CN108647447B - Mmc换流阀可靠性分析方法及装置 - Google Patents

Mmc换流阀可靠性分析方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108647447B
CN108647447B CN201810453270.6A CN201810453270A CN108647447B CN 108647447 B CN108647447 B CN 108647447B CN 201810453270 A CN201810453270 A CN 201810453270A CN 108647447 B CN108647447 B CN 108647447B
Authority
CN
China
Prior art keywords
capacitor
igbt
loss
diode
junction temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810453270.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108647447A (zh
Inventor
查鲲鹏
屈海涛
闻福岳
曹均正
陈宇硕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd
Original Assignee
China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd filed Critical China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd
Priority to CN201810453270.6A priority Critical patent/CN108647447B/zh
Publication of CN108647447A publication Critical patent/CN108647447A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108647447B publication Critical patent/CN108647447B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design
    • G06F30/36—Circuit design at the analogue level
    • G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

本发明实施例提供一种MMC换流阀可靠性分析方法及装置，属于电力技术领域。该方法通过基于MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的IGBT组件中IGBT模块的电流应力以及所述IGBT组件说中的电容器的电压应力，根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温，根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率，以及根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温，根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率，再基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标，所以，本方法中考虑包括IGBT器件、二极管及电容器的故障率对MMC换流阀可靠性的影响，能够更加全面准确地计算MMC换流阀的可靠性。

Description

MMC换流阀可靠性分析方法及装置
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体而言，涉及一种MMC换流阀可靠性分析方法及装置。
背景技术
随着柔性直流输电技术的应用与推广，其电压等级和传输能力不断提高，对MMC换流阀可靠性也提出了更高的要求。IGBT组件作为MMC换流阀的核心部分，其可靠性直接影响了整个换流阀的运行寿命，而实际中，换流阀在不同运行工况下，IGBT组件关键部件如IGBT器件、二极管和电容器等承受的电气应力千差万别，甚至发生各种失效问题，影响换流阀的可靠性。
目前，在计算换流阀系统可靠性时，大都仅分析IGBT器件的可靠性，且采用恒定故障率模型，往往忽略MMC换流阀IGBT组件中电容器的失效问题，忽略MMC实际运行工况对关键零部件的可靠性影响，导致可靠性计算结果偏于乐观。
因此，重点考虑IGBT器件、二极管和电容器故障率对换流阀用IGBT组件可靠性的影响，研究换流阀IGBT组件的可靠性及计算方法，对柔性直流输电系统的可靠性评估具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种MMC换流阀可靠性分析方法及装置，以改善上述问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种MMC换流阀可靠性分析方法，所述方法包括：基于模块化多电平MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的绝缘珊双极型晶体管IGBT组件中IGBT模块的电流应力以及所述IGBT组件中的电容器的电压应力，所述IGBT模块包括IGBT器件和二极管；根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温；根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率；根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温；根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率；基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标。
进一步地，根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温，包括：基于
Figure BDA0001658113110000024
计算获得所述IGBT器件的损耗；基于
Figure BDA0001658113110000021
计算获得所述二极管的损耗；基于
Figure BDA0001658113110000022
计算获得所述IGBT器件和所述二极管的结温；其中，下标T表示所述IGBT器件，下标D表示所述二极管，Pcon表示元件平均导通损耗，Psw表示元件平均开关损耗，Iavg表示元件在一个基波周期内的电流应力，Irms表示元件在一个基波周期内的有效值，UT0和UCE为所述IGBT器件的导通特性曲线拟合参数，UD0和RD为所述二极管的导通特性曲线拟合参数，aT、bT和cT为所述IGBT器件的开关损耗特性曲线拟合参数，aD、bD和cD为所述二极管的反向恢复损耗特性曲线拟合参数，fp为所述IGBT器件和所述二极管的导通截断频率；Tj为结温，P为功率损耗，RthJC内部热阻，RthCH为外部热阻，TH为散热器的温度。
进一步地，根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率，包括：基于
Figure BDA0001658113110000023
以及λIGBT_M＝λT+λD，计算获得所述IGBT模块的故障率；其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λT表示所述IGBT器件的故障率，λD表示所述二极管的故障率，λ0Th表示热应力因子对应的元件基本故障率，λ0TC表示温度循环因子对应的元件基本故障率，πTh表示热应力因子，πTC表示温度循环因子，πin表示元件的过应力贡献因子，πpm表征元件的制造质量的影响，πpr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；所述热应力因子为：
Figure BDA0001658113110000031
其中，α、β均为常数；Tj为所述IGBT器件和所述二极管的结温；所述温度循环因子为：
