CN109149982B - 模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，该方法依据IGBT模块的型号数据，电容器的型号数据、MMC任务剖面，计算稳态下IGBT和二极管的结温IGBT、二极管的结温、电容器的热点温度；采用雨流计数法统计全年的IGBT、二极管的结温，得到全年低频热循环列表；根据全年低频热循环列表、电容器的热点温度，采用预设的寿命模型计算IGBT、二极管以及电容器的寿命值；模拟上述步骤重复计算多组寿命值，以得到威布尔寿命分布，以该威布尔寿命分布评估MMC中功率模块的可靠性，上述方法充分考虑MMC中电热应力能，对评估MMC在不同任务剖面下MMC的可靠性，具有良好的工程适用性；同时克服了现有直流工程元件寿命统计数据样本不足的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及模块化电平换流器功率模块评估技术领域，具体涉及一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法。
背景技术
长久以来，柔性直流输电系统核心部件换流器可靠性不佳，特别是高频开关切换下性能差、发热大、损耗高，导致柔性直流输电投资、运维费用高，成为高压大功率场合应用的主要障碍。近年来，模块化多电平换流器(modular multileveI converter，MMC)凭借其高品质的输出波形以及较低的功率损耗，极大促进了柔性直流输电技术的发展。柔性直流输电发热直接影响其可靠性、降低寿命和提高系统全生命周期成本。因此，解析MMC损耗机理、评估MMC寿命，不仅有助于探明MMC薄弱环节为持续改进生产工艺、设计换流器散热器奠定理论基础，还为MMC开展在线监测和状态检修提供指导依据。
而半桥结构的MMC功率模块主要由两个IGBT模块(包含IGBT芯片和Diode芯片)和一个电容器组组成。机械、热、电、化学、宇宙射线等各种因素影响着元元件的可靠性。在这些因素中，影响换流器IGBT模块和电容器可靠性最主要的因素是电热应力。柔性直流输电用的MMC电压等级高、功率模块数量多、模块布局紧凑、散热困难。由于MMC安装位置环境及使用工况的不同，换流器的可靠性存在差异；此外，柔性直流工程近几年才发展起来，且数量有限，元件失效的数据样本小，数据受到限制；而传统的MMC可靠性研究都是基于已知的元件故障失效率、或基于统计失效率，但并未涉及IGBT、diode和电容器电热应力无法辨识不同应用场合下MMC的可靠性。
发明内容
基于此，本发明提供了一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，充分考虑MMC的电热应力能，对评估MMC在不同任务剖面下MMC的可靠性，具有良好的工程适用性。
本发明实施例提供的一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，包括：
获取MMC的参数；其中，所述参数包括交流侧、直流侧的电压等级，IGBT模块的型号数据，电容器的型号数据、所述MMC运行环境下的全年环境温度及实际功率；
根据所述交流侧、直流侧的电压等级、所述IGBT模块的型号数据、所述全年环境温度以及所述实际功率，计算稳态下所述IGBT和所述二极管的结温；
根据所述电容器的型号数据、所述全年环境温度，计算所述电容器的热点温度；
采用雨流计数法统计全年的所述IGBT、所述二极管的结温，得到全年低频热循环列表；其中，所述全年低频热循环列表包括：热循环幅值、热循环平均值、热循环周期和热循环数量；
根据所述全年低频热循环列表、所述电容器的热点温度，采用预设的寿命模型计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值；
重复模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，得到所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布；
根据所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，计算所述MMC中功率模块的可靠性。
优选地，所述重复模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，得到所述IGBT模块、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，具体包括：
采用蒙特卡罗算法各模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值；
分别拟合N组所述IGBT、所述二极管以及N组所述电容器的寿命值，得到所述IGBT模块、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布。
优选地，所述根据所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，计算所述MMC中功率模块的可靠性，具体包括：
