CN110376449A - 一种基于器件失效来源的mmc可靠性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，以半桥型子模块MMC为例，通过仿真所得电应力，从元器件到系统进行了可靠性分析。根据元器件级可靠性失效因子，通过可靠性框图和热备用冗余方式得到温度和电压在正常运行条件下和极端条件下对MMC系统级可靠性的影响，以改进现有的可靠性分析方法。从器件级失效率评估到系统级可靠性的分析方法和针对失效来源的分析过程可用于其他系统的可靠性分析，在实际工程中可以作为均衡经济性和可靠性的参考，从元器件失效率出发优化系统可靠性设计。

Description

一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法。

背景技术

在柔性直流输电技术领域中，模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)以其开关频率低、损耗小、滤波器要求低和模块化设计可靠性高等优点被广泛使用。由于模块化多电平变换器(MMC)是一种需要冗余来补充故障子模块的电力电子变换器，其可靠性衰减问题是当前亟待解决的问题，因此对MMC进行可靠性分析可以从设计层面上改良其经济性和安全性。

通常情况下，对MMC的可靠性分析分为元器件级和系统级。

元器件级的可靠性衰减主要来源于MMC子模块中关键器件如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，电容等。其中，根据IGBT的封装形式的不同又分为焊接型和压接型IGBT，子模块中所使用的均压电容有铝电解电容和金属化膜电容两种。对于焊接型IGBT其失效来源主要是过压和过热，过热产生的蠕变能量会造成键合引线脱落，焊料层疲劳和键合线根部断裂等故障，而压接型IGBT较于焊接型更加稳定，对温度耐受能力更高，主要故障来自于压接弹簧失效等机械故障。无论金属化膜电容还是铝电解电容，温度，电压以及子模块平均功率的升高都会影响其可靠性，金属化膜电容在过压击穿短路状态下具有“自愈”特性，击穿点的金属化层可在电弧作用下瞬间熔化蒸发而形成一个很小的无金属区，使电容的两个极片重新相互绝缘而仍能继续工作，因此极大提高了电容器工作的可靠性。

在系统级可靠性分析中，现在已有一些研究分析了不同冗余方式下的MMC可靠性，根据子模块电路拓扑，针对半桥型子模块分析居多。近年来，一些相关的研究集中在基于工程经验的系统级可靠性分析和设计上，系统级可靠性研究的失效率数据主要来源于工程经验。由于不同的MMC在正常运行时器件所受应力不同，故在系统级可靠性评估上只使用元器件失效率经验数据不够准确。

发明内容

本发明的目的在于针对上述背景技术中提到的现有MMC可靠性分析的不足，提供了一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，可以根据不同功率等级的MMC进行元器件故障率计算以及系统级可靠性分析。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，包括以下步骤：

(1)在仿真软件中搭建MMC模型，并将MMC系统电气参数和运行参数输入至该模型，通过仿真得到MMC子模块中关键器件的具体应力；

(2)根据步骤(1)中所得应力通过可靠性手册相关公式计算IGBT和电容失效率；

(3)根据MMC子模块具体拓扑的不同以及元器件在MMC子模块中所执行的功能，通过可靠性框图得到MMC子模块的可靠性；

(4)针对不同冗余备用方式得到MMC子模块可靠性与单桥臂可靠性的关系，从而通过可靠性框图得到系统级可靠性；

(5)结合步骤(2)、(3)和(4)计算出正常运行工况下MMC可靠性；

(6)针对可靠性手册中器件失效系数分析不同失效来源对MMC系统级可靠性的影响。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，使用(1)中所搭建的MMC模型得到仿真结果，通过查找可靠性手册公式得到IGBT和电容失效率与所受应力的关系：

式中，λ_I和λ_C为IGBT和电容失效率，C为电容值，P_r为平均功率，V_A为运行中使用电压，V_R为额定电压。

本发明进一步的改进在于，步骤(5)中，通过可靠性框图根据模块中的各元器件的必要性得到子模块故障率：

λ_SM＝2λ_I+λ_T+λ_S+λ_cap+λ_con

式中，λ_I,λ_T,λ_S,λ_cap,λ_con分别为IGBT，晶闸管，旁路开关，电容以及控制系统的失效率，根据所得子模块故障率可得到子模块可靠性：

R_SM＝exp(-λ_SMt)

考虑到冗余备用问题，使用主动备用策略时单桥臂可靠性服从k/n(G)模型：

p＝R_SM(t)

q＝1-R_SM(t)

式中，k为正常运行子模块数，n为总子模块数，正常运行中MMC各桥臂对于系统来说是必不可少的，故各桥臂可靠性在可靠性框图中表现为串联结构，即：

R_MMC＝(R_a×R_L)⁶

式中，R_L是桥臂电抗器的可靠性，可从文献和可靠性手册中获取，由此能够得到考虑关键器件所受应力情况下MMC的可靠性。

本发明进一步的改进在于，步骤(6)中，在给定器件额定值的情况下，对不同来源的器件应力进行控制变量分析，分别计算理想条件下温度和电压从正常运行到额定最大值MMC系统的可靠性；通过正常运行和极端情况下器件所受不同应力的对比，得到温度和电压对MMC系统可靠性的影响：