Figure BDA0001658113110000032
其中，t表示元件的累计运行时间；Ncy为元件的结温循环波动次数；N0表示参考循环波动次数；θcy表示元件的结温波动循环时间；θ0表示参考循环时间；△Tcy为元件的结温波动幅值；Tmax_cy为元件结温波动最大值；γ,p,m为不同元件的调整系数。
进一步地，根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温，包括：基于
Figure BDA0001658113110000033
计算获得所述电容器的损耗；基于
Figure BDA0001658113110000034
计算获得所述电容器的结温；其中，Pcap为所述电容器的损耗，PPP为所述电容器的介质损耗，Pmetal为所述电容器的金属损耗，U为电压应力，δ为聚丙烯膜的介损角，ω为电压的角频率，C为电容器容值，RESR为实测的所述电容器的等效串联电阻；Tj,c为所述电容器的结温，Tke为所述电容器的外壳温度，Tamb为所述电容器的环境温度，Pcap为所述电容器的总损耗，Rcap为所述电容器的内部到外壳的热阻，kN为所述电容器的内部到外壳的传热系数，Rke为所述电容器的外壳到环境的热阻，β为所述电容器的外壳到环境的散热系数，A为所述电容器的有效散热面积。
进一步地，根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率，包括：基于
Figure BDA0001658113110000041
计算获得所述电容器的故障率；其中，λcap为所述电容器的故障率，T为所述电容器的实际运行温度，V为实际施加到所述电容器的电压，Tn为参考温度，Vn为参考电压，L为当温度为Tj,c，施加电压为V时的所述电容器寿命，C0为电容初始值，kc为一常数，kB为玻尔兹曼常数，Ea为反应的活化能，πin表示元件的过应力贡献因子，πPm表征元件的制造质量的影响，πPr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；所述电容器的寿命L由L＝(0.95C0)2/k计算获得，其中，C0为初始电容值，k为一常数，与抛物线速度常数成正比；所述初始电容值C0由
Figure BDA0001658113110000042
计算获得，其中，t为氧化时间，ΔC(％)为t时刻的电容值相对初始电容值的下降百分比。
进一步地，基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标，包括：基于λ＝λIGBT_M+λcap，计算获得所述IGBT组件的故障率；基于R(t)＝e-λt，计算获得所述IGBT组件的可靠度函数；基于所述IGBT组件的可靠度函数获取所述MMC换流阀的可靠性指标；其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λcap表示所述电容器的故障率，λ为所述IGBT组件的故障率，R(t)为所述IGBT组件的可靠度函数。
第二方面，本发明实施例提供了一种MMC换流阀可靠性分析装置，所述装置包括：电流电压应力获取模块，用于基于模块化多电平MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的绝缘珊双极型晶体管IGBT组件中IGBT模块的电流应力以及所述IGBT组件中的电容器的电压应力，所述IGBT模块包括IGBT器件和二极管；第一损耗结温计算模块，用于根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温；第一故障率计算模块，用于根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率；第二损耗结温计算模块，用于根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温；第二故障率计算模块，用于根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率；可靠性指标获取模块，用于基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标。
进一步地，所述第一损耗结温计算模块包括：IGBT器件损耗计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000051
计算获得所述IGBT器件的损耗；二极管损耗计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000052
计算获得所述二极管的损耗；IGBT模块结温计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000053
计算获得所述IGBT器件和所述二极管的结温；其中，下标T表示所述IGBT器件，下标D表示所述二极管，Pcon表示元件平均导通损耗，Psw表示元件平均开关损耗，Iavg表示元件在一个基波周期内的电流应力，Irms表示元件在一个基波周期内的有效值，UT0和UCE为所述IGBT器件的导通特性曲线拟合参数，UD0和RD为所述二极管的导通特性曲线拟合参数，aT、bT和cT为所述IGBT器件的开关损耗特性曲线拟合参数，aD、bD和cD为所述二极管的反向恢复损耗特性曲线拟合参数，fp为所述IGBT器件和所述二极管的导通截断频率；Tj为结温，P为功率损耗，RthJC内部热阻，RthCH为外部热阻，TH为散热器的温度。
进一步地，所述第一故障率计算模块，具体用于基于
Figure BDA0001658113110000061
以及λIGBT_M＝λT+λD，计算获得所述IGBT模块的故障率；其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λT表示所述IGBT器件的故障率，λD表示所述二极管的故障率，λ0Th表示热应力因子对应的元件基本故障率，λ0TC表示温度循环因子对应的元件基本故障率，πTh表示热应力因子，πTC表示温度循环因子，πin表示元件的过应力贡献因子，πpm表征元件的制造质量的影响，πpr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；所述热应力因子为：
Figure BDA0001658113110000062
其中，α、β均为常数；Tj为所述IGBT器件和所述二极管的结温；所述温度循环因子为：
Figure BDA0001658113110000063
其中，t表示元件的累计运行时间；Ncy为元件的结温循环波动次数；N0表示参考循环波动次数；θcy表示元件的结温波动循环时间；θ0表示参考循环时间；△Tcy为元件的结温波动幅值；Tmax_cy为元件结温波动最大值；γ,p,m为不同元件的调整系数。
进一步地，所述第二损耗结温计算模块，包括：电容器损耗计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000064
计算获得所述电容器的损耗；电容器结温计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000065
计算获得所述电容器的结温；其中，Pcap为所述电容器的损耗，PPP为所述电容器的介质损耗，Pmetal为所述电容器的金属损耗，U为电压应力，δ为聚丙烯膜的介损角，ω为电压的角频率，C为电容器容值，RESR为实测的所述电容器的等效串联电阻；Tj,c为所述电容器的结温，Tke为所述电容器的外壳温度，Tamb为所述电容器的环境温度，Pcap为所述电容器的总损耗，Rcap为所述电容器的内部到外壳的热阻，kN为所述电容器的内部到外壳的传热系数，Rke为所述电容器的外壳到环境的热阻，β为所述电容器的外壳到环境的散热系数，A为所述电容器的有效散热面积。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供一种MMC换流阀可靠性分析方法及装置，该方法通过基于模块化多电平MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的绝缘珊双极型晶体管IGBT组件中IGBT模块的电流应力以及所述IGBT组件中的电容器的电压应力，所述IGBT模块包括IGBT器件和二极管，根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温，根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率，以及根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温，根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率，再基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标，所以，本方法中考虑包括IGBT器件、二极管及电容器的故障率对MMC换流阀可靠性的影响，能够更加全面准确地计算MMC换流阀的可靠性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1示出了一种可应用于本申请实施例中的电子设备的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种MMC换流阀可靠性分析方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种MMC换流阀的拓扑图；