根据公式(1)，分别计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的可靠性；
其中，β、η分别为威布尔寿命分布的形状参数和比例参数；t、d、c分别表征所述IGBT、所述二极管以及所述电容器；
根据公式(2)，计算所述MMC中功率模块的可靠性；
RSM＝∏Rk(t) (2)
其中，k表示表征所述IGBT、所述二极管或所述电容器。
优选地，所述根据所述电容器的型号数据、所述全年环境温度，计算所述电容器的热点温度，具体包括：
根据公式(3)，计算所述电容器的热点温度Tc,h；
其中，Pc,loss、Tc,h分别表征电容器的损耗和热点温度；Rhc、Rca为所述电容器的型号数据中的电容的热阻值；RES为电容器的等效电阻，即纹波电流频率fn的函数；ICn为纹电流；Ta为所述全年环境温度。
优选地，所述根据所述全年低频热循环列表、所述电容器的热点温度，采用预设的寿命模型计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，具体包括：
所述预设的寿命模型包括IGBT模块寿命模型以及电容器寿命模型；
根据所述全年低频热循环列表，采用所述IGBT模块寿命模型计算所述IGBT、所述二极管的失效周期数；
根据所述失效周期以及所述全年低频热循环列表，采用Miner法则计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤，并对所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤求倒数，得到所述IGBT、所述二极管的寿命值；
根据所述电容器的热点温度，采用所述电容器寿命模型计算所述电容器的寿命值。
优选地，所述IGBT模块寿命模型为：
(4)；
其中，(Tjmax-Tjmin)是2倍的热循环幅值；ton是热循环的上升时间；(Tjmax-Tjmin)＝2*Amp、Tjmin＝Mea-Amp、ton＝0.5*Per，Mea、Amp、Per分别为所述全年低频热循环列表中热循环平均值、热循环周期、热循环数量；Ib是键合线的额定电流；Vc是电压等级，D是键合线的直径；k、β1-β6为所述IGBT模块寿命模型的参数；
所述电容器寿命模型为：
其中，L是电容器在热点温度Tc,h的条件的预估寿命；V电容器实际的使用电压；V0是额定电压；n是电压应力加速因子；L0是电容器在测试热点温度为T0的条件下的寿命。
优选地，所述根据所述失效周期以及所述全年低频热循环列表，采用Miner法则计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤，具体包括：
根据公式(6)，计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤；
其中，Nt是全年热循环的种类数；Ns环境温度序列的采样点数；对应j类热循环：Nf,j是失效周期数,Nj是的热循环的个数；Δt是采样间隔。
优选地，所述参数还包括功率模块的数量、功率模块的冗余数、功率模块的电压等级、开关频率、功率模块电容器组的容量和拓扑结构。
优选地，所述根据所述交流侧、直流侧的电压等级、所述IGBT模块的型号数据、所述全年环境温度以及所述实际功率，计算稳态下所述IGBT和所述二极管的结温，具体包括：
所述IGBT模块的型号数据包括静态特性曲线、开关特性曲线、VF-lF曲线、Erec-lF曲线、IGBT的额定电压、IGBT的运行电压；
根据所述交流侧、直流侧的电压等级以及所述实际功率，计算所述MMC中IGBT、二极管及电容器的电流平均值和电流有效值；
根据所述静态特性曲线、所述IGBT的平均值和电流有效值，计算所述IGBT的通态损耗；
根据所述开关特性曲线、所述开关频率、所述IGBT的额定电压、以及所述IGBT的运行电压，计算所述IGBT的开关损耗；
根据所述IGBT的通态损耗、所述IGBT的开关损耗，计算所述IGBT的损耗；
根据所述IGBT的损耗，采用热等效网络模型计算所述IGBT的结温；
根据所述VF-lF曲线、所述二极管的电流平均值和电流有效值，计算所述二极管的通态损耗；
根据所述Erec-lF曲线、所述IGBT的额定电压、以及所述IGBT的运行电压，计算所述二极管的开关损耗；
根据所述二极管的通态损耗、所述二极管的开关损耗，计算所述二极管的损耗；
根据所述二极管的损耗，采用所述热等效网络模型计算所述二极管的结温。
优选地根据公式(7)，计算所述IGBT的损耗；
其中，Pt,con、Pt,sw、Pt,loss分别表征所述IGBT的通态损耗、开关损耗、损耗；VT和RCE静态特性曲线的拟合值；iTavg、iTrms分别为所述IGBT的电流平均值、电流有效值；at、bt、ct分别为开关特性曲线的拟合参数；Unom为IGBT模块的额定电压；USM为IGBT模块的实际运行电压；fs是开关频率；
根据公式(8)，计算所述IGBT、所述二极管的结温；
其中，Tt,j，Td,j分别表征所述IGBT的结温、所述二极管的结温；