式中，λ_I1和λ_C1为考虑温度因素后IGBT和电容失效率，T_j和T分别为IGBT结温和电容温度。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明在仿真平台搭建MMC模型，通过仿真结果得到MMC子模块关键元器件所受应力，利用可靠性框图(RBD)对系统中各部件的故障率进行分析，并对子模块和系统的可靠性进行评估，然后使用根据元器件所受应力而计算的失效率，从不同失效来源的角度对MMC进行系统级可靠性分析。

首先，本发明根据仿真得到的具体工作条件，采用可靠性手册计算部件级的失效率，采用RBD方法计算MMC的可靠性。在MMC的可靠性分析过程中，从元器件应力出发，计算了适用于特定功率下的子模块关键元器件的失效率。这种从元器件具体应力到系统的可靠性分析过程适用于其他系统可靠性分析，使可靠性分析更为准确。

其次，本发明分析了不同失效应力的失效因素对系统可靠性的影响。通过对不同来源的器件应力进行控制变量分析，分别计算理想条件下温度和电压从正常运行到额定最大值MMC系统的可靠性。通过正常运行和极端情况下器件所受不同应力的对比，得到系统可靠性下降的主要原因是关键部件温度升高。基于这种分析过程在实际工程中可以根据可靠性需求合理分配系统中各元器件散热以及成本，对基于可靠性的MMC设计起到指导作用。

综上所述，本发明不仅能应用于MMC拓扑，其根据元器件所受应力进行系统可靠性分析也可用于其他系统中。从元器件到系统的可靠性分析解决了冗余度过大造成的不必要成本，优化了电力电子设备的系统结构，提高了其可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为半桥型子模块MMC的结构示意图；

图2为子模块可靠性框图；

图3为MMC子模块电容电压波形；

图4为MMC子模块电容电流波形；

图5为不同冗余备用策略不同冗余模块数下MMC系统级可靠性曲线，a和c分别表示热备用和冷备用，(14，a)表示冗余模块14个，热备用；

图6为维持正常运行时电压MMC系统级可靠性随IGBT结温变化的曲线；

图7为维持理想室温25℃下MMC系统级可靠性随器件电压变化的曲线；

图8为本发明一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图8所示，本发明提供的一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，包括以下步骤：

(1)在仿真软件中搭建MMC模型，并将MMC系统电气参数和运行参数输入至该模型，通过仿真得到MMC子模块中关键器件的具体应力。

(2)根据步骤(1)中所得应力通过可靠性手册相关公式计算IGBT和电容失效率：

式中，λ_I和λ_C分别为IGBT和电容失效率，C为电容值，P_r为平均功率，V_A为运行中使用电压，V_R为额定电压。

(3)根据MMC子模块具体拓扑的不同以及元器件在MMC子模块中所执行的功能，通过可靠性框图得到MMC子模块的可靠性。可靠性框图(Reliability Block Diagram,RBD)与系统执行的功能直接相关。可靠性框图来源于系统或装置各部分的必要性，以达到计算总体可靠性的目的，并根据可靠性对系统中的部件进行分析和设计。根据不同的执行功能的需求RBD不同，如果是串联结构，意味着系统中每一个元器件或子系统都是必要的，框图中各部分可靠性相乘即为总体可靠性，而并联结构意味着其中一个元件或子系统故障对整体没有影响，即为冗余部分。子模块为半桥结构时，子模块中每一个元器件都是必不可少的，故在RBD中表现为串联结构。

(4)针对不同冗余备用方式得到MMC子模块可靠性与单桥臂可靠性的关系，从而通过可靠性框图得到系统级可靠性。根据冗余备用方式的不同，MMC冗余备用策略分为热备用和冷备用。在热备用中，子模块旁路开关打开，冗余子模块也参与到正常运行中，此时单桥臂可靠性服从k/n(G)模型：

p＝R_SM(t)

q＝1-R_SM(t)

式中，k为正常运行子模块数，n为总子模块数，正常运行中MMC各桥臂对于系统来说是必不可少的，故各桥臂可靠性在可靠性框图中表现为串联结构，即：

R_MMC＝(R_a×R_L)⁶

式中，R_L是桥臂电抗器的可靠性，可从文献和可靠性手册中获取。由此可以得到考虑关键器件所受应力情况下MMC的可靠性。

(5)结合步骤(2)、(3)和(4)计算出正常运行工况下MMC可靠性。

(6)针对可靠性手册中器件失效系数分析不同失效来源对MMC系统级可靠性的影响。在给定器件额定值的情况下，对不同来源的器件应力进行控制变量分析，分别计算理想条件下温度和电压从正常运行到额定最大值MMC系统的可靠性。通过正常运行和极端情况下器件所受不同应力的对比，得到温度和电压对MMC系统可靠性的影响：