图4为本发明实施例提供的一种MMC换流阀中IGBT组件的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种MMC换流阀可靠性分析装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1，图1示出了一种可应用于本申请实施例中的电子设备100的结构框图。电子设备100可以包括MMC换流阀可靠性分析装置、存储器101、存储控制器102、处理器103、外设接口104、输入输出单元105、音频单元106、显示单元107。
所述存储器101、存储控制器102、处理器103、外设接口104、输入输出单元105、音频单元106、显示单元107各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述MMC换流阀可靠性分析装置包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器101中或固化在所述MMC换流阀可靠性分析装置的操作系统(operating system，OS)中的软件功能模块。所述处理器103用于执行存储器101中存储的可执行模块，例如所述MMC换流阀可靠性分析装置包括的软件功能模块或计算机程序。
其中，存储器101可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器101用于存储程序，所述处理器103在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的服务器所执行的方法可以应用于处理器103中，或者由处理器103实现。
处理器103可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器103可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器103也可以是任何常规的处理器等。
所述外设接口104将各种输入/输出装置耦合至处理器103以及存储器101。在一些实施例中，外设接口104，处理器103以及存储控制器102可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。
输入输出单元105用于提供给用户输入数据实现用户与所述服务器(或本地终端)的交互。所述输入输出单元105可以是，但不限于，鼠标和键盘等。
音频单元106向用户提供音频接口，其可包括一个或多个麦克风、一个或者多个扬声器以及音频电路。
显示单元107在所述电子设备100与用户之间提供一个交互界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。在本实施例中，所述显示单元107可以是液晶显示器或触控显示器。若为触控显示器，其可为支持单点和多点触控操作的电容式触控屏或电阻式触控屏等。支持单点和多点触控操作是指触控显示器能感应到来自该触控显示器上一个或多个位置处同时产生的触控操作，并将该感应到的触控操作交由处理器103进行计算和处理。
所述外设接口104将各种输入/输入装置耦合至处理器103以及存储器101。在一些实施例中，外设接口104，处理器103以及存储控制器102可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。
输入输出单元105用于提供给用户输入数据实现用户与处理终端的交互。所述输入输出单元105可以是，但不限于，鼠标和键盘等。
可以理解，图1所示的结构仅为示意，所述电子设备100还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种MMC换流阀可靠性分析方法的流程图，所述方法包括如下步骤：
步骤S110：基于模块化多电平MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的绝缘珊双极型晶体管IGBT组件中IGBT模块电流应力以及所述IGBT组件中的电容器的电压应力。
其中，所述IGBT模块包括IGBT器件和二极管。
其中，在MMC换流阀仿真模型中，MMC换流阀包括有N个IGBT组件，而每个IGBT组件包括2个IGBT模块和电容器等部件，具体可参照图3和图4所示，图3中的SM2为图4中IGBT模块。
而不同工况可以指的是MMC换流阀的额定工况、故障工况和过负荷工况等，当然，还可根据实际需求获取其他工况下的IGBT组件的电流应力和电压应力。
电流应力是指应用中的电流与零件规格值的比值，电压应力是指应用中的电压与零件规格值的比值。
所以，可以在不同工况下测量获得实际过程中IGBT模块的实际电流和电容器的实际电压，从而获得IGBT模块的电流应力和电容器的电压应力。
在MMC换流阀仿真模型中，IGBT的运行工况可以根据需要自行进行设置，本实施例中以运行工况设置为MMC换流阀的容量S，直流电压±V，功率因数cosφ，所以可基于这种工况下获取IGBT模块的电流应力以及电容器的电压应力。
步骤S120：根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温。
基于
Figure BDA0001658113110000111
计算获得所述IGBT器件的损耗。
基于
Figure BDA0001658113110000121
计算获得所述二极管的损耗。
其中，下标T表示所述IGBT器件，下标D表示所述二极管，Pcon表示元件平均导通损耗，Psw表示元件平均开关损耗，Iavg表示元件在一个基波周期内的电流应力，Irms表示元件在一个基波周期内的有效值，UT0和UCE为所述IGBT器件的导通特性曲线拟合参数，UD0和RD为所述二极管的导通特性曲线拟合参数，aT、bT和cT为所述IGBT器件的开关损耗特性曲线拟合参数，aD、bD和cD为所述二极管的反向恢复损耗特性曲线拟合参数，fp为所述IGBT器件和所述二极管的导通截断频率。
基于
Figure BDA0001658113110000122
计算获得所述IGBT器件和所述二极管的结温。
其中，Tj为结温，P为功率损耗，RthJC内部热阻，RthCH为外部热阻，TH为散热器的温度。
步骤S130：根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率。
基于
Figure BDA0001658113110000123
以及λIGBT_M＝λT+λD，计算获得所述IGBT模块的故障率。
具体地，可基于FIDES Guide 2009可靠性导则，由上述公式计算获得IGBT器件和二极管的故障率。
其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λT表示所述IGBT器件的故障率，λD表示所述二极管的故障率，λ0Th表示热应力因子对应的元件基本故障率，λ0TC表示温度循环因子对应的元件基本故障率，πTh表示热应力因子，πTC表示温度循环因子，πin表示元件的过应力贡献因子，πpm表征元件的制造质量的影响，πpr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响。
而一般情况下，IGBT器件的λ0Th取值为0.3021，二极管的λ0Th取值为0.1574，IGBT器件和二极管的λ0TC取值均可为0.3333，πin取值为3.3837，πpm取值为0.71，πpr取值为4。
