CN111585298A - 用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统，包括：获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导通电流；通过各半导体的导通电流获得各半导体器件的功率损耗；通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动；通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率；通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。上述方法及系统能够对电力电子变压器的可靠性进行准确评估。

Description

用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统可靠性技术领域，更具体地，涉及一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统。

背景技术

大规模电池储能系统通过功率调节系统(Power Conversion System，PCS)。电力电子变压器交流输入级可采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)，耐压等级高、传输功率大；直流隔离级采用双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)，通过移相调节控制可以实现灵活地功率均衡和电气隔离，尤其适合对SOC不一致性大的电池模组进行差异化地充放电控制。因此，模块化级联型的电力电子变压器也逐渐成为了电池储能系统并网设备的研究热点，装置本身可靠性将直接影响着电池储能并网的安全可靠水平。

根据电力电子系统可靠性相关调研相关报告可知，功率开关器件是变流系统中失效率最高的部件，约占34％，其中约55％的电力电子系统失效由结温升高的因素诱发。然而，大部分针对电力电子装置可靠性评估中，元件故障率仍主要采用统计平均值，属于传统静态可靠性评估范畴，忽略了元件健康状况以及运行工况对器件，尤其是IGBT和二极管等半导体器件可靠性的影响，针对系统级的可靠性分析主要采用故障树分析、状态转移等方法，评估误差较大，对短时间尺度的运行控制指导意义不大。

然而，目前将电力电子运行工况纳入可靠性评估范畴的研究相对较少，需要充分将环境因素、运行工况以及设备历史运行状况纳入分析。部分对电力电子设备运行可靠性的研究主要围绕风电变流器等结构简单的并网设备展开，主要考虑了风速影响下的IGBT疲劳累积的影响，尚缺乏对电力电子变压器这种涉及输入、隔离等多级变换的复杂装置可靠性研究。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够对电力电子变压器的可靠性进行准确评估的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，包括：

获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导通电流；

通过各半导体的导通电流获得各半导体器件的功率损耗；

通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动；

通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率；

通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。

优选地，所述电力电子变压器的拓扑结构包括MMC输入子系统和DAB隔离级子系统。

进一步，优选地，所述通过各半导体的导通电流获得输入子系统输入各半导体器件的功率损耗的步骤包括：

通过直流母线电流和相电流幅值获得MMC输入子系统的各半导体器件的工频周期电流平均值和电流有效值；

通过移相比获得DAB隔离级子系统的各半导体器件的一个开关周期中的电流平均值和电流有效值；

通过各半导体器件的电流平均值和电流有效值获得各半导体器件的导通功率损耗和开断功率损耗。

此外，优选地，所述通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动的步骤包括：

将结温波动分成两类，第一类结温波动是随外界负荷变化而发生变化的结温均值变化，为长时间低频温度波动，第二类结温波动短时间的基频结温波动；

采用Foster热阻模型根据DAB隔离级子系统的各半导体器件的功率损耗通过下式定量分析各半导体器件的第一类结温波动，所述半导体器件包括IGBT管和功率二极管，

其中，T_j,T和T_j,D分别为工况j下的IGBT管和功率二极管的稳态结温，P_{loss_T}和P_{loss_D}分别为IGBT管和功率二极管的一个开关周期内的平均损耗，R_JC,T和R_JC,D分别为IGBT管和功率二极管的内部热阻，R_CH,T和R_CH,D分别为IGBT管和功率二极管的外部热阻，T_h为散热器温度；

采用Foster热阻模型获得MMC输入子系统的各半导体器件的第一类结温波动，结合第二类结温波动修正第一类结温波动

其中，α为开关占空比，R_z为第z阶热阻，Z为热阻的总阶数，T₀为参考结温值，P_mod为第二类结温波动对第一类结温波动的修正值，_τz是R_z对应的时间常数。

优选地，所述通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动的步骤包括：

采用Foster热阻模型根据各半导体器件的功率损耗通过下式定量分析各半导体器件的结温波动，所述半导体器件包括IGBT管和功率二极管，

其中，T_j,T和T_j,D分别为工况j下的IGBT管和功率二极管的稳态结温，P_{loss_T}和P_{loss_D}分别为IGBT管和功率二极管的一个开关周期内的平均损耗，R_JC,T和R_JC,D分别为IGBT管和功率二极管的内部热阻，R_CH,T和R_CH,D分别为IGBT管和功率二极管的外部热阻，T_h为散热器温度。