式中，λ_I1和λ_C1为考虑温度因素后IGBT和电容失效率，T_j和T分别为IGBT结温和电容温度。

其中，步骤(2)、(3)和(4)中，从仿真结果所得应力并将其代入到元器件失效率中，对特定功率下的MMC可以更为准确的进行系统级可靠性分析。

步骤(6)中，针对电压和温度因素进行系统级可靠性分析得到温升对可靠性影响较大，其分析过程和结果可在实际工程中均衡经济性和可靠性进行优化设计，根据不同的可靠性需求以及成本优化关键器件散热设计。

实施例：

以张北工程232模块MMC为例，系统相关参数如表1所示，所使用半桥型子模块MMC如图1所示。

表1 MMC系统主参数

第一步，根据表1系统主参数在MATLAB中搭建仿真平台，得到IGBT、电容电压。

第二步，根据仿真所得如图3和图4所示计算在理想条件室温25℃下IGBT和电容失效率如表2所示。

表2关键元器件及系统失效率

元器件	失效率/FIT
		IGBT	44.58
子模块电容	4.56
		晶闸管	47
旁路开关	1000
		控制系统	263

第三步，所用子模块为半桥结构如图1所示，为维持MMC正常运行子模块中每一个元器件都是必不可缺的，故在RBD中表现为串联结构如图2所示。

第四步，根据不同冗余备用方式得到子模块与桥臂可靠性的关系。在热备用中，使用k/n(G)模型，冷备用中使用Gamma分布，k为正常运行子模块数232，n为总子模块数，根据工程经验6％到12％冗余来计算，n分别为246和260。

第五步，结合前三步将表2数据代入到系统可靠性如图5所示,其中a为热备用，c为冷备用。

第六步，通过第二步的失效率分析过程得到不同失效来源对系统级可靠性的影响，在热备用冗余方式下分析两年后温度和电压对MMC系统可靠性的影响如图6和图7所示。

由图6和图7对比可见，在电压和温度在正常和极端条件下温度对系统可靠性影响更大，在电压波动不大时，改善散热条件可以有效的提升MMC系统可靠性。

Claims (4)

1.一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在仿真软件中搭建MMC模型，并将MMC系统电气参数和运行参数输入至该模型，通过仿真得到MMC子模块中关键器件的具体应力；

(2)根据步骤(1)中所得应力通过可靠性手册相关公式计算IGBT和电容失效率；

(3)根据MMC子模块具体拓扑的不同以及元器件在MMC子模块中所执行的功能，通过可靠性框图得到MMC子模块的可靠性；

(4)针对不同冗余备用方式得到MMC子模块可靠性与单桥臂可靠性的关系，从而通过可靠性框图得到系统级可靠性；

(5)结合步骤(2)、(3)和(4)计算出正常运行工况下MMC可靠性；

(6)针对可靠性手册中器件失效系数分析不同失效来源对MMC系统级可靠性的影响。

2.根据权利要求1所述的一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，其特征在于，步骤(2)中，使用(1)中所搭建的MMC模型得到仿真结果，通过查找可靠性手册公式得到IGBT和电容失效率与所受应力的关系：

式中，λ_I和λ_C为IGBT和电容失效率，C为电容值，P_r为平均功率，V_A为运行中使用电压，V_R为额定电压。

3.根据权利要求2所述的一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，其特征在于，步骤(5)中，通过可靠性框图根据模块中的各元器件的必要性得到子模块故障率：

λ_SM＝2λ_I+λ_T+λ_S+λ_cap+λ_con

式中，λ_I,λ_T,λ_S,λ_cap,λ_con分别为IGBT，晶闸管，旁路开关，电容以及控制系统的失效率，根据所得子模块故障率可得到子模块可靠性：

R_SM＝exp(-λ_SMt)

考虑到冗余备用问题，使用主动备用策略时单桥臂可靠性服从k/n(G)模型：

p＝R_SM(t)

q＝1-R_SM(t)

式中，k为正常运行子模块数，n为总子模块数，正常运行中MMC各桥臂对于系统来说是必不可少的，故各桥臂可靠性在可靠性框图中表现为串联结构，即：

R_MMC＝(R_a×R_L)⁶

式中，R_L是桥臂电抗器的可靠性，可从文献和可靠性手册中获取，由此能够得到考虑关键器件所受应力情况下MMC的可靠性。

4.根据权利要求3所述的一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，其特征在于，步骤(6)中，在给定器件额定值的情况下，对不同来源的器件应力进行控制变量分析，分别计算理想条件下温度和电压从正常运行到额定最大值MMC系统的可靠性；通过正常运行和极端情况下器件所受不同应力的对比，得到温度和电压对MMC系统可靠性的影响：

式中，λ_I1和λ_C1为考虑温度因素后IGBT和电容失效率，T_j和T分别为IGBT结温和电容温度。