所述热力因子为：
Figure BDA0001658113110000131
其中，α、β均为常数，α取值为1，β取值为8122.8，Tj为所述IGBT器件和所述二极管的结温。
所述温度循环因子为：
Figure BDA0001658113110000132
其中，t表示元件的累计运行时间；Ncy为元件的结温循环波动次数；N0表示参考循环波动次数，一般取值为2；θcy表示元件的结温波动循环时间；θ0表示参考循环时间，一般取值为12；△Tcy为元件的结温波动幅值；Tmax_cy为元件结温波动最大值；γ,p,m为不同元件的调整系数，γ取值为1，p取值为1/3，m取值为1.9。
所以，所述IGBT模块的故障率为λIGBT_M＝λT+λD，若IGBT模块包括两个IGBT器件和两个二极管，所述，IGBT模块的故障率为λIGBT_M＝λT1+λT2+λD1+λD2，下标T1、T2、D1、D2分别表示2个IGBT器件和2个二极管。
所以IGBT模块的可靠度函数为：
Figure BDA0001658113110000133
λ表示故障率。
步骤S140：根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温。
腐蚀失效是电容器的主要失效模式，腐蚀速率遵循阿伦尼乌斯方程，由此可推导出热应力因子；早期实验数据显示，每增加100V交流电压，腐蚀速率增加到4倍或5倍，由此可推导出电压应力因子；结合热应力因子以及电压应力因子计算给定电压应力下的腐蚀速率；电容腐蚀遵循瓦格纳理论，结合腐蚀速率可推导得电容器的故障率。
基于
Figure BDA0001658113110000141
计算获得所述电容器的损耗。
其中，Pcap为所述电容器的损耗，PPP为所述电容器的介质损耗，Pmetal为所述电容器的金属损耗，U为电压应力，δ为聚丙烯膜的介损角，ω为电压的角频率，C为电容器容值，RESR为实测的所述电容器的等效串联电阻。
基于
Figure BDA0001658113110000142
计算获得所述电容器的结温。
其中，Tj,c为所述电容器的结温，Tke为所述电容器的外壳温度，Tamb为所述电容器的环境温度，Pcap为所述电容器的总损耗，Rcap为所述电容器的内部到外壳的热阻，kN为所述电容器的内部到外壳的传热系数，Rke为所述电容器的外壳到环境的热阻，β为所述电容器的外壳到环境的散热系数，A为所述电容器的有效散热面积。
则所述电压应力为U，结温为Tj,c时的腐蚀速率为：
k＝kc0πT·πU
其中，kc0是参考工况(电压应力为Un、结温为Tn)下的腐蚀速率，πT和πU分别表示热应力因子和电压应力因子。
热应力因子为：
Figure BDA0001658113110000151
其中，Tn为参考温度，kB为玻尔兹曼常数，Ea为反应的活化能，T为运行温度。
电压应力因子为：
Figure BDA0001658113110000152
其中，Un为参考电压，U为实际施加电压。
基于瓦格纳氧化动力学理论，电容随时间的退化过程可由下式表示：
Figure BDA0001658113110000153
即可由上式获得初始电容值C0，其中，t为氧化时间，ΔC(％)为t时刻的电容值相对初始电容值的下降百分比。
一般以电容值减小5％作为失效标准，则所述的基于物理失效分析方法，电容器的寿命为：
L＝(0.95C0)2/k
其中，k为一常数，与抛物线速度常数成正比。
步骤S150：根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率。
考虑电容器的过应力、制造质量的影响和寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响。所述，电容器的故障率基于
Figure BDA0001658113110000154
计算获得。
其中，λcap为所述电容器的故障率，T为所述电容器的实际运行温度，V为实际施加到所述电容器的电压，Tn为参考温度，Vn为参考电压，L为当温度为Tj,c，施加电压为V时的所述电容器寿命，C0为电容初始值，kc为一常数，kB为玻尔兹曼常数，Ea为反应的活化能，πin表示元件的过应力贡献因子，πPm表征元件的制造质量的影响，πPr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响。其中，电容元件πin的取值为3.3837，πPm取值为0.71，取值为πPr4。
步骤S160：基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标。
基于λ＝λIGBT_M+λcap，计算获得所述IGBT组件的故障率。
基于R(t)＝e-λt，计算获得所述IGBT组件的可靠度函数。
基于所述IGBT组件的可靠度函数获取所述MMC换流阀的可靠性指标。
其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λcap表示所述电容器的故障率，λ为所述IGBT组件的故障率，R(t)为所述IGBT组件的可靠度函数。
其中，MMC换流阀的可靠性指标具体表现为MMC换流阀的工作寿命，其根据IGBT组件的可靠度函数可计算出IGBT组件发生故障的概率，其计算公式为：P(T)＝1-R(t)，然后再计算出IGBT组件的工作寿命，其计算公式为：
Figure BDA0001658113110000161
下面以一个具体的实施例对本方法进行详细说明。
假如由250个额定电压为1.6kV、额定电流为1kA的子模块构成，MMC换流阀的额定直流电压为±200kV，额定容量为200MVA，功率因数cosφ＝1，其他工况下参考此例可同理得出。
根据损耗计算公式，仿真计算得到IGBT器件、二极管的损耗分别为PT1＝506.1798W，PT2＝178.5W，PD1＝249.82W，PD2＝729.04W，根据结温计算公式，仿真计算得到IGBT器件、二极管的结温分别为Tj,T1＝88.85℃，Tj,D1＝83.12℃，Tj,T2＝88.74℃，Tj,D2＝105.51℃，IGBT器件、二极管的结温波动幅值分别为ΔTcy,T1＝21.821℃,ΔTcy,D1＝8.7494℃,ΔTcy,T2＝9.9974℃,ΔTcy,D2＝16.4319℃，IGBT器件、二极管的结温波动最大值分别为Tmax_cy,T1＝99.7686℃，Tmax_cy,D1＝93.1184℃，Tmax_cy,T2＝88.1222℃，Tmax_cy,D2＝113.7325℃，电容器的容量为C0＝0.01F,电容器的电压波动有效值为U＝125V，波尔茨曼常数为kB＝1.38e-23J/K，参考工况为TN＝382.44K，UN＝175V。环境温度Tamb为25℃，电容器内部到外壳的传热系数kN为4.9W/K，电容器外壳到环境的散热系数β为5W/(m2*K)，电容器的有效散热面积A为1.2556m2。
所述IGBT器件、二极管的热应力因子为：
Figure BDA0001658113110000171
Figure BDA0001658113110000172
Figure BDA0001658113110000173
Figure BDA0001658113110000174
所述IGBT器件、二极管的温度循环因子为：
Figure BDA0001658113110000175
Figure BDA0001658113110000176
Figure BDA0001658113110000177
Figure BDA0001658113110000181
所述IGBT器件、二极管的故障率为：
Figure BDA0001658113110000182
Figure BDA0001658113110000183
Figure BDA0001658113110000184
Figure BDA0001658113110000185
则所述的IGBT模块的故障率为：
Figure BDA0001658113110000186
提取各工况下电容器的电压应力，所述电容器的总损耗为：
Pcap＝PPP+Pmetal
＝U2ωCtanδ+(UωC)2RESR＝96.37W所述电容器的结温Tj.C为：
Figure BDA0001658113110000187
所述的电容器的电压应力因子为：
Figure BDA0001658113110000188
所述的电容器的热应力因子为：
Figure BDA0001658113110000191