Th＝(Pt,loss+Pd,loss)Rha+Ta；Rtjc,i，Rdjc,i，Rtch和Rdch为所述热等效网络模型的参数；Rha是IGBT模块散热器的热阻；Ta是MMC安装位置的环境温度。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法的有益效果在于：该方法包括：获取MMC的参数；其中，所述参数包括交流侧、直流侧的电压等级，IGBT模块的型号数据，电容器的型号数据、所述MMC运行环境下的全年环境温度及实际功率；根据所述交流侧、直流侧的电压等级、所述IGBT模块的型号数据、所述全年环境温度以及所述实际功率，计算稳态下所述IGBT和所述二极管的结温；根据所述电容器的型号数据、所述全年环境温度，计算所述电容器的热点温度；采用雨流计数法统计全年的所述IGBT、所述二极管的结温，得到全年低频热循环列表；其中，所述全年低频热循环列表包括：热循环幅值、热循环平均值、热循环周期和热循环数量；根据所述全年低频热循环列表、所述电容器的热点温度，采用预设的寿命模型计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值；重复模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，得到所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布；根据所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，计算所述MMC中功率模块的可靠性。该方法充分考虑MMC的电热应力能，对评估MMC在不同任务剖面下MMC的可靠性，具有良好的工程适用性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法的流程图；
图2是是本发明所述的MMC功率模块的结构示意图；
图3是图2所述MMC功率模块的电流波形图；
图4是本发明所述功率模块电容器组的拓扑结构示意图；
图5是本发明所述MMC运行环境下的全年环境温度及实际功率(任务剖面)的示意图；
图6是本发明实施例中T2时序结温和电容器时序热点温度的示意图；
图7是本发明所述的MMC功率模块可靠性评估结果的示意图；
图8是图1所述模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法的框架示意图。
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作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。
请参阅图2至图5，其中，图2是本发明所述的MMC功率模块的结构示意图；图3是图2所述MMC功率模块的电流波形图；图4是本发明所述功率模块电容器组的拓扑结构示意图；图5是本发明所述MMC运行环境下的全年环境温度及实际功率(任务剖面)示意图。根据图2至图5，可以得知功率模块电容器组的容量为6mF。在清华气象站环境温度数据，日负荷潮流曲线如图5所示。下面以图2至图5给出的数据为例进行模块化电平换流器功率模块可靠性评估。
请参阅图1，其是本发明实施例提供的一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法的流程图；
所述模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，包括：
S100：获取MMC的参数；其中，所述参数包括交流侧、直流侧的电压等级，IGBT模块的型号数据，电容器的型号数据、所述MMC运行环境下的全年环境温度及实际功率；
在本实施例中，所述MMC的参数具体如下表所示：
其中，IGBT模块的型号为5SNA1500E330305，电容器的型号为Cornell Dubilier，1500F,900V,T1pe 947D pol1prop1lene film DC-link capacitors。所述IGBT模块的型号数据可以从IGBT模块数据手册获取。
所述MMC运行环境下的全年环境温度及实际功率即为所述MMC的任务剖面具体如图2所示。
S200：根据所述交流侧、直流侧的电压等级、所述IGBT模块的型号数据、所述全年环境温度以及所述实际功率，计算稳态下所述IGBT和所述二极管的结温；
S300：根据所述电容器的型号数据、所述全年环境温度，计算所述电容器的热点温度；
S400：采用雨流计数法统计全年的所述IGBT、所述二极管的结温，得到全年低频热循环列表；其中，所述全年低频热循环列表包括：热循环幅值、热循环平均值、热循环周期和热循环数量；
雨流计数法的输入为全年的IGBT结温序列，输出为一个二维矩阵。该二维矩阵的每一列包含了一个低频热循环的全部信息：热循环幅值Amp、热循环平均值Mea、热循环周期Per和数热循环量Nj。二维矩阵含有若干列，包含了全年所有的低频热循环信息。另外，考虑一个基频周期内(0.02秒)IGBT和二极管交替导通将会产生结温波动，解析计算该基频热循环的幅值。
S500：根据所述全年低频热循环列表、所述电容器的热点温度，采用预设的寿命模型计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值；
