CN111104741A - 一种mmc子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法 - Google Patents
一种mmc子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111104741A CN111104741A CN201911303522.8A CN201911303522A CN111104741A CN 111104741 A CN111104741 A CN 111104741A CN 201911303522 A CN201911303522 A CN 201911303522A CN 111104741 A CN111104741 A CN 111104741A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- metal film
- film capacitor
- mmc
- capacitor
- module
- 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.)
- Granted
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 65
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 claims description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 4
- 230000008719 thickening Effects 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 37
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 239000011104 metalized film Substances 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
Abstract
本发明公开了一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法，包括以下步骤：步骤一、利用ANSYS的Simplorer得到金属膜电容总损耗；步骤二、利用ANSYS的SpaceClaim，进行金属膜电容模型的建立；步骤三、通过ANSYS的Steady‑State Thermal对金属膜电容进行电热仿真，得到MMC工况下金属膜电容内部温度分布。本发明能够抓住MMC子模块中金属膜电容的工作特点，逐步得到工况下金属膜电容内部温度的精确分布情况。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，具体涉及一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电系统中广泛应用，通常由成百上千个子模块串联形成，采用的器件相较于两电平拓扑更多，结构也更为复杂。功率模块是柔性直流输电换流器的最小功能单元，确保功率模块的可靠运行是保障大功率电力电子换流系统运行可靠性的基础。任何一个子模块的故障都可能会对整个系统的运行可靠性产生威胁，MMC功率模块包含IGBT、电容、二极管等多种器件，每个器件的工作方式不同，其寿命和老化速率也有很大差异，在功率模块的工作过程中任何器件的老化失效均会造成整个模块的失效。在大容量电力电子装备所包含的多种关键部件中，电力半导体器件的可靠性研究是现有研究工作的热点。对于各关键部件中故障率较高的电容器，其可靠性以及失效机理方面的研究工作仍有待进一步加深。
功率模块电容作为功率模块的储能结构，起到维持电压稳定、向阀控回路供能等作用，在实际的柔性直流系统中，MMC换流器所用的电容器为金属化薄膜电容器。传统的电容器可靠性分析是基于威布尔分布进行的，采用电容器的失效数据估计分布的未知参数并进一步对其进行可靠性评估，但是与普通箔式电容器相比，金属化膜电容器具有高可靠性、长寿命、软失效等特点，在短时间内很难得到它的寿命数据，这就给传统的可靠性分析方法带来了困难。金属化膜电容器失效的原因非常复杂，包含了多种物理和化学变化，涉及多个物理场的耦合，其中电热耦合对于电容器失效原因的分析至关重要，通过电热耦合，能够精确得出电容器中热应力的分布情况，从而为电容器失效机理分析以及寿命预测打下基础。
发明内容
本发明针对MMC子模块中金属膜电容失效机理研究中存在的问题，尤其是电容工作过程中多物理场之间的联系的量化研究较少，提出了一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法。通过本发明方法能够准确分析工况下MMC子模块中由于损耗而导致的电容器内部温度的分布情况，为电容器失效机理分析以及寿命预测打下基础。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法，包括以下步骤：
步骤一、利用ANSYS的Simplorer得到金属膜电容总损耗；
步骤二、利用ANSYS的SpaceClaim，进行金属膜电容模型建立；
步骤三、通过ANSYS的Steady-State Thermal对金属膜电容模型进行电热仿真，热源为步骤一得到电容总损耗，即得到MMC工况下金属膜电容内部温度分布。
进一步地，步骤一在Simplorer中搭建MMC子模块系统，基于MMC运行的实际工况条件，采用电路仿真的方法对金属膜电容的损耗进行仿真计算。
进一步地，在对金属膜电容的损耗进行仿真计算时，将电容等效电阻ESR带入Simplorer中MMC工况下进行仿真，得到等效电阻ESR上电压电流随时间变化波形，再通过单周期内乘积积分，得到金属膜电容总损耗。
进一步地，步骤二在SpaceClaim中对金属膜电容进行几何模型的建立时，对金属膜电容芯子进行细化，在对金属膜电容芯子的细化过程中，突出电极加厚层和喷金层。
进一步地，步骤三通过ANSYS的steady-state thermal对金属膜电容进行电热仿真，实现金属膜电容内部电热耦合，热源为步骤一得到电容总损耗，散热条件为自然风冷，即得到MMC工况下金属膜电容内部温度分布。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)在以往对金属膜电容的仿真研究中，金属膜电容的损耗多用数学模型计算得到，该数学模型涉及电容工作电压电流、有机介质损耗角以及电容芯子的结构材料信息。然而，该数学模型对于电容工作的实际工况信息没有涉及，可以视为一种普适的电容损耗计算方法。本发明基于MMC运行的实际工况条件，采用电路仿真的方法，对金属膜电容的损耗进行仿真计算，这种方法相较于数学模型计算，结果更加接近MMC实际工况下的电容器损耗情况。
(2)本发明在模型的建立过程中对模型进行了合理的简化，考虑电容器元件上的电流分布，抓住了电极损耗沿轴向不均匀分布的特点，对现有金属膜电容芯子进行细化，突出电极加厚层、喷金层，使模型更接近实际电容器。
(3)本发明在短时间尺度下电路热路耦合过程中，对耦合过程进行了一定的简化，直接将电场与温度场进行耦合，加快了仿真速度，能够快速得到在一定损耗下电容器内部的温度分布情况。
附图说明
图1为本发明MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法流程图；
图2为本发明金属膜电容芯子模型优化示意图，其中(a)整体芯子模型，(b)单个芯子模型。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
MMC子模块中金属膜电容在工作过程中存在电场与温度场之间相互作用，通过电热耦合能够得到金属膜电容内部的精确的温度分布情况，仿真流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤一、利用ANSYS的Simplorer得到金属膜电容总损耗。
在simplorer中搭建MMC子模块系统，基于MMC运行的实际工况条件，采用电路仿真的方法，对金属膜电容的损耗进行仿真计算。在实际运行中，电容器的总损耗体现为电容器串联的等效电阻ESR的损耗，因此将电容等效电阻ESR带入simplorer中MMC工况下进行仿真，得到等效电阻ESR上电压电流随时间变化波形，再通过单周期内乘积积分，得到金属膜电容总损耗。
步骤二、利用ANSYS的SpaceClaim，进行金属膜电容模型的建立；
在SpaceClaim中对实际金属膜电容进行几何模型的建立，金属膜电容芯子模型优化示意图如图2所示，本实例中芯子为两层结构，每层由10×15个芯子组成，由于电容损耗在电容器芯子上分布不均匀，沿轴向呈现一定的分布规律，因此，需要对对现有金属膜电容芯子进行细化，在对芯子的细化过程中，突出电极加厚层、喷金层。
步骤三、通过ANSYS的steady-state thermal对金属膜电容进行电热仿真，得到MMC工况下金属膜电容内部温度分布。
通过ANSYS的steady-state thermal对金属膜电容进行电热仿真，实现金属膜电容内部电热耦合，热源为仿真得到电容总损耗，散热条件为自然风冷，即可得到MMC工况下金属膜电容内部温度分布。
Claims (5)
1.一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用ANSYS的Simplorer得到金属膜电容总损耗；
步骤二、利用ANSYS的SpaceClaim，进行金属膜电容模型建立；
步骤三、通过ANSYS的Steady-State Thermal对金属膜电容模型进行电热仿真，热源为步骤一得到电容总损耗，即得到MMC工况下金属膜电容内部温度分布。
2.根据权利要求1所述的一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法，其特征在于，步骤一在Simplorer中搭建MMC子模块系统，基于MMC运行的实际工况条件，采用电路仿真的方法对金属膜电容的损耗进行仿真计算。
3.根据权利要求2所述的一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法，其特征在于，在对金属膜电容的损耗进行仿真计算时，将电容等效电阻ESR带入Simplorer中MMC工况下进行仿真，得到等效电阻ESR上电压电流随时间变化波形，再通过单周期内乘积积分，得到金属膜电容总损耗。
4.根据权利要求1所述的一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法，其特征在于，步骤二在SpaceClaim中对金属膜电容进行几何模型的建立时，对金属膜电容芯子进行细化，在对金属膜电容芯子的细化过程中，突出电极加厚层和喷金层。
5.根据权利要求1所述的一种MMC子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法，其特征在于，步骤三通过ANSYS的steady-state thermal对金属膜电容进行电热仿真，实现金属膜电容内部电热耦合，热源为步骤一得到电容总损耗，散热条件为自然风冷，即得到MMC工况下金属膜电容内部温度分布。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911303522.8A CN111104741B (zh) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | 一种mmc子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911303522.8A CN111104741B (zh) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | 一种mmc子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111104741A true CN111104741A (zh) | 2020-05-05 |
| CN111104741B CN111104741B (zh) | 2024-01-26 |
Family
ID=70422029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911303522.8A Active CN111104741B (zh) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | 一种mmc子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111104741B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113839409A (zh) * | 2021-10-20 | 2021-12-24 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种模块式分布电阻耗能装置及其控制方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103633870A (zh) * | 2013-11-19 | 2014-03-12 | 国家电网公司 | 一种模块化多电平换流器的子模块电容电压平衡优化方法 |
| CN106484928A (zh) * | 2015-08-26 | 2017-03-08 | 北京卫星环境工程研究所 | 基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法 |
| CN110232220A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-09-13 | 北京理工大学 | 一种模块化多电平换流器实时仿真方法 |
| CN110232206A (zh) * | 2019-04-28 | 2019-09-13 | 广东工业大学 | 基于ansys的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法 |
| CN110245414A (zh) * | 2019-06-11 | 2019-09-17 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种压接式igbt模块多物理场耦合仿真方法 |
-
2019
- 2019-12-17 CN CN201911303522.8A patent/CN111104741B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103633870A (zh) * | 2013-11-19 | 2014-03-12 | 国家电网公司 | 一种模块化多电平换流器的子模块电容电压平衡优化方法 |
| CN106484928A (zh) * | 2015-08-26 | 2017-03-08 | 北京卫星环境工程研究所 | 基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法 |
| CN110232220A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-09-13 | 北京理工大学 | 一种模块化多电平换流器实时仿真方法 |
| CN110232206A (zh) * | 2019-04-28 | 2019-09-13 | 广东工业大学 | 基于ansys的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法 |
| CN110245414A (zh) * | 2019-06-11 | 2019-09-17 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种压接式igbt模块多物理场耦合仿真方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘任;唐波;孙睿;吴卓;江浩田;: "用于IGBT模块动态电热耦合仿真的损耗模型优化" * |
| 皮凯云;崔昊杨;李祥;李鑫;束江;: "能源并网系统中IGBT模块的温度场分布分析" * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113839409A (zh) * | 2021-10-20 | 2021-12-24 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种模块式分布电阻耗能装置及其控制方法 |
| CN113839409B (zh) * | 2021-10-20 | 2024-05-28 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种模块式分布电阻耗能装置及其控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111104741B (zh) | 2024-01-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102323546B (zh) | 柔性直流输电mmc阀稳态运行试验的背靠背试验方法 | |
| Piao et al. | Lithium‐ion battery cell‐balancing algorithm for battery management system based on real‐time outlier detection | |
| CN202275142U (zh) | 柔性直流输电mmc阀稳态运行试验的背靠背试验装置 | |
| CN109149982A (zh) | 模块化电平换流器功率模块可靠性评估方法 | |
| CN105305575A (zh) | 柔性直流输电换流阀测试装置的充电方法 | |
| Samie et al. | Developing prognostic models using duality principles for DC-to-DC converters | |
| CN109726491A (zh) | 基于宽负载范围Buck变换器输出纹波电压精确建模方法 | |
| Li et al. | An extended stability analysis method for paralleled DC-DC converters system with considering the periodic disturbance based on Floquet theory | |
| CN111104741B (zh) | 一种mmc子模块中金属膜电容电热耦合仿真方法 | |
| CN110133464B (zh) | 一种基于mmc换流阀应用工况的igbt器件功率循环测评方法 | |
| Barwar et al. | Performance analysis and reliability estimation of five‐level rectifier | |
| Mirza et al. | Cognitive insights into metaheuristic digital twin based health monitoring of dc-dc converters | |
| Babaei et al. | Analysis and design of a soft‐switching boost DC/DC converter | |
| CN112698130B (zh) | 基于任务剖面的金属化膜电容器加速寿命试验装置及方法 | |
| He et al. | Engineering application research on reliability prediction of the combined DC-DC power supply | |
| CN111090940B (zh) | 一种基于ansys的mmc子模块压接式igbt短期失效分析方法 | |
| CN110112838B (zh) | 具有负载自适应特性的ecpt系统的混杂建模方法 | |
| Xiao et al. | An accurate analysis method for transient characteristics of DC line faults in voltage source converter‐based DC systems | |
| An et al. | IGBT open circuit fault diagnosis method for a modular multilevel converter based on PNN-MD | |
| Catelani et al. | Fault detection of resonant inverters for wireless power transmission using MLMVNN | |
| CN114925642A (zh) | 一种舰船平台短时工作的dc-dc直流充电机时域emi的建模方法 | |
| CN109412188B (zh) | 一种基于非线性规划的柔性直流输电混合仿真平台参数优化方法 | |
| Lu et al. | System-level Parameters Identification for DC-DC Converters Based on Artificial Neural Network Algorithm | |
| Chang et al. | Efficiency improved supercapacitor based energy storage system for short duration, large amplitude current pulse applications | |
| Thirukkuralkani et al. | A single switch hybrid quadratic converter for grid‐integrated renewable energy system |
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 |