所述电容器的腐蚀速率为：
k＝kc0·πT·πU＝4.154e-11F2/h
则所述的基于物理失效分析方法，电容器的寿命为：
L＝(0.95C0)2/k＝(0.95×0.01)2/4.154e-11＝2.173e6h
则所述考虑电容器的过应力、制造质量的影响和寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响得电容器的故障率为：
Figure BDA0001658113110000192
所述IGBT组件的故障率为：
λ＝λIGBT_M+λcap＝0.0438(次/年)
所述MMC换流阀用IGBT组件的工作寿命(年)为：
Figure BDA0001658113110000193
请参照图5，图5为本发明实施例提供的一种MMC换流阀可靠性分析装置200的结构框图，所述装置包括：
电流电压应力获取模块210，用于基于模块化多电平MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的绝缘珊双极型晶体管IGBT组件中IGBT模块的电流应力以及所述IGBT组件中的电容器的电压应力，所述IGBT模块包括IGBT器件和二极管；
第一损耗结温计算模块220，用于根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温；
第一故障率计算模块230，用于根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率；
第二损耗结温计算模块240，用于根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温；
第二故障率计算模块250，用于根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率；
可靠性指标获取模块260，用于基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标。
作为一种实施方式，所述第一损耗结温计算模块220包括：
IGBT器件损耗计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000201
计算获得所述IGBT器件的损耗；
二极管损耗计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000202
计算获得所述二极管的损耗；
IGBT模块结温计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000203
计算获得所述IGBT器件和所述二极管的结温；
其中，下标T表示所述IGBT器件，下标D表示所述二极管，Pcon表示元件平均导通损耗，Psw表示元件平均开关损耗，Iavg表示元件在一个基波周期内的电流应力，Irms表示元件在一个基波周期内的有效值，UT0和UCE为所述IGBT器件的导通特性曲线拟合参数，UD0和RD为所述二极管的导通特性曲线拟合参数，aT、bT和cT为所述IGBT器件的开关损耗特性曲线拟合参数，aD、bD和cD为所述二极管的反向恢复损耗特性曲线拟合参数，fp为所述IGBT器件和所述二极管的导通截断频率；Tj为结温，P为功率损耗，RthJC内部热阻，RthCH为外部热阻，TH为散热器的温度。
作为一种实施方式，所述第一故障率计算模块230，具体用于基于
Figure BDA0001658113110000211
以及λIGBT_M＝λT+λD，计算获得所述IGBT模块的故障率；
其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λT表示所述IGBT器件的故障率，λD表示所述二极管的故障率，λ0Th表示热应力因子对应的元件基本故障率，λ0TC表示温度循环因子对应的元件基本故障率，πTh表示热应力因子，πTC表示温度循环因子，πin表示元件的过应力贡献因子，πpm表征元件的制造质量的影响，πpr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；
所述热应力因子为：
Figure BDA0001658113110000212
其中，α、β均为常数；Tj为所述IGBT器件和所述二极管的结温；
所述温度循环因子为：
Figure BDA0001658113110000213
其中，t表示元件的累计运行时间；Ncy为元件的结温循环波动次数；N0表示参考循环波动次数；θcy表示元件的结温波动循环时间；θ0表示参考循环时间；△Tcy为元件的结温波动幅值；Tmax_cy为元件结温波动最大值；γ,p,m为不同元件的调整系数。
作为一种实施方式，所述第二损耗结温计算模块240，包括：
电容器损耗计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000214
计算获得所述电容器的损耗；
电容器结温计算单元，用于基于
Figure BDA0001658113110000221
计算获得所述电容器的结温；
其中，Pcap为所述电容器的损耗，PPP为所述电容器的介质损耗，Pmetal为所述电容器的金属损耗，U为电压应力，δ为聚丙烯膜的介损角，ω为电压的角频率，C为电容器容值，RESR为实测的所述电容器的等效串联电阻；
Tj,c为所述电容器的结温，Tke为所述电容器的外壳温度，Tamb为所述电容器的环境温度，Pcap为所述电容器的总损耗，Rcap为所述电容器的内部到外壳的热阻，kN为所述电容器的内部到外壳的传热系数，Rke为所述电容器的外壳到环境的热阻，β为所述电容器的外壳到环境的散热系数，A为所述电容器的有效散热面积。
作为一种实施方式，所述第二故障率计算模块250，具体用于基于
Figure BDA0001658113110000222
计算获得所述电容器的故障率；
其中，λcap为所述电容器的故障率，T为所述电容器的实际运行温度，V为实际施加到所述电容器的电压，Tn为参考温度，Vn为参考电压，L为当温度为Tj,c，施加电压为V时的所述电容器寿命，C0为电容初始值，kc为一常数，kB为玻尔兹曼常数，Ea为反应的活化能，πin表示元件的过应力贡献因子，πPm表征元件的制造质量的影响，πPr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；
所述电容器的寿命L由L＝(0.95C0)2/k计算获得，其中，C0为初始电容值，k为一常数，与抛物线速度常数成正比；
所述初始电容值C0由
Figure BDA0001658113110000231
计算获得，其中，t为氧化时间，ΔC(％)为t时刻的电容值相对初始电容值的下降百分比。
作为一种实施方式，所述可靠性指标获取模块260，具体用于：
基于λ＝λIGBT_M+λcap，计算获得所述IGBT组件的故障率；
基于R(t)＝e-λt，计算获得所述IGBT组件的可靠度函数；
基于所述IGBT组件的可靠度函数获取所述MMC换流阀的可靠性指标；
其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λcap表示所述电容器的故障率，λ为所述IGBT组件的故障率，R(t)为所述IGBT组件的可靠度函数。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法中的对应过程，在此不再过多赘述。
综上所述，本发明实施例提供一种MMC换流阀可靠性分析方法及装置，该方法通过基于模块化多电平MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的绝缘珊双极型晶体管IGBT组件中IGBT模块的电流应力以及所述IGBT组件中的电容器的电压应力，所述IGBT模块包括IGBT器件和二极管，根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温，根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率，以及根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温，根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率，再基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标，所以，本方法中考虑包括IGBT器件、二极管及电容器的故障率对MMC换流阀可靠性的影响，能够更加全面准确地计算MMC换流阀的可靠性。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