S600：重复模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，得到所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布；
S700：根据所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，计算所述MMC中功率模块的可靠性。
本发明依据所述IGBT、所述二极管的结温、所述电容器的热点温度计算相应元件的寿命，并通过模拟步骤S200～S500重复计算多组元件的寿命，以得到所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，以该威布尔寿命分布评估所述MMC中功率模块的可靠性，充分考虑MMC中电热应力能，对评估MMC在不同任务剖面下MMC的可靠性，具有良好的工程适用性；同时克服了现有直流工程元件寿命统计数据样本不足的缺点。
在本实施例中，当有功传输功率P＝500MW，环境温度Ta＝30℃时，计算出功率元件(T1、T2、D1、D2和C)的损耗、IGBT的结温和电容器的热点温度如下表所示：
元件的温度依赖于MMC的传输功率P和环境温度Ta，以T2和C为例，给出全年的温度序列如图6所示。
在一种可选的实施例中，S600：重复模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，得到所述IGBT模块、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，具体包括：
采用蒙特卡罗算法各模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值；
分别拟合N组所述IGBT、所述二极管以及N组所述电容器的寿命值，得到所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布。
本发明采用蒙特卡罗算法抽样获取功率模块中各元件的威布尔寿命分布参数，可以建立了元件寿命预测和可靠性分析的纽带，克服了现有直流工程元件寿命统计数据样本不足的缺点，同时使得元件的电热应力能反映于MMC可靠性评估中。寿命参数和任务剖面参数有5％的偏差，且这些偏差服从正态分布N(0,0.22)。重复步骤S200到步骤S500计算10000次，拟合出的所述MMC中IGBT(T1、T2)、二极管(D1、D2)及电容器(C)的威布尔寿命分布的参数如下表所示：
在一种可选的实施例中，所述根据所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，计算所述MMC中功率模块的可靠性，具体包括：
根据公式(1)，分别计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的可靠性；
其中，β、η分别为威布尔寿命分布的形状参数和比例参数；t、d、c分别表征所述IGBT、所述二极管以及所述电容器；
寿命模型的参数、功率参数和环境温度参数都有5％的偏差，即k、β1-β6、L0、n、Ta、P。这些参数的偏差都服从正态分布N(0，0.22)，用蒙特卡罗模拟10000个例子，即重复步骤S200至步骤S500的计算10000次，得到每个元件的寿命值，并拟合出每个元件的威布尔寿命分布的形状参数β和比例参数η。
根据公式(2)，计算所述MMC中功率模块的可靠性；
RSM＝∏Rk(t) (2)
其中，k表示表征所述IGBT、所述二极管或所述电容器。
MMC功率模块中任意元件失效，功率模块都退出运行。T1，T2，D1，D2和C在逻辑上为串联关系。
在一种可选的实施例中，所述根据所述电容器的型号数据、所述全年环境温度，计算所述电容器的热点温度，具体包括：
根据公式(3)，计算所述电容器的热点温度Tc,h；
其中，Pc,loss、Tc,h分别表征电容器的损耗和热点温度；Rhc、Rca为所述电容器的型号数据中的电容的热阻值，其值从datasheet中获取；RES为电容器的等效电阻，即纹波电流频率fn的函数；ICn为纹电流；Ta为所述全年环境温度。
在一种可选的实施例中，所述根据所述全年低频热循环列表、所述电容器的热点温度，采用预设的寿命模型计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，具体包括：
所述预设的寿命模型包括IGBT模块寿命模型以及电容器寿命模型；
根据所述全年低频热循环列表，采用所述IGBT模块寿命模型计算所述IGBT、所述二极管的失效周期数；
根据所述失效周期以及所述全年低频热循环列表，采用Miner法则计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤，并对所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤求倒数，得到所述IGBT、所述二极管的寿命值；
根据所述电容器的热点温度，采用所述电容器寿命模型计算所述电容器的寿命值。
在一种可选的实施例中，所述IGBT模块寿命模型为：
