CN108414856A - 模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法及装置，涉及电力传输技术领域，解决了现有技术中无法准确分析MMC中的电容器的寿命的问题。该方法包括，初始化MCC的子模块中电容器的初始损伤度和寿命；获取MCC的运行参数、任务剖面参数、采样时间间隔Δt、电容器的额定电容值Cd、电容器的第一老化修正因子kC以及电容器的等效电阻ESR的第二老化修正因子kESR，循环步骤S1至步骤S4，当Dq≥1时，停止循环；根据电容器的寿命Life、采样时间间隔Δt和循环的次数q，生成电容器的寿命评估结果。本发明实施例用于MMC中电容器损伤度的计算。
Description
技术领域
本发明涉及电力传输技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法及装置。
背景技术
随着电力电子技术的发展，模块化多电平换流器，凭借着低损耗、可拓展的模块化结构、以及优质的电能质量的优点，在高压柔性直流(英文全称：Flexible-High-VoltageDirect Current，简称：Flexible-HVDC)输电、光伏、风电、分布式发电等领域得到了广泛的关注。
模块化多电平换流器的子模块由2个绝缘栅双极型晶体管(英文全称：InsulatedGate Bipolar Transistor，简称：IGBT)模块和一个电容器组成。电容器作为MMC子模块的核心元件之一，数量众多，承担着能量储存，直流电压支撑的任务，其异常工作状态必将影响装置整体的可靠性。不幸的是，电容器是换流器的薄弱器件，在统计数据中电容器的失效比例最大。在工程装置的研究和设计阶段，如果能准确评估电容器的寿命，分析影响可靠性的主要因素，这对MMC主回路参数的设计和器件的选择有极大的意义。
由上述可知，如何准确分析MMC中的电容器的寿命成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法及装置，解决了现有技术中无法准确分析MMC中的电容器的寿命的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面、本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法，包括：初始化待检测MCC的子模块中电容器的初始损伤度D0和电容器的寿命Life；获取MCC的运行参数、任务剖面参数、采样时间间隔Δt、电容器的额定电容值Cd、电容器的第一老化修正因子kC以及电容器的等效电阻ESR的第二老化修正因子kESR；其中，运行参数包括：MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc、MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及MMC的桥臂上的电抗器的电抗值Ls；任务剖面参数包括：预设时间段内的环境参数Ta和注入MMC的功率数据；根据MCC的运行参数、任务剖面参数、额定电容值Cd、第一老化修正因子kC、采样时间间隔Δt以及第二老化修正因子kESR，循环步骤S1至步骤S4，当Dq≥1时，停止循环；其中，Dq表示经过q次循环计算得到的电容器的累积损伤度，q为大于等于1的整数；根据电容器的寿命Life、采样时间间隔Δt和循环的次数q，生成电容器的寿命评估结果；步骤S1、根据运行参数和任务剖面参数，确定MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i；步骤S2、根据运行参数、纹波电流和简化等效电路模型，确定电容器的损耗值Pc,loss；其中，ESR0表示电容器的初始等效电阻，fi表示i倍的基频的频率；步骤S3、根据损耗值Pc,loss、任务剖面参数和热路模型，确定电容器的热点温度Th；其中，Th＝Pc,lossRha+Ta，Rha表示电容器的热阻；步骤S4、根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
可选的，MMC的桥臂包括上桥臂组au和下桥臂组al，上桥臂au组包含至少1个上桥臂，下桥臂组al包含至少1个下桥臂；根据运行参数和任务剖面参数，确定MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i，包括：根据MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流IdcMMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及注入MMC的功率数据，确定MMC直流侧和交流侧的电流关系式为：根据开关函数和MMC直流侧和交流侧的电流关系式，确定纹波电流的表达式为：
其中，iCau表示上桥臂的纹波电流、iCal表示下桥臂的纹波电流、nau表示上桥臂的开关函数、nal表示下桥臂的开关函数、iC0表示电容器的电流的直流分流(iC0＝0)、iC1表示电容器的基频分量、iC2表示电容器的2倍谐波分量、iC3表示电容器的3倍谐波分量、ω表示基波角频率、表示a相交流出口电压与电流的相位角、I2f表示桥臂二次谐波环流的幅值、表示桥臂二次谐波环流的相位、m表示电压调制比。
可选的，根据运行参数和任务剖面参数，确定MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i前还包括：根据损伤度Dq，确定第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR的关系式为：