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所述以权利要求的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种MMC换流阀可靠性分析方法，其特征在于，所述方法包括：
基于模块化多电平MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的绝缘珊双极型晶体管IGBT组件中IGBT模块的电流应力以及所述IGBT组件中的电容器的电压应力，所述IGBT模块包括IGBT器件和二极管；
根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温；
根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率；
根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温；
根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率；
基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标；
其中，所述根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率，包括：
基于
Figure FDA0003554622820000011
计算获得所述电容器的故障率；其中，λcap为所述电容器的故障率，L为所述电容器的寿命，πin表示元件的过应力贡献因子，πPm表征元件的制造质量的影响，πPr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；
其中，L＝(0.95C0)2/k；其中，C0为初始电容值；
其中，所述初始电容值C0由
Figure FDA0003554622820000012
计算获得；其中，t为氧化时间，ΔC为t时刻的电容值相对初始电容值的下降百分比；
其中，根据k＝kc0·πT·πU计算结温为Tj,c时的腐蚀速率；其中，kc0是电压应力为Un、结温为Tn这一参考工况下的腐蚀速率，πT和πU分别表示热应力因子和电压应力因子；其中，根据
Figure FDA0003554622820000021
计算所述热应力因子；其中，Tn为参考温度，kB为玻尔兹曼常数，Ea为反应的活化能，T为运行温度；其中，根据
Figure FDA0003554622820000022
计算所述电压应力因子；其中，Un为参考电压，U为实际施加电压；
其中，所述基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标，包括：
基于λ＝λIGBT_M+λcap，计算获得所述IGBT组件的故障率；
基于R(t)＝e-λt，计算获得所述IGBT组件的可靠度函数；
基于所述IGBT组件的可靠度函数获取所述MMC换流阀的可靠性指标；
其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λcap表示所述电容器的故障率，λ为所述IGBT组件的故障率，R(t)为所述IGBT组件的可靠度函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温，包括：
基于
Figure FDA0003554622820000023
计算获得所述IGBT器件的损耗；
基于
Figure FDA0003554622820000024
计算获得所述二极管的损耗；
基于
Figure FDA0003554622820000025
计算获得所述IGBT器件和所述二极管的结温；
其中，Pcon.T表示所述IGBT器件的平均导通损耗，Pcon.D表示所述二极管的平均导通损耗，Psw.T表示所述IGBT器件的平均开关损耗，Psw.D表示所述二极管的平均开关损耗，IT_avg表示所述IGBT器件在一个基波周期内的电流应力，ID_avg表示所述二极管在一个基波周期内的电流应力，IT_rms表示所述IGBT器件在一个基波周期内的有效值，ID_rms表示所述二极管在一个基波周期内的有效值，UT0和RCE为所述IGBT器件的导通特性曲线拟合参数，UD0和RD为所述二极管的导通特性曲线拟合参数，aT、bT和cT为所述IGBT器件的开关损耗特性曲线拟合参数，aD、bD和cD为所述二极管的反向恢复损耗特性曲线拟合参数，fp为所述IGBT器件和所述二极管的导通截断频率；Tj.T为所述IGBT器件的结温，Tj.D为所述二极管的结温，PT为所述IGBT器件的功率损耗，PD为所述二极管的功率损耗，RthJC.T为所述IGBT器件的内部热阻，RthJC.D为所述二极管的内部热阻，RthCH.T为所述IGBT器件的外部热阻，RthCH.D为所述二极管的外部热阻，TH为散热器的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率，包括：
基于
Figure FDA0003554622820000031
以及λIGBT_M＝λT+λD，计算获得所述IGBT模块的故障率；
其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λT表示所述IGBT器件的故障率，λD表示所述二极管的故障率，λ0Th,T表示热应力因子对应的所述IGBT器件的基本故障率，λ0Th,D表示热应力因子对应的所述二极管的基本故障率，λ0TC,T表示温度循环因子对应的所述IGBT器件的基本故障率，λ0TC,D表示温度循环因子对应的所述二极管的基本故障率，πTh,T表示所述IGBT器件的所述IGBT器件的热应力因子，πTh,D表示所述二极管的热应力因子，πTC,T表示所述IGBT器件的温度循环因子，πTC,D表示所述二极管的温度循环因子，πin表示元件的过应力贡献因子，πpm表征元件的制造质量的影响，πpr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；
所述二极管的热应力因子为：
Figure FDA0003554622820000041
其中，α、β均为常数；Tj.D为所述二极管的结温；
所述IGBT器件的温度循环因子为：
Figure FDA0003554622820000042
其中，t表示元件的累计运行时间；Ncy为元件的结温循环波动次数；N0表示参考循环波动次数；θcy表示元件的结温波动循环时间；θ0表示参考循环时间；ΔTcy,T为所述IGBT器件的结温波动幅值；Tmax_cy,T为所述IGBT器件的结温波动最大值；γ,p,m为不同元件的调整系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温，包括：
基于
Figure FDA0003554622820000043
计算获得所述电容器的损耗；
基于
Figure FDA0003554622820000044
计算获得所述电容器的结温；
其中，Pcap为所述电容器的损耗，PPP为所述电容器的介质损耗，Pmetal为所述电容器的金属损耗，U为电压应力，d为聚丙烯膜的介损角，ω为电压的角频率，C为电容器容值，RESR为实测的所述电容器的等效串联电阻；
Tj,c为所述电容器的结温，Tke为所述电容器的外壳温度，Tamb为所述电容器的环境温度，Pcap为所述电容器的总损耗，Rcap为所述电容器的内部到外壳的热阻，kN为所述电容器的内部到外壳的传热系数，Rke为所述电容器的外壳到环境的热阻，β为所述电容器的外壳到环境的散热系数，A为所述电容器的有效散热面积。
5.一种MMC换流阀可靠性分析装置，其特征在于，所述装置包括：
电流电压应力获取模块，用于基于模块化多电平MMC换流阀仿真模型，获取MMC换流阀中的不同工况下的绝缘珊双极型晶体管IGBT组件中IGBT模块的电流应力以及所述IGBT组件中的电容器的电压应力，所述IGBT模块包括IGBT器件和二极管；
第一损耗结温计算模块，用于根据所述IGBT模块的电流应力获取所述IGBT模块的损耗和结温；
第一故障率计算模块，用于根据所述IGBT模块的损耗和结温获取所述IGBT模块的故障率；