其中，(Tjmax-Tjmin)是2倍的热循环幅值；ton是热循环的上升时间；(Tjmax-Tjmin)＝2*Amp、Tjmin＝Mea-Amp、ton＝0.5*Per，Mea、Amp、Per分别为所述全年低频热循环列表中热循环平均值、热循环周期、热循环数量；Ib是键合线的额定电流；Vc是电压等级(额定电压除于100)，D是键合线的直径(单位微米)；k、β1-β6为所述IGBT模块寿命模型的参数；
所述IGBT模块寿命模型的参数具体如下表所示：
所述电容器寿命模型为：
其中，L是电容器在热点温度Tc,h的条件的预估寿命；V电容器实际的使用电压；V0是额定电压；n是电压应力加速因子；L0是电容器在测试热点温度为T0的条件下的寿命。
在一种可选的实施例中，所述根据所述失效周期以及所述全年低频热循环列表，采用Miner法则计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤，具体包括：
根据公式(6)，计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤；
其中，Nt是全年热循环的种类数；Ns环境温度序列的采样点数；对应j类热循环：Nf,j是失效周期数,Nj是的热循环的个数；Δt是采样间隔。
所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤的倒数为：
在一种可选的实施例中，所述参数还包括功率模块的数量、功率模块的冗余数、功率模块的电压等级、开关频率、功率模块电容器组的容量和拓扑结构。
在一种可选的实施例中，所述根据所述交流侧、直流侧的电压等级、所述IGBT模块的型号数据、所述全年环境温度以及所述实际功率，计算稳态下所述IGBT和所述二极管的结温，具体包括：
所述IGBT模块的型号数据包括静态特性曲线、开关特性曲线、VF-lF曲线、Erec-lF曲线、IGBT的额定电压、IGBT的运行电压；
根据所述交流侧、直流侧的电压等级以及所述实际功率，计算所述MMC中IGBT、二极管及电容器的电流平均值和电流有效值；
例如，依据所述MMC模块的结构拓扑，计算得到所述MMC中IGBT(T1、T2)、二极管(D1、D2)及电容器(C)的电流平均值和电流有效值如下表所示：
所述MMC中IGBT(T1、T2)、二极管(D1、D2)及电容器(C)的电流平均值和电流有效值的计算是基于1GBTs实际运行的有效工作区间的解析计算方法，具体如下：
获取的实际功率和母线电压等级(即交流侧、直流侧的电压等级)，忽略桥臂电流的谐波分量，计算出直流母线电流Idc，交流侧相电流幅值Im，具体如下：
Ua＝Umsin(ωt)
ia＝Imsin(ωt-φ)
其中，Um、Im分别为相电压幅值和相电流幅值，ω为基波角频率，φ为a相交流出口电压与电流的相位角；
A相上桥臂电压Uau和下桥臂电压Ual为：
其中，Udc为MMC直流侧母线电压；
理想情况下，直流电流在三相单元中平均分配，交流相电流在上、下桥臂中平均分配；a相上桥臂电流iau和下桥臂电流ial为：
其中，Idc为MMC直流侧母线电流；
上桥臂电压Uau为：
其中，m为电压调制比；
上桥臂电流iau为：
其中，Im为交流侧a相电流幅值,由直流侧和交流侧的功率相等的关系可得：
上式可推出直流侧的电流Idc为：
上、下桥臂调制的占空比nau、nal分别为：
T1的电流平均值iT1avg和电流有效值iT1rms为：
T2的电流平均值iT2avg和电流有效值iT2rms为：
D1的电流平均值iD1avg和电流有效值iD1rms为：
D2的电流平均值iD2avg和电流有效值iD2rms为：
其中，θ为电流ia过零时的相位角。
采用上述方法，以额定传输功率的情况下为例，T1、T2、D1、D2和C的电流有效值分别为358A、978A、488A、150A、402A。
根据所述静态特性曲线、所述IGBT的平均值和电流有效值，计算所述IGBT的通态损耗；
根据所述开关特性曲线、所述开关频率、所述IGBT的额定电压、以及所述IGBT的运行电压，计算所述IGBT的开关损耗；
根据所述IGBT的通态损耗、所述IGBT的开关损耗，计算所述IGBT的损耗；
根据所述IGBT的损耗，采用热等效网络模型计算所述IGBT的结温；
根据所述VF-lF曲线、所述二极管的电流平均值和电流有效值，计算所述二极管的通态损耗；
根据所述Erec-lF曲线、所述IGBT的额定电压、以及所述IGBT的运行电压，计算所述二极管的开关损耗；
根据所述二极管的通态损耗、所述二极管的开关损耗，计算所述二极管的损耗；
根据所述二极管的损耗，采用所述热等效网络模型计算所述二极管的结温。
在一种可选的实施例中根据公式(7)，计算所述IGBT的损耗；
其中，Pt,con、Pt,sw、Pt,loss分别表征所述IGBT的通态损耗、开关损耗、损耗；VT和RCE静态特性曲线的拟合值；iTavg、iTrms分别为所述IGBT的电流平均值、电流有效值；at、bt、ct分别为开关特性曲线的拟合参数；Unom为IGBT模块的额定电压；USM为IGBT模块的实际运行电压；fs是开关频率；
在本实施例中，所述二极管的损耗以及结温的计算方法与所述IGBT的损耗以及结温的计算方法相同，在此不在重复说明。
所述二极管的损耗为：