根据额定电容值Cd、第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR，确定电容器的修正电容容量C′d和电容器的等效电阻ESR，关系式为：
该方法还包括：对纹波电流的表达式进行简化，得到简化后的纹波电流的表达式为：
其中，
其中，N是指MMC中每相桥臂的子模块的数量。
可选的，根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq，包括：根据热点温度Th和寿命模型，确定损伤度增量ΔDq的表达式为：其中，L'表示电容器的预测寿命；预测寿命的表达式为：其中，V表示电容器实际承受的电压、V0表示测试电压、L0表示厂家给出的在温度为T0条件下电容器的寿命、KB表示波尔兹曼常数(8.62×10-5eV/K)、Ea表示激活能、n表示电压应力指数；根据损伤度增量ΔDq的表达式，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
可选的，根据电容器的寿命Life和循环的次数q，生成电容器的寿命评估结果，包括：根据循环的次数q和电容器的寿命Life，确定电容器的评估寿命H；其中，H＝Life+q*Δt；根据电容器的评估寿命H，生成电容器的寿命评估结果。
第二方面、本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器寿命评估装置，包括：初始化模块，用于初始化待检测MCC的子模块中电容器的初始损伤度D和电容器的寿命Life；其中，初始评估寿命Life为0；数据获取模块，用于获取MCC的运行参数、任务剖面参数、采样时间间隔Δt、电容器的额定电容值Cd、电容器的第一老化修正因子kC以及电容器的等效电阻ESR的第二老化修正因子kESR；其中，运行参数包括：MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc、MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及MMC的桥臂上的电抗器的电抗值Ls；任务剖面参数包括：预设时间段内的环境参数Ta和注入MMC的功率数据；数据处理模块，用于根据数据获取模块获取的MCC的运行参数、任务剖面参数、额定电容值Cd、第一老化修正因子kC、采样时间间隔Δt以及第二老化修正因子kESR，循环步骤S1至步骤S4，当Dq≥1时，停止循环；其中，Dq表示经过q次循环计算得到的电容器的累积损伤度，q为大于等于1的整数；数据处理模块，还用于根据初始化模块初始化的电容器的寿命Life、数据获取单元获取的采样时间间隔Δt和循环的次数q，生成电容器的寿命评估结果；步骤S1、根据运行参数和任务剖面参数，确定MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i；步骤S2、根据运行参数、纹波电流和简化等效电路模型，确定电容器的损耗值Pcloss；其中，ESR0表示电容器的初始等效电阻，fi表示i倍的基频的频率；步骤S3、根据损耗值Pc,loss、任务剖面参数和热路模型，确定电容器的热点温度Th；其中，Th＝Pc,lossRha+Ta，Rha表示电容器的热阻；步骤S4、根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
可选的，MMC的桥臂包括上桥臂组au和下桥臂组al，上桥臂au组包含至少1个上桥臂，下桥臂组al包含至少1个下桥臂；数据处理模块，具体用于根据MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流IdcMMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及注入MMC的功率数据，确定MMC直流侧和交流侧的电流关系式为：数据处理模块，还用于根据开关函数和MMC直流侧和交流侧的电流关系式，确定纹波电流的表达式为：
其中，iCau表示上桥臂的纹波电流、iCal表示下桥臂的纹波电流、nau表示上桥臂的开关函数、nal表示下桥臂的开关函数、iC0表示电容器的电流的直流分流(iC0＝0)、iC1表示电容器的基频分量、iC2表示电容器的2倍谐波分量、iC3表示电容器的3倍谐波分量、ω表示基波角频率、表示a相交流出口电压与电流的相位角、I2f表示桥臂二次谐波环流的幅值、表示桥臂二次谐波环流的相位、m表示电压调制比。
可选的，数据处理模块，还用于根据损伤度Dq，确定第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR的关系式为：
数据处理单元，还用于根据额定电容值Cd、第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR，确定电容器的修正电容容量C′d和电容器的等效电阻ESR，关系式为：
数据处理模块，还用于对纹波电流的表达式进行简化，得到简化后的纹波电流的表达式为：
其中，
其中，N是指MMC中每相桥臂的子模块的数量。
可选的，数据处理模块，具体用于根据热点温度Th和寿命模型，确定损伤度增量ΔDq的表达式为：其中，L'表示电容器的预测寿命；预测寿命的表达式为：其中，V表示电容器实际承受的电压、V0表示测试电压、L0表示厂家给出的在温度为T0条件下电容器的寿命、KB表示波尔兹曼常数(8.62×10-5eV/K)、Ea表示激活能、n表示电压应力指数；数据处理模块，还用于根据损伤度增量ΔDq的表达式，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
可选的，数据处理模块，具体用于根据循环的次数q和初始化模块初始化后的电容器的寿命Life，确定电容器的评估寿命H；其中，H＝Life+q*Δt；数据处理模块，还用于根据电容器的评估寿命H，生成电容器的寿命评估结果。
