CN110261698A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，属于高压直流输电技术领域，包括以下步骤：S1：获取金属化膜电容器在应用工况下的电容电压波动值及环境温度，基于电容器参考工况下的温升与电压波动值，获得金属化膜电容器的温度；S2：考虑温度和电压应力对电容器金属腐蚀速率的加速作用，提取金属化膜电容器温度加速因子和电压加速因子，基于电容器在参考工况下的寿命数据，计算金属化膜电容器在MMC换流阀不同应用工况下的寿命；S3：基于Miner法则与等损伤原则，建立金属化膜电容器可靠性测评模型，形成可靠性测评方案。

Description

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

技术领域

本发明属于高压直流输电技术领域，涉及一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法。

背景技术

金属化膜电容器(Metallized Film Capacitor，MFC)因具有自愈能力、高可靠性等特点成为柔性直流输电换流阀电容器的主流选择。金属化膜电容器特有的纳米级别厚度电极，导致其存在电极腐蚀，自愈清除等问题。在实际运行中，两端电压不可避免地出现波动，从而产生热效应，导致其金属腐蚀速率加快，运行过程中电容量、等效串联电阻不断变化而失效，直接影响MMC换流阀的可靠性。因此，需要考虑MMC换流阀工况，研究金属化膜电容器有效的可靠性测评方法，对提高金属化膜电容器的设计和运行可靠性具有重要的现实意义。

现有针对金属化膜电容器可靠性的研究大多侧重在基于统计学的可靠性评估，然而这种评估方法往往难以考虑应用工况对电容器可靠性的影响，难以考核金属化膜电容器在应用工况下的寿命。虽然基于加速老化实验方法可以进行可靠性测试，但是其测试依据大都参考普通电容器标准进行考核，对于MMC换流阀应用工况下如何进行加速，其应力水平如何，循环测试时间如何设计等等，缺乏一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法。

基于上述背景，本发明提出一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，用于对金属化膜电容器可靠性测试和评估。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，包括以下步骤：

S1：获取金属化膜电容器在应用工况下的电容电压波动值及环境温度，基于电容器参考工况下的温升与电压波动值，获得金属化膜电容器的温度；

S2：考虑温度和电压应力对电容器金属腐蚀速率的加速作用，提取金属化膜电容器温度加速因子和电压加速因子，基于电容器在参考工况下的寿命数据，计算金属化膜电容器在MMC换流阀不同应用工况下的寿命；

S3：基于Miner法则与等损伤原则，建立金属化膜电容器可靠性测评模型，形成可靠性测评方案。

进一步，所述步骤S1具体包括：根据金属化膜电容器在应用工况下的电容电压波动值及环境温度，计算金属化膜电容器的温度；考虑散热条件一致的情况下，电容器的温升与损耗成正比，因此，在工况i下，金属化膜电容器的温度为：

其中，V_i、T_i分别为工况i下金属化膜电容器上的电压波动值与温度，V₀、△T₀分别为参考工况下金属化膜电容器上的电压波动值与温升，T_amp为环境温度。

进一步，所述步骤S2具体包括：基于金属化膜电容器在参考工况下的电压波动值及温度，提取电容器在应用工况下的温度加速因子、电压加速因子，计算电容器在应用工况下的寿命。

根据腐蚀失效机制下电容的衰减规律，并计及温度、电压对腐蚀速率的加速作用，得到电容器的寿命为：

式中，L_T,V为当温度为T，施加电压为V时的电容器寿命，L_Tn,Vn为当温度为T_n，施加电压为V_n时的电容器寿命，α_T为温度加速因子，α_V为电压加速因子；已有的实验数据显示，在70℃，1.4倍过电压条件下，预期寿命为55443小时，将此工况作为参考工况进行寿命计算；

金属腐蚀是一个热激活过程，k的值取决于温度，它满足Arrhenius方程：

式中，k₀为一常数，E_a为反应的活化能，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度；

计及温度对腐蚀速率的加速作用，可推得温度加速因子α_T：

式中，T_n为参考温度，k_B为玻尔兹曼常数，E_a为反应的活化能，T为运行温度；

在温度范围较宽或是较复杂的反应时，活化能与温度是有关的，需要对Arrhenius方程进行修正；在温度范围较宽的情况下，亚当斯提出了三参量修正方程加以修正，修正结果得