其中，Pcon,D、Prec,D、Ploss,D分别表征所述二极管的通态损耗、开关损耗、损耗；VD、RD为所述VF-lF曲线的的拟合参数；aD、bD、cD为所述Erec-lF曲线的拟合参数，Unom为IGBT数据手册测试条件中IGBT集射极电压，USM为IGBT工作电压。
根据公式(8)，计算稳态下所述IGBT以及所述二极管的结温：Tt,j，Td,j；
其中，Th＝(Pt,loss+Pd,loss)Rha+Ta；Rtjc,i，Rdjc,i，Rtch和Rdch为所述热等效网络模型的参数，其值从IGBT模块数据手册中查找；Rha是IGBT模块散热器的热阻；Ta是MMC安装位置的环境温度。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法有如下优势：
(1)基于元件的物理失效，用IGBT的寿命模型、电容器的寿命模型和Miner法则建立了IGBT和电容器统一的可靠性评估方法，确定功率模块可靠性薄弱的元件，即功率模块各元件可靠性的差异，例如不同厂家及不同型号的IGBT和电容器的发热特性性能上有所差异；根据元件的损耗特性，评估IGBT、diode和电容器的损耗；用热等效网络快速评估IGBT、diode的结温和电容器的热点温度，以实现快速评估T1、T2、D1和D2和电容器的寿命。
(2)本发明用蒙特卡罗方法抽样获取功率模块各元件的威布尔寿命分布参数，建立了寿命预测和可靠性分析的纽带，使得元件的电热应力能反映于MMC可靠性评估的过程中，同时克服了现有直流工程元件寿命统计数据样本不足的缺点。
(3)本发明计算MMC功率模块可靠性时详细考虑了MMC系统的结构、元件类型和任务剖面(即考虑了环境温度的影响)等，使得本发明适用于MMC不同地理位置安装下的可靠性分析，MMC功率模块可靠性评估具有工程适用性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，包括：
获取MMC的参数；其中，所述参数包括交流侧、直流侧的电压等级，IGBT模块的型号数据，电容器的型号数据、所述MMC运行环境下的全年环境温度及实际功率；
根据所述交流侧、直流侧的电压等级、所述IGBT模块的型号数据、所述全年环境温度以及所述实际功率，计算稳态下IGBT和二极管的结温；
根据所述电容器的型号数据、所述全年环境温度，计算所述电容器的热点温度；
采用雨流计数法统计全年的所述IGBT、所述二极管的结温，得到全年低频热循环列表；其中，所述全年低频热循环列表包括：热循环幅值、热循环平均值、热循环周期和热循环数量；
根据所述全年低频热循环列表、所述电容器的热点温度，采用预设的寿命模型计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值；
重复模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，得到所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布；
根据所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，计算所述MMC中功率模块的可靠性；
所述根据所述全年低频热循环列表、所述电容器的热点温度，采用预设的寿命模型计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，具体包括：
所述预设的寿命模型包括IGBT模块寿命模型以及电容器寿命模型；
根据所述全年低频热循环列表，采用所述IGBT模块寿命模型计算所述IGBT、所述二极管的失效周期数；
根据所述失效周期以及所述全年低频热循环列表，采用Miner法则计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤，并对所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤求倒数，得到所述IGBT、所述二极管的寿命值；
根据所述电容器的热点温度，采用所述电容器寿命模型计算所述电容器的寿命值。
2.如权利要求1所述的模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，所述重复模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值，得到所述IGBT模块、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，具体包括：
采用蒙特卡罗算法各模拟计算N组所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的寿命值；
分别拟合N组所述IGBT、所述二极管以及N组所述电容器的寿命值，得到所述IGBT模块、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布。
3.如权利要求1或2所述的模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，所述根据所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的威布尔寿命分布，计算所述MMC中功率模块的可靠性，具体包括：