本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法及装置，通过MCC的运行参数、任务剖面参数、简化等效电路模型确定电容器的纹波电流IC,i和损耗值Pc,loss；然后根据损耗值Pc,loss、任务剖面参数和热路模型，确定电容器的热点温度Th；最后根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq；当Dq≥1时，说明此时电容器的累积损伤度大于或等于100％，因此停止对电容器的累积损伤度的循环；最后根据电容器的寿命Life和循环的次数q，生成了电容器的寿命评估结果；通过本发明的实施例提供的模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法可以生成MMC的子模块电容器的寿命评估结果，从而工作人员可以根据该寿命评估结果，设计和选择MMC主回路参数，解决了现有技术中无法准确分析MMC中的电容器的寿命的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法的流程示意图；
图2为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法的另一种流程示意图；
图3为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的一种拓扑结构图；
图4为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块的一种拓扑结构图；
图5为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法的电容器简化等效电路图；
图6为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法的电容器的热路图；
图7为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块中电容器组的拓扑结构图；
图8为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法在实际应用中的环境温度时序图；
图9为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法在实际应用中的功率传输任务刨面图；
图10为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法在实际应用中的薄膜电容器的纹波电流示意图；
图11为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法在实际的应用中24h内的电容器的损伤度；
图12为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法在实际的应用中薄膜电热器的纹波电流；
图13为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法在实际的应用中环境温度Ta和薄膜电容器的热点温度Th；
图14为本发明的实施例提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估装置。
附图标记：
寿命评估装置-10；
初始化模块-101；数据获取模块-102；数据处理模块-103。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一、本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法，如图1所示包括：
S101、初始化待检测MCC的子模块中电容器的初始损伤度D0和电容器的寿命Life。
需要说明的是，在实际的应用中，为了方便计算，通常将初始值损伤度D0设置为0，寿命Life设置为0；初始损伤度D0越大说明电容器消耗了越多的寿命，即寿命Life与初始损伤度D0成正比例关系；其中，当Dq＝1时，代表电容器的损伤度为100％，即该电容器已损坏。
S102、获取MCC的运行参数、任务剖面参数、采样时间间隔Δt、电容器的额定电容值Cd、电容器的第一老化修正因子kC以及电容器的等效电阻ESR的第二老化修正因子kESR；其中，运行参数包括：MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc、MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及MMC的桥臂上的电抗器的电抗值Ls；任务剖面参数包括：预设时间段内的环境参数Ta和注入MMC的功率数据。
需要说明的是，在实际的应用中，环境参数Ta和注入MMC的功率数据的采样时间间隔Δt越小，得到的数据结果更加接近实际的运行状态；而环境温度Ta可从Meteonorm上获取针对使用该MMC的地区的逐时气温数据；电容器的种类不同，对应的额定电容值Cd与等效电阻ESR的比例关系不同；示例性的，当该电容器为薄膜电容器时，在老化过程中电容量Cd每下降5％，对应的等效电阻ESR增加为原来的3倍；因此，根据累积损伤度Dq，得到电容器的第一老化修正因子kC和ESR的的第二老化修正因子kESR，表达式如下：
S103、根据MCC的运行参数、任务剖面参数、额定电容值Cd、第一老化修正因子kC、采样时间间隔Δt以及第二老化修正因子kESR，循环步骤S1至步骤S4，当Dq≥1时，停止循环；其中，Dq表示经过q次循环计算得到的电容器的累积损伤度，q为大于等于1的整数。
步骤S1、根据运行参数和任务剖面参数，确定MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i。
步骤S2、根据运行参数、纹波电流和简化等效电路模型，确定电容器的损耗值Pc,loss；其中，ESR0表示电容器的初始等效电阻，fi表示i倍的基频的频率。
需要说明的是，基频的频率是指MMC交流侧电网的运行频率。
步骤S3、根据损耗值Pc,loss、任务剖面参数和热路模型，确定电容器的热点温度Th；其中，Th＝Pc,lossRth+Ta Th＝Pc,lossRha+Ta，Rha表示电容器的热阻。
需要说明的是，在实际的应用中计算热点温度Th时，包括：使用如图5所示的电容器的简化等效电路模型计算损耗；用图6所示的热路模型计算热点温度。电容器的热点温度是电容器老化和失效的主要原因，因此电容器温度的计算是寿命预测的关键环节。电容器的热模型描述了损耗和热点温度的关系。其中，Rha表示电容器的热阻，可以从数据表(Datasheet)中获取；而热电容Chc和Cca在计算稳态电容热点温度时可以忽略其影响。
根据电容器的损耗特性，ESR的值随频率而变化，因此电容器的损耗为不同频率电流下产生的损耗总和。MMC子模块中基频电流占据纹波电流的比例最大，谐波电流中以2次谐波电流最大，三次以上的谐波电流可以忽略。故，本发明的电容器的损耗计算公式为：
其中，ESR0表示电容初始等效电阻，kESR表示老化系数，fi表示i倍的基频电流。
具体的，当Dq＝1时，kESR＝3，表示电容器的寿命终止，ESR增加为原来的3倍。
综上，稳态情况下电容器的热点温度可以表示为：
Th＝Pc,lossRth+Ta。
具体的，当该电容器为对于薄膜电容器n＝7-9,Ea＝0.94eV，预测寿命的表达式可简化为：
综上，电容器的寿命预测的流程如图2所示。其中累积损伤度Dq是判断电容寿命的依据；它的初始值为零，每经历一次循环，它的值累加上这段时间(△t)产生的损伤△Dq，电容器的寿命增加△t；直到Dq累加到1时，电容器寿命终止。
步骤S4、根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
S104、根据电容器的寿命Life、采样时间间隔Δt和循环的次数q，生成电容器的寿命评估结果。
可选的，如图2所示本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法中MMC的桥臂包括上桥臂组au和下桥臂组al，上桥臂au组包含至少1个上桥臂，下桥臂组al包含至少1个下桥臂；根据运行参数和任务剖面参数，确定MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i，包括：根据MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc，MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及注入MMC的功率数据，确定MMC直流侧和交流侧的电流关系式为：根据开关函数和MMC直流侧和交流侧的电流关系式，确定纹波电流的表达式为：
其中，iCau表示上桥臂的纹波电流、iCal表示下桥臂的纹波电流、nau表示上桥臂的开关函数、nal表示下桥臂的开关函数、iC0表示电容器的电流的直流分流(iC0＝0)、iC1表示电容器的基频分量、iC2表示电容器的2倍谐波分量、iC3表示电容器的3倍谐波分量、ω表示基波角频率、表示a相交流出口电压与电流的相位角、I2f表示桥臂二次谐波环流的幅值、表示桥臂二次谐波环流的相位、m表示电压调制比。
需要说明的是，I2f表示桥臂二次谐波环流的幅值和表示桥臂二次谐波环流的相位中的桥臂是指上桥臂组au或者下桥臂组al；如图3所示为三相MMC的主电路图，包括上桥臂Upper arm和下桥臂Lower arm，上桥臂Upper arm包含3个桥臂，下桥臂Lower arm包含3个桥臂，六个桥臂上各由一个电抗器Ls以及一系列相互级联的子模块(英文全称：Sub-Module，简称：SM)串联而成。如图4所示，子模块是包含两个绝缘栅双极型晶体管(英文全称：Insulated Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT)模块S1和S2、储能电容器组C等主要元器件。PCC表示公共连接点。以逆变工作状态为例，理想情况下，直流电流在三相单元中平均分配；交流电流在上桥臂Upper arm、下桥臂Lower arm中平均分配。桥臂电流除了直流分量和基频交流分量外，还有较大的二次谐波分量；因此，上桥臂Upper arm和下桥臂Lowerarm的电流iau、ial可以表示为：
A相的上桥臂Upper arm和下桥臂Lower arm的电压uau,ual可以表示为：
上桥臂Upper arm和下桥臂Lower arm调制的开关函数nau,nal为：
由直流侧和交流侧的功率相等的关系得到：
由上式可以直到交直流两侧的电流关系为：
根据开关函数和桥臂电流的表达式，可得纹波电流的表达式为：
其中：
需要说明的是，在实际的应用中如图3所示A相是指ia。
可选的，本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法中，根据运行参数和任务剖面参数，确定MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i前还包括：根据损伤度Dq，确定第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR的关系式为：
根据额定电容值Cd、第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR，确定电容器的修正电容容量C′d和电容器的等效电阻ESR，关系式为：
该方法还包括：对纹波电流的表达式进行简化，得到简化后的纹波电流的表达式为：
其中，
其中，N是指MMC中每相桥臂的子模块的数量。
需要说明的是，这里的简化是指：由于电容不通直流，所以iC0为零，而其他分量的有效值可以表示为：
其中，IC,1表示该电容器的纹波电流的基频分量，IC,2表示该电容器的纹波电流的2倍谐波分量，IC,3表示该电容器的纹波电流的3倍谐波分量。
可选的，本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法中根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq：根据热点温度Th和寿命模型，确定损伤度增量ΔDq的表达式为：其中，L'表示电容器的预测寿命；预测寿命的表达式为：其中，V表示电容器实际承受的电压、V0表示测试电压、L0表示厂家给出的在温度为T0条件下电容器的寿命、KB表示波尔兹曼常数(8.62×10-5eV/K)、Ea表示激活能、n表示电压应力指数；根据损伤度增量ΔDq的表达式，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
可选的，本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法中根据电容器的寿命Life和循环的次数q，生成电容器的寿命评估结果，包括：根据循环的次数q和电容器的寿命Life，确定电容器的评估寿命H；其中，H＝Life+q*Δt；根据电容器的评估寿命H，生成电容器的寿命评估结果。
示例性的，以MMC的直流侧电压为±160kV，最大输送有功功率为500MW，MMC的交流侧的功率因数为0.8；通过联接变压器与220kV交流电网相连接，额定调制度为0.852。子模块额定电压为1.6kV，每一相上、下桥臂子模块串联数均为200个。桥臂电抗Ls等于90mH，联接变压器容量为530MVA，联接变压器一/二次额定电压为220kV/167kV，联接变压器短路阻抗为15％，联接变压器分接头为±8×1.25％。特别指出，用工程计算式求得子模块电容器组的容量为9mF。薄膜电容器的型号采用Type 947D Polypropylene，50Hz、100Hz、150Hz对应的ESR0分别为2.022mΩ、1.810mΩ、1.729mΩ，其他具体的参数如表1所示。如图7所示，电容器组由12串薄膜电容器并联组成，每一串电容支路由2个薄膜电容器串联而成。假定MMC在广州使用，自然环境温度和光照采样地经纬度为23.1°N，113°E。
| 参数 | 值 |
| 额定电压 | 900V |
| 电容容量 | 1500uF |
| ESR0@10kHz | 1.6mΩ |
| 热阻Rhc | 0.7℃/W |
| 热阻Rca | 1.5℃/W |
| 85℃，额定电压下的寿命 | 7000h |
表1
MMC的子模块中电容器的寿命评估的具体操作步骤如下：
步骤1、获取MMC系统的主参数，任务剖面参数(环境温度和传输功率)，温度和功率的采样时间间隔Δt；设置电容器的初始值损伤度D0＝0，电容器的初始寿命Llife＝0。根据实施例要求获取主参数如表2所示；图8为全年气温数据曲线，图9为注入MMC的功率曲线。
表2
步骤2、判断累积损伤度Dq是否超过1。如果Dq≥1，则电容寿命计算结束，输出寿命L；如果Dq<1，则循环执行步骤S1至步骤S4，Dq和Llife叠加上当前循环产生的电容损伤度ΔDq和寿命Δt。以1天24h为例，步骤S1至步骤S4共循环24次得到损伤度如图11所示；寿命增加24h。因为Dq<1,故寿命计算还未结束，仍需要循环步骤S1至步骤S4。
步骤3、根据累积损伤度Dq的值修正电容容量C和电容等效电阻ESR。老化过程中ESR和电容量的变化曲线如图10所示。
需要说明的是，在实际的应用中由于电容器的额定电容值Cd是固定的，而随着使用时间的增长，电容器的电容容量C会发生变化，因此需要根据损伤度Dq的值修正电容容量C和电容等效电阻ESR。
步骤4、解析法计算子模块电容器的纹波电流的有效值，包括基频电流IC1，二次谐波电流IC2，和三次谐波电流IC3。根据图9所示的24h的任务剖面(传输功率曲线)，每个薄膜电容器的纹波电流如图12所示。
步骤5、由步骤3得到的ESR值和步骤4得到的纹波电流值计算薄膜电容器损耗Pc,loss；结合环境温度(Ta)计算热点温度Th。计算得到的热点温度如图13所示。
步骤6、根据热点温度Th和电容器的寿命模型计算当前循环产生的损伤度ΔD。损伤度D叠加上ΔD，电容寿命L叠加上Δt；并返回到步骤2，进入下一次循环。
计算结果表明，经过313 070次循环后，损伤度D为1，即电容器的寿命为313 070h(约35.7年)。用处理器Intel Core i5-3210M的计算机计算寿命共用时1.115s。
本发明的实施例提供的模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
第一、本发明根据MMC的主参数，解析计算了流过电容器组的纹波电流，包含了基频电流、二次谐波电流、三次谐波电流。该方法计算速度快，适用于大量的时序数据分析，克服了仿真速度慢，难以获得全年时序纹波电流的缺点。
第二、本发明用时序迭代的方法计算电容器的损伤度D。并根据电容损伤度修正了电容等效电阻ESR和电容量C的大小；使得电容热点温度的计算更符合老化过程的变化；避免电容寿命计算的过于乐观。
第三、本发明计算电容热点温度时，考虑了ESR的频率特性。不同频率下的ESR值不一样，并结合纹波电流计算损耗，使得计算跟接近实际。
第四、本发明计算电容寿命时考虑了具体经纬度下的全年气温，使得MMC子模块电容器的寿命计算更符合实际的使用场合，具有工程实际意义。
本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法，通过MCC的运行参数、任务剖面参数、简化等效电路模型确定电容器的纹波电流IC,i和损耗值Pc,loss；然后根据损耗值Pc,loss、任务剖面参数和热路模型，确定电容器的热点温度Th；最后根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq；当Dq≥1时，说明此时电容器的累积损伤度大于或等于100％，因此停止对电容器的累积损伤度的循环；最后根据电容器的寿命Life和循环的次数q，生成了电容器的寿命评估结果；通过本发明的实施例提供的模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法可以生成MMC的子模块电容器的寿命评估结果，从而工作人员可以根据该寿命评估结果，设计和选择MMC主回路参数，解决了现有技术中无法准确分析MMC中的电容器的寿命的问题。
实施例二、本发明实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器寿命评估装置10，如图14所示包括：
初始化模块101，用于初始化待检测MCC的子模块中电容器的初始损伤度D0和电容器的寿命Life。
数据获取模块102，用于获取MCC的运行参数、任务剖面参数、采样时间间隔Δt、电容器的额定电容值Cd、电容器的第一老化修正因子kC以及电容器的等效电阻ESR的第二老化修正因子kESR；其中，运行参数包括：MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc、MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及MMC的桥臂上的电抗器的电抗值Ls；任务剖面参数包括：预设时间段内的环境参数Ta和注入MMC的功率数据。
数据处理模块103，用于根据数据获取模块102获取的MCC的运行参数、任务剖面参数、额定电容值Cd、第一老化修正因子kC、采样时间间隔Δt以及第二老化修正因子kESR，循环步骤S1至步骤S4，当Dq≥1时，停止循环；其中，Dq表示经过q次循环计算得到的电容器的累积损伤度，q为大于等于1的整数。
数据处理模块103，还用于根据初始化模块101初始化的电容器的寿命Life、数据获取单元获取的采样时间间隔Δt和循环的次数q，生成电容器的寿命评估结果。
步骤S1、根据运行参数和任务剖面参数，确定MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i；步骤S2、根据运行参数、纹波电流和简化等效电路模型，确定电容器的损耗值Pc,loss；其中，ESR0表示电容器的初始等效电阻，fi表示i倍的基频的频率；步骤S3、根据损耗值Pc,loss、任务剖面参数和热路模型，确定电容器的热点温度Th；其中，Th＝Pc,lossRha+Ta，Rha表示电容器的热阻；步骤S4、根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
可选的，MMC的桥臂包括上桥臂组au和下桥臂组al，上桥臂au组包含至少1个上桥臂，下桥臂组al包含至少1个下桥臂；数据处理模块103，具体用于根据MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc，MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及注入MMC的功率数据，确定MMC直流侧和交流侧的电流关系式为：数据处理模块103，还用于根据开关函数和MMC直流侧和交流侧的电流关系式，确定纹波电流的表达式为：
其中，iCau表示上桥臂的纹波电流、iCal表示下桥臂的纹波电流、nau表示上桥臂的开关函数、nal表示下桥臂的开关函数、iC0表示电容器的电流的直流分流(iC0＝0)、iC1表示电容器的基频分量、iC2表示电容器的2倍谐波分量、iC3表示电容器的3倍谐波分量、ω表示基波角频率、表示a相交流出口电压与电流的相位角、I2f表示桥臂二次谐波环流的幅值、表示桥臂二次谐波环流的相位、m表示电压调制比。
可选的，数据处理模块103，还用于根据损伤度Dq，确定第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR的关系式为：
数据处理单元，还用于根据数据获取模块获取的额定电容值Cd、第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR，确定电容器的修正电容容量C′d和电容器的等效电阻ESR，关系式为：
数据处理模块103，还用于对纹波电流的表达式进行简化，得到简化后的纹波电流的表达式为：
其中，
其中，N是指MMC中每相桥臂的子模块的数量。
可选的，数据处理模块103，具体用于根据热点温度Th和寿命模型，确定损伤度增量ΔDq的表达式为：其中，L'表示电容器的预测寿命；预测寿命的表达式为：其中，V表示电容器实际承受的电压、V0表示测试电压、L0表示厂家给出的在温度为T0条件下电容器的寿命、KB表示波尔兹曼常数(8.62×10-5eV/K)、Ea表示激活能、n表示电压应力指数；数据处理模块103，还用于根据损伤度增量ΔDq的表达式，确定电容器在预设时长内的损伤度增量ΔDq。
可选的，数据处理模块103，具体用于根据循环的次数q和初始化模块初始化后的电容器的寿命Life，确定电容器的评估寿命H；其中，H＝Life+q*Δt，t表示预设时长；数据处理模块103，还用于根据电容器的评估寿命H，生成电容器的寿命评估结果。
本发明的实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估装置，通过MCC的运行参数、任务剖面参数、简化等效电路模型确定电容器的纹波电流IC,i和损耗值Pc,loss；然后根据损耗值Pc,loss、任务剖面参数和热路模型，确定电容器的热点温度Th；最后根据热点温度Th和寿命模型，确定电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq；当Dq≥1时，说明此时电容器的累积损伤度大于或等于100％，因此停止对电容器的累积损伤度的循环；最后根据电容器的寿命Life和循环的次数q，生成了电容器的寿命评估结果；通过本发明的实施例提供的模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法可以生成MMC的子模块电容器的寿命评估结果，从而工作人员可以根据该寿命评估结果，设计和选择MMC主回路参数，解决了现有技术中无法准确分析MMC中的电容器的寿命的问题。
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，任何熟悉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以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种模块化多电平换流器的子模块电容器的寿命评估方法，其特征在于，包括：
初始化待检测MCC的子模块中电容器的初始损伤度D0和所述电容器的寿命Life；
获取所述MCC的运行参数、任务剖面参数、采样时间间隔Δt、所述电容器的额定电容值Cd、所述电容器的第一老化修正因子kC以及所述电容器的等效电阻ESR的第二老化修正因子kESR；其中，所述运行参数包括：所述MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc、所述MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及所述MMC的桥臂上的电抗器的电抗值Ls；所述任务剖面参数包括：预设时间段内的环境参数Ta和注入所述MMC的功率数据；
根据所述MCC的运行参数、所述任务剖面参数、所述额定电容值Cd、所述第一老化修正因子kC、所述采样时间间隔Δt以及所述第二老化修正因子kESR，循环步骤S1至步骤S4，当Dq≥1时，停止所述循环；其中，Dq表示经过q次循环计算得到的所述电容器的累积损伤度，q为大于等于1的整数；
根据所述电容器的寿命Life、所述采样时间间隔Δt和所述循环的次数q，生成所述电容器的寿命评估结果；
步骤S1、根据所述运行参数和所述任务剖面参数，确定所述MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i；
步骤S2、根据所述运行参数、所述纹波电流和简化等效电路模型，确定所述电容器的损耗值Pc,loss；其中，ESR0表示电容器的初始等效电阻，fi表示i倍的基频的频率；
步骤S3、根据所述损耗值Pc,loss、所述任务剖面参数和热路模型，确定所述电容器的热点温度Th；其中，Th＝Pc,lossRha+Ta，Rha表示电容器的热阻；
步骤S4、根据所述热点温度Th和寿命模型，确定所述电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MMC的桥臂包括上桥臂组au和下桥臂组al，所述上桥臂au组包含至少1个上桥臂，所述下桥臂组al包含至少1个下桥臂；
所述根据所述运行参数和所述任务剖面参数，确定所述MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i，包括：
根据所述MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc所述MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及注入所述MMC的功率数据，确定所述MMC直流侧和交流侧的电流关系式为：
根据开关函数和所述MMC直流侧和交流侧的电流关系式，确定所述纹波电流的表达式为：
其中，iCau表示上桥臂的纹波电流、iCal表示下桥臂的纹波电流、nau表示上桥臂的开关函数、nal表示下桥臂的开关函数、iC0表示电容器的电流的直流分流(iC0＝0)、iC1表示电容器的基频分量、iC2表示电容器的2倍谐波分量、iC3表示电容器的3倍谐波分量、ω表示基波角频率、表示a相交流出口电压与电流的相位角、I2f表示桥臂二次谐波环流的幅值、表示桥臂二次谐波环流的相位、m表示电压调制比。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述运行参数和所述任务剖面参数，确定所述MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i前还包括：
根据所述损伤度Dq，确定第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR的关系式为：
根据所述额定电容值Cd、所述第一老化修正因子kC以及所述第二老化修正因子kESR，确定所述电容器的修正电容容量C′d和所述电容器的等效电阻ESR，关系式为：
所述方法还包括：对所述纹波电流的表达式进行简化，得到简化后的纹波电流的表达式为：
其中，
其中，N是指MMC中每相桥臂的子模块的数量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述热点温度Th和寿命模型，确定所述电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq，包括：
根据所述热点温度Th和寿命模型，确定所述损伤度增量ΔDq的表达式为：其中，L'表示电容器的预测寿命；所述预测寿命的表达式为：
其中，V表示电容器实际承受的电压、V0表示测试电压、L0表示厂家给出的在温度为T0条件下电容器的寿命、KB表示波尔兹曼常数(8.62×10-5eV/K)、Ea表示激活能、n表示电压应力指数；
根据所述损伤度增量ΔDq的表达式，确定所述电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电容器的寿命Life和所述循环的次数q，生成所述电容器的寿命评估结果，包括：
根据所述循环的次数q和所述电容器的寿命Life，确定所述电容器的评估寿命H；其中，H＝Life+q*Δt；
根据所述电容器的评估寿命H，生成所述电容器的寿命评估结果。
6.一种模块化多电平换流器的子模块电容器寿命评估装置，其特征在于，包括：
初始化模块，用于初始化待检测MCC的子模块中电容器的初始损伤度D和所述电容器的寿命Life；
数据获取模块，用于获取所述MCC的运行参数、任务剖面参数、采样时间间隔Δt、所述电容器的额定电容值Cd、所述电容器的第一老化修正因子kC以及所述电容器的等效电阻ESR的第二老化修正因子kESR；其中，所述运行参数包括：所述MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc、所述MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及所述MMC的桥臂上的电抗器的电抗值Ls；所述任务剖面参数包括：预设时间段内的环境参数Ta和注入所述MMC的功率数据；
数据处理模块，用于根据所述数据获取模块获取的所述MCC的运行参数、所述任务剖面参数、所述额定电容值Cd、所述第一老化修正因子kC、所述采样时间间隔Δt以及所述第二老化修正因子kESR，循环步骤S1至步骤S4，当Dq≥1时，停止所述循环；其中，Dq表示经过q次循环计算得到的所述电容器的累积损伤度，q为大于等于1的整数；
数据处理模块，还用于根据所述初始化模块初始化的所述电容器的寿命Life、所述数据获取单元获取的所述采样时间间隔Δt和所述循环的次数q，生成所述电容器的寿命评估结果；
步骤S1、根据所述运行参数和所述任务剖面参数，确定所述MCC的子模块中的电容器的纹波电流IC,i；
步骤S2、根据所述运行参数、所述纹波电流和简化等效电路模型，确定所述电容器的损耗值Pc,loss；其中，ESR0表示电容器的初始等效电阻，fi表示i倍的基频的频率；
步骤S3、根据所述损耗值Pc,loss、所述任务剖面参数和热路模型，确定所述电容器的热点温度Th；其中，Th＝Pc,lossRha+Ta，Rha表示电容器的热阻；
步骤S4、根据所述热点温度Th和寿命模型，确定所述电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述MMC的桥臂包括上桥臂组au和下桥臂组al，所述上桥臂au组包含至少1个上桥臂，所述下桥臂组al包含至少1个下桥臂；
所述数据处理模块，具体用于根据所述MMC直流侧的额定电压Udc和额定电流Idc所述MMC交流侧的额定相电压幅值Um和额定相电流幅值Im以及注入所述MMC的功率数据，确定所述MMC直流侧和交流侧的电流关系式为：
所述数据处理模块，还用于根据开关函数和所述MMC直流侧和交流侧的电流关系式，确定所述纹波电流的表达式为：
其中，iCau表示上桥臂的纹波电流、iCal表示下桥臂的纹波电流、nau表示上桥臂的开关函数、nal表示下桥臂的开关函数、iC0表示电容器的电流的直流分流(iC0＝0)、iC1表示电容器的基频分量、iC2表示电容器的2倍谐波分量、iC3表示电容器的3倍谐波分量、ω表示基波角频率、表示a相交流出口电压与电流的相位角、I2f表示桥臂二次谐波环流的幅值、表示桥臂二次谐波环流的相位、m表示电压调制比。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块，还用于根据所述损伤度Dq，确定第一老化修正因子kC以及第二老化修正因子kESR的关系式为：
所述数据处理单元，还用于根据所述额定电容值Cd、所述第一老化修正因子kC以及所述第二老化修正因子kESR，确定所述电容器的修正电容容量C′d和所述电容器的等效电阻ESR，关系式为：
所述数据处理模块，还用于对所述纹波电流的表达式进行简化，得到简化后的纹波电流的表达式为：
其中，
其中，N是指MMC中每相桥臂的子模块的数量。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块，具体用于根据所述热点温度Th和寿命模型，确定所述损伤度增量ΔDq的表达式为：其中，L'表示电容器的预测寿命；所述预测寿命的表达式为：
其中，V表示电容器实际承受的电压、V0表示测试电压、L0表示厂家给出的在温度为T0条件下电容器的寿命、KB表示波尔兹曼常数(8.62×10-5eV/K)、Ea表示激活能、n表示电压应力指数；
所述数据处理模块，还用于根据所述损伤度增量ΔDq的表达式，确定所述电容器在采样时间间隔Δt内的损伤度增量ΔDq。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块，具体用于根据所述循环的次数q和所述初始化模块初始化后的所述电容器的寿命Life，确定所述电容器的评估寿命H；其中，H＝Life+q*Δt；
所述数据处理模块，还用于根据所述电容器的评估寿命H，生成所述电容器的寿命评估结果。
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2018
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