第二损耗结温计算模块，用于根据所述电容器的电压应力获取所述电容器的损耗和结温；
第二故障率计算模块，用于根据所述电容器的损耗和结温获取所述电容器的故障率；
可靠性指标获取模块，用于基于所述IGBT模块及所述电容器的故障率，计算并获得所述MMC换流阀的可靠性指标；
其中，所述第二故障率计算模块，具体用于：
基于
Figure FDA0003554622820000051
计算获得所述电容器的故障率；其中，λcap为所述电容器的故障率，L为所述电容器的寿命，πin表示元件的过应力贡献因子，πPm表征元件的制造质量的影响，πPr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；
其中，L＝(0.95C0)2/k；其中，C0为初始电容值；
其中，所述初始电容值C0由
Figure FDA0003554622820000052
计算获得；其中，t为氧化时间，ΔC为t时刻的电容值相对初始电容值的下降百分比；
其中，根据k＝kc0·πT·πU计算结温为Tj,c时的腐蚀速率；其中，kc0是电压应力为Un、结温为Tn这一参考工况下的腐蚀速率，πT和πU分别表示热应力因子和电压应力因子；其中，根据
Figure FDA0003554622820000061
计算所述热应力因子；其中，Tn为参考温度，kB为玻尔兹曼常数，Ea为反应的活化能，T为运行温度；其中，根据
Figure FDA0003554622820000062
计算所述电压应力因子；其中，Un为参考电压，U为实际施加电压；
其中，所述可靠性指标获取模块，具体用于：
基于λ＝λIGBT_M+λcap，计算获得所述IGBT组件的故障率；
基于R(t)＝e-λt，计算获得所述IGBT组件的可靠度函数；
基于所述IGBT组件的可靠度函数获取所述MMC换流阀的可靠性指标；
其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λcap表示所述电容器的故障率，λ为所述IGBT组件的故障率，R(t)为所述IGBT组件的可靠度函数。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一损耗结温计算模块包括：
IGBT器件损耗计算单元，用于基于
Figure FDA0003554622820000063
计算获得所述IGBT器件的损耗；
二极管损耗计算单元，用于基于
Figure FDA0003554622820000064
计算获得所述二极管的损耗；
IGBT模块结温计算单元，用于基于
Figure FDA0003554622820000071
计算获得所述IGBT器件和所述二极管的结温；
其中，Pcon.T表示所述IGBT器件的平均导通损耗，Pcon.D表示所述二极管的平均导通损耗，Psw.T表示所述IGBT器件的平均开关损耗，Psw.D表示所述二极管的平均开关损耗，IT_avg表示所述IGBT器件在一个基波周期内的电流应力，ID_avg表示所述二极管在一个基波周期内的电流应力，IT_rms表示所述IGBT器件在一个基波周期内的有效值，ID_rms表示所述二极管在一个基波周期内的有效值，UT0和RCE为所述IGBT器件的导通特性曲线拟合参数，UD0和RD为所述二极管的导通特性曲线拟合参数，aT、bT和cT为所述IGBT器件的开关损耗特性曲线拟合参数，aD、bD和cD为所述二极管的反向恢复损耗特性曲线拟合参数，fp为所述IGBT器件和所述二极管的导通截断频率；Tj.T为所述IGBT器件的结温，Tj.D为所述二极管的结温，PT为所述IGBT器件的功率损耗，PD为所述二极管的功率损耗，RthJC.T为所述IGBT器件的内部热阻，RthJC.D为所述二极管的内部热阻，RthCH.T为所述IGBT器件的外部热阻，RthCH.D为所述二极管的外部热阻，TH为散热器的温度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一故障率计算模块，具体用于基于
Figure FDA0003554622820000072
以及λIGBT_M＝λT+λD，计算获得所述IGBT模块的故障率；
其中，λIGBT_M表示所述IGBT模块的故障率，λT表示所述IGBT器件的故障率，λD表示所述二极管的故障率，λ0Th,T表示热应力因子对应的所述IGBT器件的基本故障率，λ0Th,D表示热应力因子对应的所述二极管的基本故障率，λ0TC,T表示温度循环因子对应的所述IGBT器件的基本故障率，λ0TC,D表示温度循环因子对应的所述二极管的基本故障率，πTh,T表示所述IGBT器件的所述IGBT器件的热应力因子，πTh,D表示所述二极管的热应力因子，πTC,T表示所述IGBT器件的温度循环因子，πTC,D表示所述二极管的温度循环因子，πin表示元件的过应力贡献因子，πpm表征元件的制造质量的影响，πpr表征元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响；
所述二极管的热应力因子为：
Figure FDA0003554622820000081
其中，α、β均为常数；Tj.D为所述二极管的结温；
所述IGBT器件的温度循环因子为：
Figure FDA0003554622820000082
其中，t表示元件的累计运行时间；Ncy为元件的结温循环波动次数；N0表示参考循环波动次数；θcy表示元件的结温波动循环时间；θ0表示参考循环时间；ΔTcy,T为所述IGBT器件的结温波动幅值；Tmax_cy,T为所述IGBT器件的结温波动最大值；γ,p,m为不同元件的调整系数。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二损耗结温计算模块，包括：
电容器损耗计算单元，用于基于
Figure FDA0003554622820000083
计算获得所述电容器的损耗；
电容器结温计算单元，用于基于
Figure FDA0003554622820000084
计算获得所述电容器的结温；
其中，Pcap为所述电容器的损耗，PPP为所述电容器的介质损耗，Pmetal为所述电容器的金属损耗，U为电压应力，d为聚丙烯膜的介损角，ω为电压的角频率，C为电容器容值，RESR为实测的所述电容器的等效串联电阻；Tj,c为所述电容器的结温，Tke为所述电容器的外壳温度，Tamb为所述电容器的环境温度，Pcap为所述电容器的总损耗，Rcap为所述电容器的内部到外壳的热阻，kN为所述电容器的内部到外壳的传热系数，Rke为所述电容器的外壳到环境的热阻，β为所述电容器的外壳到环境的散热系数，A为所述电容器的有效散热面积。
CN201810453270.6A 2018-05-11 2018-05-11 Mmc换流阀可靠性分析方法及装置 Active CN108647447B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810453270.6A CN108647447B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 Mmc换流阀可靠性分析方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810453270.6A CN108647447B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 Mmc换流阀可靠性分析方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108647447A CN108647447A (zh) 2018-10-12
CN108647447B true CN108647447B (zh) 2022-07-01

Family

ID=63754891

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810453270.6A Active CN108647447B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 Mmc换流阀可靠性分析方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108647447B (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109813462B (zh) * 2018-12-11 2020-09-04 深圳市法拉第电驱动有限公司 电容芯温处理方法、装置、设备及计算机可读存储介质