根据公式(1)，分别计算所述IGBT、所述二极管以及所述电容器的可靠性；
其中，β、η分别为威布尔寿命分布的形状参数和比例参数；t、d、c分别表征所述IGBT、所述二极管以及所述电容器；
根据公式(2)，计算所述MMC中功率模块的可靠性；
RSM＝∏Rk(t) (2)
其中，k表示表征所述IGBT、所述二极管或所述电容器。
4.如权利要求1所述的模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，所述根据所述电容器的型号数据、所述全年环境温度，计算所述电容器的热点温度，具体包括：
根据公式(3)，计算所述电容器的热点温度Tc，h；
其中，Pc，loss、Tc，h分别表征电容器的损耗和热点温度；Rhc、Rca为所述电容器的型号数据中的电容的热阻值；RES为电容器的等效电阻，即纹波电流频率fn的函数；ICn为纹电流；Ta为所述全年环境温度。
5.如权利要求1所述的模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，
所述IGBT模块寿命模型为：
其中，(Tjmax-Tjmin)是2倍的热循环幅值；ton是热循环的上升时间；(Tjmax-Tjmin)＝2*Amp、Tjmin＝Mea-Amp、ton＝0.5*Per，Mea、Amp、Per分别为所述全年低频热循环列表中热循环平均值、热循环周期、热循环数量；Ib是键合线的额定电流；Vc是电压等级，D是键合线的直径；k、β1-β6为所述IGBT模块寿命模型的参数；
所述电容器寿命模型为：
其中，L是电容器在热点温度Tc，h的条件的预估寿命；V电容器实际的使用电压；V0是额定电压；n是电压应力加速因子；L0是电容器在测试热点温度为T0的条件下的寿命。
6.如权利要求5所述的模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，所述根据所述失效周期以及所述全年低频热循环列表，采用Miner法则计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤，具体包括：
根据公式(6)，计算所述IGBT、所述二极管的全年的累积损伤；
其中，Nt是全年热循环的种类数；Ns环境温度序列的采样点数；对应j类热循环：Nf，j是失效周期数，Nj是的热循环的个数；Δt是采样间隔。
7.如权利要求1所述的模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，所述参数还包括功率模块的数量、功率模块的冗余数、功率模块的电压等级、开关频率、功率模块电容器组的容量和拓扑结构。
8.如权利要求7所述的模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，所述根据所述交流侧、直流侧的电压等级、所述IGBT模块的型号数据、所述全年环境温度以及所述实际功率，计算稳态下所述IGBT和所述二极管的结温，具体包括：
所述IGBT模块的型号数据包括静态特性曲线、开关特性曲线、VF-IF曲线、Erec-IF曲线、IGBT的额定电压、IGBT的运行电压；
根据所述交流侧、直流侧的电压等级以及所述实际功率，计算所述MMC中IGBT、二极管及电容器的电流平均值和电流有效值；
根据所述静态特性曲线、所述IGBT的平均值和电流有效值，计算所述IGBT的通态损耗；
根据所述开关特性曲线、所述开关频率、所述IGBT的额定电压、以及所述IGBT的运行电压，计算所述IGBT的开关损耗；
根据所述IGBT的通态损耗、所述IGBT的开关损耗，计算所述IGBT的损耗；
根据所述IGBT的损耗，采用热等效网络模型计算所述IGBT的结温；
根据所述VF-IF曲线、所述二极管的电流平均值和电流有效值，计算所述二极管的通态损耗；
根据所述Erec-IF曲线、所述IGBT的额定电压、以及所述IGBT的运行电压，计算所述二极管的开关损耗；
根据所述二极管的通态损耗、所述二极管的开关损耗，计算所述二极管的损耗；
根据所述二极管的损耗，采用所述热等效网络模型计算所述二极管的结温。
9.如权利要求8所述的模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法，其特征在于，
根据公式(7)，计算所述IGBT的损耗；
其中，Pt，con、Pt，sw、Pt，loss分别表征所述IGBT的通态损耗、开关损耗、损耗；VT和RCE静态特性曲线的拟合值；iTavg、iTrms分别为所述IGBT的电流平均值、电流有效值；at、bt、ct分别为开关特性曲线的拟合参数；Unom为IGBT模块的额定电压；USM为IGBT模块的实际运行电压；fs是开关频率；
根据公式(8)，计算所述IGBT、所述二极管的结温；
其中，Tt，j，Td，j分别表征所述IGBT的结温、所述二极管的结温；Th＝(Pt，loss+Pd，loss)Rha+Ta；Rtjc，i，Rdjc，i，Rtch和Rdch为所述热等效网络模型的参数；Rha是IGBT模块散热器的热阻；Ta是MMC安装位置的环境温度。
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