E_a＝E₀+mRT

修正得温度加速因子为：

E₀和m均为与温度无关的常系数，一般实验结果表明m值较小，且若不考虑振动的影响，m应该为不大于4的整数或者半整数；

早期实验数据显示，每增加100V交流电压，铝腐蚀速率的增长率增加到4倍或5倍：

由此规律，可推得电压加速因子α_V

式中，V_n考电压，V为实际施加电压。

进一步，所述步骤S3具体包括：基于Miner法则计算电容器运行后的总损伤与单位时间可靠性测评电容器的损伤因子，应用等损伤原则，获得不同应力下的可靠性测评时间，形成可靠性测评方案；

总运行时间T_{total_c}后电容器的损伤D_{sj_c}为：

其中，q为实际运行T_{total_c}过程中包含的不同工况数，l_i为在工况i下的电容器的运行时间，L_i为在工况i下电容器的寿命；

单位时间T_{clc_c}可靠性测评后电容器的损伤因子为：

其中，g为可靠性测评过程中包含的不同应力数，l_j为在应力j下的电容器的可靠性测评时间，L_j为在应力j下寿命；

为了使可靠性测评的总损伤与总运行时间的总损伤相等，得到最短可靠性测评时间为：

在所设可靠性测评方案下，进行t_{sy_c}的可靠性测评，若电容器的性能仍正常，则认为在总运行时间T_{total_c}期间，电容器可满足在等效应用工况下可靠运行。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于Miner法则与等损伤原则，提出了一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，与传统方法相比，该方法适合金属化膜电容器的可靠性考核。

(2)该可靠性测评方法考虑应用工况、环境温度等因素对电容器的损伤行为，基于等损伤原则，形成合适的金属化膜电容器可靠性测试方案，进而对不用应用工况下电容器的寿命进行评估。

(3)该可靠性测评方法考虑不同时间尺度循环作用的影响，通过计算短时间尺度损伤及长时间尺度损伤，设计金属化膜电容器可靠性测试方案。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述基于MMC换流阀用应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法流程图；

图2为本发明所述MMC换流阀子模块拓扑图；

图3为金属化膜电容器温度加速因子；

图4为金属化膜电容器电压加速因子；

图5为金属化膜电容器损伤因子；

图6为金属化膜电容器可靠性测评时间；

图7为金属化膜电容器损伤因子；

图8为金属化膜电容器可靠性测试时间。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

MMC换流阀用金属化膜电容器可靠性测评方法流程图，如图1所示，一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，针对具体算例，包括以下步骤：

以厦门柔直工程采用金属化膜电容器为例，IGBT组件拓扑如图2所示，对电容器运行30年可靠性测评方案进行研究。可靠性测评参考工况设置如下：可靠性测评电压为1.4倍额定电压，可靠性测评温度为70℃，参考工况电容寿命为55443小时，取逆变工况下电容电压波动值为285V，电容电压最高温升为17.7℃，春、秋环境温度为20℃，夏季温度为30℃，冬季温度为10℃。

1)获取金属化膜电容器在应用工况下的电容电压波动值及环境温度，基于电容器参考工况下的温升与电压波动值，获得金属化膜电容器的温度。

根据金属化膜电容器在应用工况下的电容电压波动值及环境温度，计算金属化膜电容器的温度。考虑散热条件一致的情况下，电容器的温升与损耗成正比，因此，在工况i下，金属化膜电容器的温度为：

其中，V_i、T_i分别为工况i下金属化膜电容器上的电压波动值与温度，V₀、△T₀分别为参考工况下金属化膜电容器上的电压波动值与温升，T_amp为环境温度。

将电容器参数带入可得，金属化膜电容器在逆变工况下，春秋季温度为37.7℃，夏季温度为47.7℃，冬季温度为27.7℃。

2)提取金属化膜电容器温度加速因子和电压加速因子，基于电容器在参考工况下的寿命数据，计算金属化膜电容器在不同应用工况下的寿命。

基于金属化膜电容器在参考工况下的电压波动值及温度，提取电容器在应用工况下的温度加速因子、电压加速因子，计算电容器在应用工况下的寿命。

根据腐蚀失效机制下电容的衰减规律，并计及温度、电压对腐蚀速率的加速作用，可以得到电容器的寿命为：

式中，L_T,V为当温度为T，施加电压为V时的电容器寿命，L_Tn,Vn为当温度为T_n，施加电压为V_n时的电容器寿命，α_T为温度加速因子，α_V为电压加速因子。已有的实验数据显示，在70℃，1.4倍过电压条件下，预期寿命为55443小时，将此工况作为参考工况进行寿命计算。

金属腐蚀是一个热激活过程，k的值取决于温度，它满足Arrhenius方程：

式中，k₀为一常数，E_a为反应的活化能，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度。

计及温度对腐蚀速率的加速作用，可推得温度加速因子α_T：

式中，T_n为参考温度，k_B为玻尔兹曼常数，E_a为反应的活化能，T为运行温度。

在温度范围较宽或是较复杂的反应时，活化能与温度是有关的，需要对Arrhenius方程进行修正。在温度范围较宽的情况下，亚当斯提出了三参量修正方程加以修正，修正结果得

E_a＝E₀+mRT

修正得温度加速因子α_T为：

E₀和m均为与温度无关的常系数，一般实验结果表明m值较小，且若不考虑振动的影响，m应该为不大于4的整数或者半整数。

早期实验数据显示，每增加100V交流电压，铝腐蚀速率的增长率增加到4倍或5倍：

由此规律，可推得电压加速因子α_V：

式中，V_n考电压，V为实际施加电压。

拟合得温度加速因子与电压加速因子，并与IEC 61709进行对比，如图3、图4所示。本文的结果与IEC 61709的结果趋势一致，获取的温度加速因子与电压加速因子形式具有合理性，拟合结果为：

根据腐蚀失效机制下电容的衰减规律，并计及温度、电压对腐蚀速率的加速作用，可以得到电容器的寿命为：

已有的实验数据显示，在70℃，1.4倍过电压条件下，预期寿命为55443小时，将此工况作为参考工况进行寿命计算。为将电容器参数带入可得，金属化膜电容器在逆变工况下的寿命为1226.2年。

3)基于Miner法则与等损伤原则，建立金属化膜电容器可靠性测评模型，形成可靠性测评方案。具体为基于Miner法则计算电容器运行后的总损伤与单位时间可靠性测评电容器的损伤因子，应用等损伤原则，获得不同应力下的可靠性测评时间，形成可靠性测评方案。

总运行时间T_{total_c}后电容器的损伤D_{sj_c}为：

其中，q为实际运行T_{total_c}过程中包含的不同工况数，l_i为在工况i下的电容器的运行时间，L_i为在工况i下电容器的寿命。

则逆变工况下，金属化膜电容器运行30年后的总损伤为0.0245。

单位时间T_{clc_c}可靠性测评后电容器的损伤因子为：

其中，g为可靠性测评过程中包含的不同应力数，l_j为在应力j下的电容器的可靠性测评时间，L_j为在应力j下寿命。

则可靠性测评条件下，单位时间电容器损伤因子为1.81×10^-5。

为了使可靠性测评的总损伤与总运行时间的总损伤相等，要求最短可靠性测评时间为：

在所设可靠性测评方案下，进行t_{sy_c}的可靠性测评，若电容器的性能仍正常，则认为在总运行时间T_{total_c}期间，电容器可满足在等效应用工况下可靠运行。

则基于总运行时间30年损伤与可靠性测评损伤相等的原则，MFC的可靠性测评时间为1356.86h(约57天)。

1.电压应力的影响

分析测评温度为70^℃、电压在1.4～1.7倍额定电压下MFC所需的可靠性测评时间。MFC电容器的损伤因子随电压的变化结果分别如图5所示。

分析测评温度为70^℃、电压在1.4～1.7倍额定电压下MFC所需的可靠性测评时间。MFC电容器的可靠性测评时间随电压的变化结果分别如图6所示。

2.温度的影响

分析可靠性测评温度为70^℃～84^℃，电压为1.4倍额定电压时MFC所需的可靠性测评时间。MFC电容器的损伤因子随电压的变化结果如图7所示。

分析可靠性测评温度为70℃～84℃，电压为1.4倍额定电压时MFC所需的可靠性测评时间。MFC电容器的可靠性测评时间随电压的变化结果如图8所示。

由此可见，采用本发明提出的一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，不仅可以考虑应用工况、环境温度对金属化膜电容器的影响，还可以考虑不同时间尺度循环对电容器寿命的影响，可广泛应用于MMC换流阀用金属化膜电容器可靠性评估。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：获取金属化膜电容器在应用工况下的电容电压波动值及环境温度，基于电容器参考工况下的温升与电压波动值，获得金属化膜电容器的温度；

S2：考虑温度和电压应力对电容器金属腐蚀速率的加速作用，提取金属化膜电容器温度加速因子和电压加速因子，基于电容器在参考工况下的寿命数据，计算金属化膜电容器在MMC换流阀不同应用工况下的寿命；

S3：基于Miner法则与等损伤原则，建立金属化膜电容器可靠性测评模型，形成可靠性测评方案。

2.根据权利要求1所述的基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：根据金属化膜电容器在应用工况下的电容电压波动值及环境温度，计算金属化膜电容器的温度；考虑散热条件一致的情况下，电容器的温升与损耗成正比，在工况i下，金属化膜电容器的温度为：

其中，V_i、T_i分别为工况i下金属化膜电容器上的电压波动值与温度，V₀、△T₀分别为参考工况下金属化膜电容器上的电压波动值与温升，T_amp为环境温度。

3.根据权利要求1所述的基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：基于金属化膜电容器在参考工况下的电压波动值及温度，提取电容器在应用工况下的温度加速因子、电压加速因子，计算电容器在应用工况下的寿命；

根据腐蚀失效机制下电容的衰减规律，并计及温度、电压对腐蚀速率的加速作用，得到电容器的寿命：

式中，L_T,V为当温度为T，施加电压为V时的电容器寿命，L_Tn,Vn为当温度为T_n，施加电压为V_n时的电容器寿命，α_T为温度加速因子，α_V为电压加速因子；在70℃，1.4倍过电压条件下，预期寿命为55443小时，将此工况作为参考工况进行寿命计算；

金属腐蚀是一个热激活过程，k的值取决于温度，它满足Arrhenius方程：

式中，k₀为一常数，E_a为反应的活化能，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度；

计及温度对腐蚀速率的加速作用，得到温度加速因子α_T：

式中，T_n为参考温度，k_B为玻尔兹曼常数，E_a为反应的活化能，T为运行温度；

在温度范围较宽或是较复杂的反应时，活化能与温度有关，通过三参量修正方程对Arrhenius方程进行修正：

E_a＝E₀+mRT

修正得温度加速因子为：

E₀和m均为与温度无关的常系数，m为不大于4的整数或者半整数；

根据每增加100V交流电压，铝腐蚀速率的增长率增加到4倍或5倍：

得到电压加速因子α_V

式中，V_n考电压，V为实际施加电压。

4.根据权利要求1所述的基于MMC换流阀应用工况的金属化膜电容器可靠性测评方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：基于Miner法则计算电容器运行后的总损伤与单位时间可靠性测评电容器的损伤因子，应用等损伤原则，获得不同应力下的可靠性测评时间，形成可靠性测评方案；

总运行时间T_{total_c}后电容器的损伤D_{sj_c}为：

其中，q为实际运行T_{total_c}过程中包含的不同工况数，l_i为在工况i下的电容器的运行时间，L_i为在工况i下电容器的寿命；

单位时间T_{clc_c}可靠性测评后电容器的损伤因子为：

其中，g为可靠性测评过程中包含的不同应力数，l_j为在应力j下的电容器的可靠性测评时间，L_j为在应力j下寿命；

为了使可靠性测评的总损伤与总运行时间的总损伤相等，得到最短可靠性测评时间为：

在所设可靠性测评方案下，进行t_{sy_c}的可靠性测评，若电容器的性能仍正常，则认为在总运行时间T_{total_c}期间，电容器满足在等效应用工况下的可靠运行。