CN109980981B (zh) * 2019-04-09 2020-04-24 浙江大学 基于主动旁路及对称调制的混合型mmc热应力不均平抑方法
CN110133464B (zh) * 2019-05-14 2021-11-26 重庆大学 一种基于mmc换流阀应用工况的igbt器件功率循环测评方法
CN110112944B (zh) * 2019-05-28 2020-11-03 福州大学 基于Copula函数的模块化多电平换流器可靠性分析方法
CN110376449A (zh) * 2019-06-05 2019-10-25 西安交通大学 一种基于器件失效来源的mmc可靠性分析方法
CN110261698B (zh) * 2019-06-20 2021-10-08 重庆大学 基于mmc换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法
CN111273149B (zh) * 2020-02-20 2021-01-26 浙江大学 一种用于电磁兼容仿真的igbt模块建模方法
CN112003488B (zh) * 2020-04-22 2021-06-22 华南理工大学 模块化多电平换流器可靠性评估方法
CN111585298B (zh) * 2020-05-09 2021-09-21 清华大学 用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统
CN111817581B (zh) * 2020-07-17 2021-09-24 山东大学 一种多电平换流器的运行控制方法及控制系统
CN114781216B (zh) * 2022-04-22 2024-04-02 国网浙江省电力有限公司舟山供电公司 一种高压柔直换流阀igbt模块温度场分布的仿真计算方法与系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104993715A (zh) * 2015-06-29 2015-10-21 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 模块化多电平换流器阀损快速评估算法
CN105760669A (zh) * 2016-02-15 2016-07-13 重庆三峡学院 一种风电变流器功率模块故障率评估方法及系统
CN107341299A (zh) * 2017-06-22 2017-11-10 太原理工大学 计及运行环境影响的风机可靠性建模方法
CN107633112A (zh) * 2017-08-17 2018-01-26 全球能源互联网研究院有限公司 一种mmc可靠性分析方法及装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3032680A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-15 ABB Technology AG Standby and charging of modular multilevel converters

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104993715A (zh) * 2015-06-29 2015-10-21 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 模块化多电平换流器阀损快速评估算法
CN105760669A (zh) * 2016-02-15 2016-07-13 重庆三峡学院 一种风电变流器功率模块故障率评估方法及系统
CN107341299A (zh) * 2017-06-22 2017-11-10 太原理工大学 计及运行环境影响的风机可靠性建模方法
CN107633112A (zh) * 2017-08-17 2018-01-26 全球能源互联网研究院有限公司 一种mmc可靠性分析方法及装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
金属化电力电容器的热计算问题;陈温良;《电力电容器与无功补偿》;20031231(第S1期);第53-57页 *
高压自愈式电容器典型交流工况下温度场分析及优化设计;尹婷;《高压电技术》;20161231(第12期);第3996-4004页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108647447A (zh) 2018-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108647447B (zh) Mmc换流阀可靠性分析方法及装置
CN109581178B (zh) 确定电压型逆变器igbt模块结温的方法及设备
WO2017071365A1 (zh) 数字化驱动的igbt电流检测系统及其检测方法
CN111079067B (zh) 一种igbt模块结温的迭代计算方法和相关装置
US20220224105A1 (en) Thermal protection and warning method and system based on junction temperature prediction for power devices of offshore wind power converters
CN103455077A (zh) 一种自适应调整电压的方法、装置及系统
KR101942027B1 (ko) 디바이스의 온도 예측 방법
CN101997302A (zh) 大功率变流器的电力电子器件温度过高的保护方法
JP2010154613A (ja) 直流電源装置
Xu et al. A unified MMC reliability evaluation based on physics-of-failure and SM lifetime correlation
EP3681028A1 (en) Power conversion device
CN108399275A (zh) 一种考虑任务剖面的mmc关键器件综合寿命预测方法
CN111460639B (zh) 动态推算电缆导体温度的方法、装置、电子设备及存储介质
CN111060797A (zh) 一种基于热网络自然频率的igbt模块健康状态监测方法
CN113377178A (zh) 笔记本电脑散热控制方法、系统、处理终端、储存介质
Li et al. Real-time estimation of junction temperature in IGBT inverter with a simple parameterized power loss model
JP5959457B2 (ja) パワーモジュール
CN112329244B (zh) 一种用于igbt结温估计的优化功率损耗等效建模方法
Fassi et al. Towards Physics-Informed Machine Learning-Based Predictive Maintenance for Power Converters–A Review
JP2019047641A (ja) 電力変換システムおよび制御装置
Liu et al. An investigation on IGBT junction temperature estimation using online regression method
CN109558681A (zh) 一种绝缘栅双极型晶体管的损耗功率的获得方法及装置
Wang et al. Reliability evaluation and optimization of capacitor bank
CN114900425A (zh) 一种agc设备双通道切换方法
Pichan et al. A straightforward procedure to select passive elements in single-phase pulse-width modulation rectifiers with developed resonant current controller

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant