(t)的表达式为

进一步，可得到IGBT开关损耗表达式为

作为优选技术手段：在步骤103)中，桥臂电流将通过子模块的开关动作耦合到各子模块的直流侧，并流入到直流电容中，对于桥臂中第i个子模块，电容电流与开关函数的关系为：

i_{cap_i}(t)＝S_i(t)·i_brg(t)

其中，Si为这个子模块的开关函数。当Si＝1时，子模块的上管导通、下管关断；当Si＝0时，子模块的上管关断、下管开通。

上下子模块的平均电容电流表达式为：

表达式中包含了直流分量、基频波动分量和二倍频波动分量。直流分量代表了流入电流的有功功率，稳态运行情况下直流分量应为零。

电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻而产生，电容内部热功率为：

考虑到电容电流既包含有工频的波动，也包含了二倍频的波动，结合电容的频率特性将电容内部热功率进一步描述为：

其中i_ω为基波有效值，i_2ω为二倍频波动有效值，R_ω与R_2ω则为基波与二倍频频率点所对应的ESR值。

有益效果：

1、结合某供电公司实际运行工况，结果更加可靠和精确。

2、分析了影响MMC系统寿命的关键因素，分别对IGBT和电容进行寿命预测，得到综合预测寿命，为提高MMC整体可靠性提供了参考。

附图说明

图1为本发明基于任务剖面的MMC模块关键器件寿命计算流程图；

图2为本发明IGBT整体结构及其材料分布图的示意图；

图3为本发明IGBT的热阻热容网络的示意图；

图4为本发明膜电容的热阻热容网络的示意图；

图5为本发明电热比拟网络的示意图；

图6为本发明IGBT结温变化曲线示意图，其中横轴为时间，纵轴为结温；

图7为本发明IGBT结温循环波动曲线示意图，其中横轴为时间，纵轴为结温。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

图1所示为本发明基于任务剖面的MMC模块关键器件寿命计算流程图，所述方法包括如下步骤：

S1：首先计算MMC关键器件功率损耗；

以某供电公司提供的数据为例，首先将各个站点的月数据，主要包括有功功率P与无功功率Q；根据MMC拓扑结构以及工作的电压等级，得到关键器件电应力参数；根据电应力任务剖面和关键器件本身的参数，可以算出关键器件功率损耗。

所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11：以MMC模块运行工况作为任务剖面输入，将实际运行数据转换为器件电应力剖面。在MMC模块的电应力计算中做如下三点假设：

1)计算过程忽略桥臂电流在电抗LC上的压降；

2)假设所有子模块的直流电容电压相同；

3)假设各开关管功率分布均匀；

在MMC的实际应用中的记录数据包括系统有功功率，系统无功功率。

利用有功功率与无功功率可求解得到系统电流，其计算式如下：

其中Vv为交流侧额定电压幅值。

进一步，可求解出单个模块的直流电压V_DC

V_DC0为某供电公司柔性直流换流阀电压等级，为200KV，N为一个阀塔子模块个数，为270个。

S12：在假设各开关管功率分布均匀的基础上，本节仅对MMC电路中上管的功率损耗进行讨论。MMC开关管的功率损耗可表达为

V_T0为开关管的导通压降，R_T为开关管的导通电阻。通过求解(3)、(4)可得

其中参数可由下式计算

B_T1＝(2-4/k²)/tg(A)+sin(2A)

C_T1＝(k²/2-1)π+(2-k²)A-(2-k²/2)sin(2A)

D_T1＝4/tg(A)(1/k²-1)+3kcos(A)-kcos(3A)/3

B_T2＝4A+2π+(2+4/k²)/tg(A)-sin(2A)

C_T2＝(k²/2+3)π+(6+k²)A-(2+k²/2)sin(2A)

D_T2＝4/tg(A)(1/k²+1)+3kcos(A)-kcos(3A)/3

由此可得MMC一个子模块总体的导通损耗为

ΔP_MMCcon＝ΔP_T1con+ΔP_T2con (7)

MMC模块中IGBT的开关损耗与桥臂电流i_ARM，子模块电容电压u_cap，开关管开关时间t_sw，开关频率f_sw相关。另外，为了平衡各子模块电压，在每个开关周期内，执行开关动作的子模块数并不是常数。文献将单个开关周期内，执行开关动作的总子模块数定义为平均选择器开关函数nss(t)+1，其中nss(t)的表达式为

进一步可得到IGBT开关损耗表达式为

S13：桥臂电流将通过子模块的开关动作耦合到各子模块的直流侧，并流入到直流电容中，对于桥臂中第i个子模块，电容电流与开关函数的关系为：

i_{cap_i}(t)＝S_i(t)·i_brg(t)(11)

其中，Si为这个子模块的开关函数。当Si＝1时，子模块的上管导通、下管关断；当Si＝0时，子模块的上管关断、下管开通。

由上节可知上下子模块的平均电容电流表达式为

直流电容的解析表达式中包含了直流分量、基频波动分量和二倍频波动分量。其中直流分量代表了流入电流的有功功率，稳态运行情况下直流分量应为零。另两项则代表了交流侧电流引起的直流电容电流波动，分别包括工频分量的波动和二倍频的波动。

电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻(Equivalent SeriesResistance，ESR)而产生，其可由下式描述

考虑到电容电流既包含有工频的波动，也包含了二倍频的波动，结合电容的频率特性可将电容内部热功率进一步描述为

其中i_ω为基波有效值，i_2ω为二倍频波动有效值，R_ω与R_2ω则为基波与二倍频频率点所对应的ESR值。

S2:给出MMC关键器件热阻热容网络，根据电热比拟理论，将热运算转化为电运算得到MMC关键器件内部温升；所述步骤S2具体为：

温升为影响MMC模块中器件寿命的关键因素，热阻热容网络为连接电功率与温度之间的桥梁。热阻热容的计算式如下

C_th＝cρdA(17)

式中，d为热传导方向上材料的长度；A为每层的面积；λ为材料的导热系数；c为材料的定压比热容；ρ为材料的密度。

IGBT的整体结构及其材料分布如图2所示，根据图2所示的IGBT结构可建立IGBT的热阻热容网络如图3所示。其中热阻参数考虑45°扩散角，而热容参数则考虑全面积散热。

膜电容为铝基板与电解纸卷绕而成，外壳为金属铝材料，其热阻热容网络相对简单，其热阻热容网络如图4所示。

器件内部温度主要取决于器件的等效热阻R_th,i(℃/W)、热容C_th-jc(J/℃)，环境温度T_amb(℃)以及器件功率损耗P(W)，据电热比拟理论，可将IGBT内部温度的热运算转化为由Cauer模型等效的一电流源、电阻，电容并联的一阶电路运算，器件功率损耗作为电流源输入，电阻电容比拟为器件的热阻热容。通过求解一阶电路的微分方程，可以求得U_C的表达式，由电热比拟理论可知，所得U_C即为器件内部温度，搭建MATLAB仿真平台即可得IGBT结温变化曲线，如图6所示。

器件内部结温达到一定值以后会在一个小范围内循环波动，其结温上升如下式

对于散热阶段，结温变化可以表示为：

结温循环波动，如图7所示

S3：将MMC关键器件内部温升代入寿命公式计算分别得到MMC关键器件寿命，最终得到MMC综合寿命；

MMC模块的寿命既与内部温度有关也与内部温度的变化有关。Coffin-Manson公式为广泛应用的IGBT寿命模型，下式为修正的Coffin-Manson的疲劳模型

式中N_f为疲劳循环数；ε_f疲劳延性系数，其值为0.325，c为疲劳延性指数；Δγ为一个加载循环中总的剪切应变范围。c与Δγ可由下式得到

c＝-0.442-6×10^-4T_s+0.0174ln(1+1/f) (21)

其中T_s为平均的循环温度；f为循环频率；α_PC、α_CC分别为基板和55芯片的热膨胀系数；L为芯片载体的边长；h为黏结层的高度。

将器件内部结温的循环规律进行整理，即可得到IGBT在疲劳循环数下的寿命。其具体计算式如下

其中N_c为循环次数，N_fn为第n次循环的疲劳循环数。

广泛应用于预测电容寿命的模型为：

式中L_x为膜电容寿命，L₀为膜电容工作在最大环境温度与额定电压下的寿命，T_o与T_x分别为膜电容工作的上限温度与环境温度，ΔT为膜电容内部温升，K为由5到12变化的常数，不同的电容生产厂家其膜电容寿命模型对应不同的K值。最终得到MMC子模块中IGBT与膜电容的预测寿命如表1所示

表1 寿命预测结果

本技术方案基于实际工况数据的任务剖面，对MMC的寿命进行了预测，为提高MMC的可靠性提供了参考依据。得出的结论如下：

1、影响MMC中IGBT寿命的主要因素是由电流变化引起的内部结温热循环失效；而影响膜电容寿命的主要原因是其内部等效电阻发热引起的失效。

2、MMC的综合寿命由IGBT与膜电容的预测寿命共同决定，为34.5年，其综合寿命的预测结果符合MMC的实际情况。

3、MMC中IGBT的功率损耗是影响其寿命的主要因素，因此实际运行中需采取电压电流采样、温度检测等手段对IGBT损耗进行实时、有效的监控。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)计算MMC关键器件功率损耗：

101)以MMC模块运行工况作为任务剖面输入，将实际运行数据转换为器件电应力剖面，MMC模块运行工况信息包括有功功率、无功功率；

102)将电应力任务剖面作为输入，基于损耗计算，获得IGBT导通和开关损耗；

103)电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻而产生，并根据电容电流中包含的工频波动、二倍频的波动，计算电容功率损耗；

2)获得MMC关键器件热阻热容网络，并根据电热比拟理论，将热运算转化为电，运算得到MMC关键器件内部温升；

3)将MMC关键器件内部温升代入寿命公式计算分别得到MMC关键器件寿命，最终得到MMC综合寿命。

2.根据权利要求1所述的一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于：步骤2)的具体步骤为：

201)热阻热容的计算，热阻热容的计算式为：

C_th＝cρdA

式中，d为热传导方向上材料的长度；A为每层的面积；λ为材料的导热系数；c为材料的定压比热容；ρ为材料的密度；

202)器件内部温度计算；器件内部温度来源包括器件的等效热阻R_th,i(℃/W)、热容C_th-jc(J/℃)，环境温度T_amb(℃)以及器件功率损耗P(W)，据电热比拟理论，将IGBT内部温度的热运算转化为由Cauer模型等效的一电流源、电阻，电容并联的一阶电路运算，器件功率损耗作为电流源输入，电阻电容比拟为器件的热阻热容；通过求解一阶电路的微分方程，求得U_C的表达式，所得U_C即为器件内部温度；

203)结温变化计算；器件内部结温达到一定值后在一个小范围内循环波动，其结温上升如下式：

对于散热阶段，结温变化表示为：

3.根据权利要求2所述的一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于：在步骤101)中，在MMC模块的电应力计算中做以下假设：

1)计算过程忽略桥臂电流在电抗LC上的压降；

2)假设所有子模块的直流电容电压相同；

3)假设各开关管功率分布均匀；

在MMC的实际应用中的记录数据包括系统有功功率，系统无功功率；

利用有功功率与无功功率可求解得到系统电流，其计算式为：

其中Vv为交流侧额定电压幅值；

求解出单个模块的直流电压V_DC

其中，V_DC0为柔性直流换流阀电压等级，N为一个阀塔子模块个数。

4.根据权利要求3所述的一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于：在步骤102)中，MMC开关管的功率损耗为：

其中，V_T0为开关管的导通压降，R_T为开关管的导通电阻；对上两式求解，得：

其中：

B_T1＝(2-4/k²)/tg(A)+sin(2A)

C_T1＝(k²/2-1)π+(2-k²)A-(2-k²/2)sin(2A)

D_T1＝4/tg(A)(1/k²-1)+3kcos(A)-kcos(3A)/3

B_T2＝4A+2π+(2+4/k²)/tg(A)-sin(2A)

C_T2＝(k²/2+3)π+(6+k²)A-(2+k²/2)sin(2A)

D_T2＝4/tg(A)(1/k²+1)+3kcos(A)-kcos(3A)/3

由此可得MMC一个子模块总体的导通损耗为：

ΔP_MMCcon＝ΔP_T1con+ΔP_T2con

MMC模块中IGBT的开关损耗与桥臂电流i_ARM，子模块电容电压u_cap，开关管开关时间t_sw，开关频率f_sw相关；为了平衡各子模块电压，在每个开关周期内，执行开关动作的子模块数并不是常数；单个开关周期内，执行开关动作的总子模块数定义为平均选择器开关函数nss(t)+1，其中nss(t)的表达式为

进一步，可得到IGBT开关损耗表达式为

5.根据权利要求4所述的一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于：在步骤103)中，桥臂电流将通过子模块的开关动作耦合到各子模块的直流侧，并流入到直流电容中，对于桥臂中第i个子模块，电容电流与开关函数的关系为：

i_{cap_i}(t)＝S_i(t)·i_brg(t)

其中，Si为这个子模块的开关函数；当Si＝1时，子模块的上管导通、下管关断；当Si＝0时，子模块的上管关断、下管开通；

上下子模块的平均电容电流表达式为：

表达式中包含了直流分量、基频波动分量和二倍频波动分量；直流分量代表了流入电流的有功功率，稳态运行情况下直流分量应为零；

电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻而产生，电容内部热功率为：

考虑到电容电流既包含有工频的波动，也包含了二倍频的波动，结合电容的频率特性将电容内部热功率进一步描述为：

其中i_ω为基波有效值，i_2ω为二倍频波动有效值，R_ω与R_2ω则为基波与二倍频频率点所对应的ESR值。