此外，优选地，所述通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性的步骤包括：

通过MMC输入子系统的各半导体器件的故障率根据等效可靠度通过下式获得MMC输入子系统的可靠性

其中，R_MMC(P)为MMC输入子系统的可靠性，B为MMC输入子系统的基本组成单元的的总数,b为正常工作时所需的MMC输入子系统的基本组成单元的个数,λⁱ _MMC为MMC输入子系统的第i个基本组成单元的故障率；

通过DAB隔离级子系统的各半导体器件的故障率根据等效可靠度通过下式获得DAB隔离级子系统的可靠性

其中，R_DAB(P)为DAB隔离级子系统的可靠性,_G为DAB隔离级子系统的基本组成单元的的总数,_g为正常工作时所需DAB隔离级子系统的基本组成单元的个数,λⁱ _DAB为DAB隔离级子系统的第i个基本组成单元的故障率；

通过MMC输入子系统的可靠性的可靠性和DAB隔离级子系统的可靠性获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性

R_system(P)＝R_MMC(P)*R_DAB(P)。

优选地，所述通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率的步骤包括：

根据FIDES可靠性导则可得长时间尺度低频结温波动造成的第一故障率模型

λ_long＝(λ_tsf0Π_tsf+λ_tcf0Π_tcf)Π_osΠ_pmΠ_pr

其中，λ_tsf0和λ_tcf0分别为热应力因子和温度循环因子对应的半导体器件基本故障率；Π_os、Π_pm、Π_pr分别表示过应力贡献因子、制造质量的影响、寿命周期中可靠性质量管理及控制水平的影响；Π_tsf和Π_tcf对应为半导体器件的热应力因子和温度循环因子，λ_long为第一故障率；

采用Miner寿命预测解析模型获得短时间尺度下基频结温波动造成的第二故障率模型

其中，ΔT_j为基频结温波动幅值，T_j为相邻负荷采样点的结温平均值，β为疲劳延性系数与焊料层健康状态相关，E_a为激活能量常数与器件相关，K为玻尔兹曼常量，A为常量系数，N_j(T_j,ΔT_j)为半导体器件在工况j下的失效循环次数，n_j(T_j,ΔT_j)为利用雨流计数法提取的半导体器件在工况j下的循环次数，D_j(T_j,ΔT_j)为在工况j下疲劳累积，Δt表示在统计结温波动次数时所取总计时间长度，D(Δt)为所述总计时间长度内所有工况的疲劳累积，λ_short为第二故障率；

根据第一故障率模型和第二故障率模型获得半导体器件的故障率

λ_sum＝λ_short+λ_long

其中，λ_sum为一个半导体器件的故障率。

优选地，所述通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性的步骤包括：通过各半导体器件的故障率根据等效可靠度获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性

其中，R_system(P)为电力电子变压器的拓扑结构的可靠性，i为所述拓扑结构的基本组成单元的索引，l为正常工作时所需的基本组成单元的个数，L为所述基本组成单元的总数，λⁱ _sum为第i个所述基本组成单元的的故障率，t为服役时间，w为指数常数，根据拓扑结构的备用形式确定。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析系统,包括：

采集模块，获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导通电流；

功率损耗获得模块，通过采集模块采集的各半导体的导通电流获得各半导体器件的功率损耗；

结温波动分析模块，通过功率损耗模块获得的各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动；

故障率分析模块，通过结温波动分析模块获得的各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率；

可靠性分析模块，通过故障率分析模块获得的各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。

优选地，所述故障率分析模块包括：

第一故障率分析单元，根据FIDES可靠性导则可得长时间尺度低频结温波动造成的第一故障率模型

λ_long＝(λ_tsf0Π_tsf+λ_tcf0Π_tcf)Π_osΠ_pmΠ_pr

其中，λ_tsf0和λ_tcf0分别为热应力因子和温度循环因子对应的半导体器件基本故障率；Π_os、Π_pm、Π_pr分别表示过应力贡献因子、制造质量的影响、寿命周期中可靠性质量管理及控制水平的影响；Π_tsf和Π_tcf对应为半导体器件的热应力因子和温度循环因子，λ_long为第一故障率；

第二故障率分析单元，采用Miner寿命预测解析模型获得短时间尺度下基频结温波动造成的第二故障率模型

其中，ΔT_j为基频结温波动幅值，T_j为相邻负荷采样点的结温平均值，β为疲劳延性系数与焊料层健康状态相关，E_a为激活能量常数与器件相关，K为玻尔兹曼常量，A为常量系数，N_f(T_j,ΔT_j)为半导体器件设定工况下的失效循环次数，n_x(T_j,ΔT_j)为利用雨流计数法提取的半导体器件工况x下的循环次数，D_x(T_j,ΔT_j)为工况x下疲劳累积，Δt表示在统计结温波动次数时所取总计时间长度，D(Δt)为所述总计时间长度内所有工况的疲劳累积，λ_short为第二故障率；

半导体器件故障率分析单元，根据第一故障率模型和第二故障率模型获得半导体器件的故障率

λ_sum＝λ_short+λ_long

其中，λ_sum为一个半导体器件的故障率。

本发明所述用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统获取适用于电池储能并网的电力电子变压器拓扑结构，首先结合电力电子变压器工作原理，通过各环节电流平均值和有效值解析计算，获得不同传输功率下电力电子变压器的功率管损耗；然后，评估了不同时间尺度结温波动对半导体器件故障率的影响；最后，通过电力电子变压器子系统等效故障率计算，实现对整体装置可靠性的评估，形成了从传输功率到装置故障率的完整求解方法及系统，充分考虑了运行工况对组成元件健康状态的影响，形成了多时间尺度故障概率评估方法，将运行工况及元件健康状态对装置可靠性水平的影响纳入分析范畴，为电力系统调度运行提供决策依据。

附图说明

图1是本发明的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法的流程图；

图2是本发明所述用于储能系统的电力电子变压器的拓扑结构的一个具体实施例的示意图；

图3是图2的实施例中DAB隔离级子系统中流经电感的电流波形；

图4是是本发明的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析系统的构成框图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图1是本发明的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法的流程图，如图1所示，所述用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法包括：

步骤S1,获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导通电流；

步骤S2,通过各半导体的导通电流获得各半导体器件的功率损耗；

步骤S3,通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动；

步骤S4,通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率；

步骤S5,通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。

在步骤S3中，所述通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动的步骤包括：

采用Foster热阻模型根据各半导体器件的功率损耗通过下式定量分析各半导体器件的结温波动，所述半导体器件包括IGBT管和功率二极管，

其中T_j,T和T_j,D分别为工况j下的IGBT管和功率二极管的稳态结温，P_{loss_T}和P_{loss_D}分别为IGBT管和功率二极管的一个开关周期内的平均损耗，R_JC,T和R_JC,D分别为IGBT管和功率二极管的内部热阻(可查阅参数手册)，R_CH,T和R_CH,D分别为IGBT管和功率二极管的外部热阻(可查阅参数手册)，T_h为散热器温度。

在步骤S4中，所述通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率的步骤包括：

根据FIDES可靠性导则可得长时间尺度低频结温波动造成的第一故障率模型

λ_long＝(λ_tsf0Π_tsf+λ_tcf0Π_tcf)Π_osΠ_pmΠ_pr (2)

其中，λ_long为第一故障率，λ_tsf0和λ_tcf0分别为热应力因子和温度循环因子对应的半导体器件基本故障率；Π_os、Π_pm、Π_pr分别表示过应力贡献因子、制造质量的影响、寿命周期中可靠性质量管理及控制水平的影响；Π_tsf和Π_tcf对应为半导体器件的热应力因子和温度循环因子，

其中，N_j为工况j下结温循环波动次数，t_j为工况j下累计运行时间，θ_j为工况j下的结温波动循环时间(小时)，β为疲劳延性系数与焊料层健康状态相关(取-6.38)，E_a为激活能量常数与器件相关(取0.8eV)，K为玻尔兹曼常量，ΔT₀为参考结温波动值，通常是个固定值，ΔT_j为工况j下的结温波动幅值，T_j,max为j工况下最大的稳态结温；

采用Miner寿命预测解析模型获得短时间尺度下基频结温波动造成的第二故障率模型

其中，T_j为相邻负荷采样点的结温平均值，A为常量系数，N_j(T_j,ΔT_j)为半导体器件在工况j下的失效循环次数，n_j(T_j,ΔT_j)为利用雨流计数法提取的半导体器件在工况j下的循环次数，D_j(T_j,ΔT_j)为在工况j下疲劳累积，Δt表示在统计结温波动次数时所取总计时间长度，D(Δt)为所述总计时间长度内所有工况的疲劳累积，λ_short为第二故障率；

根据第一故障率模型和第二故障率模型获得半导体器件的故障率

λ_sum＝λ_short+λ_long (6)

其中，λ_sum为一个半导体器件的故障率。

在步骤S5中，所述通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性的步骤包括：通过各半导体器件的故障率根据等效可靠度获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性

其中，R_system(P)为电力电子变压器的拓扑结构的可靠性，i为所述拓扑结构的基本组成单元的索引，l为正常工作时所需的基本组成单元的个数，L为所述基本组成单元的总数，λⁱ _sum为第i个所述基本组成单元的的故障率，t为服役时间，w为指数常数，根据拓扑结构的备用形式确定。

在一个实施例中，所述电力电子变压器的拓扑结构包括MMC输入子系统和DAB隔离级子系统。

在步骤S2中，所述通过各半导体的导通电流获得输入子系统输入各半导体器件的功率损耗的步骤包括：

通过直流母线电流和相电流幅值获得MMC输入子系统的各半导体器件的工频周期电流平均值和电流有效值；

通过移相比获得DAB隔离级子系统的各半导体器件的一个开关周期中的电流平均值和电流有效值；

通过各半导体器件的电流平均值和电流有效值获得各半导体器件的导通功率损耗和开断功率损耗。

在步骤S3中，所述通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动的步骤包括：

将结温波动分成两类，第一类结温波动是随外界负荷变化而发生变化的结温均值变化，为长时间低频温度波动，第二类结温波动短时间的基频结温波动；

采用Foster热阻模型根据DAB隔离级子系统的各半导体器件的功率损耗通过公式(1)定量分析各半导体器件的第一类结温波动；

采用Foster热阻模型通过公式(1)获得MMC输入子系统的各半导体器件的第一类结温波动，结合第二类结温波动修正第一类结温波动

其中，α为开关占空比，R_z为第z阶热阻，Z为热阻的总阶数，通常半导体器件有四阶热阻值(可查阅参数手册)，T₀为参考结温值，P_{loss_T}为MMC输入子系统的半导体器件一个开关周期内的平均损耗，P_mod为第二类结温波动对第一类结温波动的修正值，τ_z是R_z对应的时间常数。

上述用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法将IGBT模块的疲劳累积过程及短期运行工况纳入可靠性分析，从而对短期运行中设备可靠性水平的时变特性进行有效刻画，有效预测装置短期运行可靠性风险，为电力系统调度运行提供准确、合理的决策依据。

在步骤S5中，所述通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性的步骤包括：

通过MMC输入子系统的各半导体器件的故障率根据等效可靠度通过下式获得MMC输入子系统的可靠性

其中，R_MMC(P)为MMC输入子系统的可靠性，B为MMC输入子系统的基本组成单元的的总数,b为正常工作时所需的MMC输入子系统的基本组成单元的个数,λⁱ _MMC为MMC输入子系统的第i个基本组成单元的故障率；

通过DAB隔离级子系统的各半导体器件的故障率根据等效可靠度通过下式获得DAB隔离级子系统的可靠性

其中，R_DAB(P)为DAB隔离级子系统的可靠性,_G为DAB隔离级子系统的基本组成单元的的总数,g为正常工作时所需DAB隔离级子系统的基本组成单元的个数,λⁱ _DAB为DAB隔离级子系统的第i个基本组成单元的故障率；

通过MMC输入子系统的可靠性的可靠性和DAB隔离级子系统的可靠性获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性

R_system(P)＝R_MMC(P)*R_DAB(P) (13)。

上述用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法针对MMC型电力电子变压器这类复杂的柔性直流装置，其可靠性评估需要充分考虑历史工况、IGBT模块健康水平等影响因素对整体装置可靠性水平影响，形成运行工况相依的设备运行可靠性评估方法。先结合MMC型电力电子变压器拓扑结构和工作原理，计算各环节功率器件损耗，然后利用热阻模型计算多时间尺度上的结温波动情况，再分别计算元件长/短时间尺度的故障率大小，最后通过子系统可靠性等效计算，获得整体装置可靠性。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，在步骤S1中，获取用于电池储能并网的电力电子变压器典型拓扑结构及使用的半导体器件(功率IGBT管)型号，如图2所示，高压侧输入级采用MMC整流桥10作为整流环节，这种级联型换流器采用子模块(Sub-module,SM)11作为基本组成单元，子模块SM采用半桥拓扑结构，包含T₁和T₂两个IGBT器件，有反并联二极管D₁和D₂；中压侧DC-DC隔离级20采用有源双向桥21作为DC-DC变换器，典型DAB拓扑包含两个有源全桥和一个高频变压器，S₁-S₄、Q₁-Q₄分别为输入和输出侧H桥的功率开关管，对应反并联二极依次为SD₁-SD₄、QD₁-QD₄。

优选地，将电力电子变压器划分成MMC输入子系统、DAB隔离级子系统，三个子系统均采用k-out-of-n的备用形式，即当n个元件中至少有k个元件正常工作时，系统才正常工作，只有当系统中失效的元件数大于n-k时，子系统功能才失效。

在步骤S2中，将装置功率传输大小P作为输入，分别对MMC输入子系统和DAB输入子系统的功率模块导通电流和损耗展开计算，具体地：

对于MMC输入子系统，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，同时三相桥臂完全对称，则子模块中流经IGBT和二极管的工频周期电流平均值和有效值可按下式进行计算，

其中

I_dc为直流母线电流，I_m为相电流幅值，m调制比，

功率因数。

对于DAB隔离级子系统，移相比D直接决定了传输功率的大小，设开关频率为f_sw2，电感大小为L_s，则传输功率P和移相比D关系如下，

其中，g为DAB隔离级子系统的电压转化比，其表达式如下

式中，h为变压器匝比，U₁、U₂分别为变压器一、二次侧电压大小。流过变压侧的电流为梯形波，如图3所示，t₁时刻，Q₃和Q₂关断；t₂时刻，S₁和S₄关断；t₃时刻，Q₁和Q₄关断关断；t₄时刻，S₂和S₃关断，流经电感的电流表达式如下，其中

为t₁和t₂时刻的电流大小，

DAB隔离级子系统的工况在一个开关周期内可以分成六个时段，根据其工作原理，可得每个半导体器件在一个开关周期中的电流平均值和有效值大小，

进一步计算各半导体管损耗大小。IGBT模块的损耗主要由IGBT通态损耗、IGBT开关损耗、二极管通态损耗和二极管反向恢复损耗，而IGBT断态损耗、二极管断态损耗和二极管开通损耗均相对小，可忽略。半导体器件的导通损耗、开断损耗与电流平均值i_avg和有效值

之间的关系如下，

式中，f_sw为开关频率，a_T/D、b_T/D、c_T/D为IGBT或二极管开断损耗的二次特性拟合参数，可通过查阅不同型号功率管的出厂参数获得。分别得到MMC和DAB环节的IGBT和二极管的电流有效值和平均值后，代入上式即可获得各管子的损耗大小。

在步骤S3中，得到各元器件损耗后，分析IGBT模块的结温波动情况。在实际运行过程中，结温波动分成两类，第一类结温波动是随外界负荷变化而发生变化的结温均值变化，此为长时间低频温度波动；第二类结温波动是短时间的基频结温波动，对于MMC变流器，由于其输出频率相对较低，通常为50Hz，其基频结温波动应当考虑在内，但对于DAB高频变压器，开关频率一般是上千赫兹，开关频率温度波动非常小，温度波动对IGBT寿命几乎不影响，短时间的基频结温波动可以忽略，具体地：

对于MMC和DAB中功率模块的长时间低频温度波动，采用Foster热阻模型进行计算，如公式(1)。

对于MMC实际运行的基频结温，在一个工频周期内是脉动的，其最高运行结温高于平均结温，为了尽可能逼近实际运行结温，必须对平均损耗功率加以修正P_mod，将有效工作区间内平均损耗功率替代整个工频周期上的平均损耗功率，可得到最高结温T_j,max和最低结温T_j,min，如公式(8)-(10)。

在步骤S3中，遍历装置历史运行工况的每一个传输功率值，可获取各半导体器件结温波动曲线，分别对长时间尺度低频结温波动造成的故障率(第一故障率)和短时间尺度结温波动造成的故障率(第二故障率)进行计算，从而获得元器件总故障率大小，具体地：

对于长时间尺度低频结温波动造成的累计实效，可根据FIDES可靠性导则可得到特定工况下的故障率统一模型，如公式(2)。

短时间尺度下基频结温波动幅值和周期与运行状态相关，本文采用Miner寿命预测解析模型，先计算功率器件在特定工况下失效循环次数N_f如公式(3)。利用雨流计数法可提取N组运行工况及任一组x的循环次数记作n_x(T_j,ΔT_j)，则在该工况x下疲劳累积如公式(4)，根据故障率函数的定义，器件的短时间尺度故障率如公式(5)。

将长时间尺度和短时间尺度故障率相加即可得到各个半导体器件的整体故障率如公式(6)。

在步骤S5中，根据步骤S1中的子系统划分，电力电子变压器划分成了MMC输入级子系统、DAB隔离级子系统，通过步骤S1-S4可得到每个半导体器件的故障率，该故障率均与装置传输功率P有关，进而得到MMC和DAB基本组成单元的故障率分别为λ_sm和λ_{sub_dab}，如下式：

λ_MMC(P)＝λ_T1(P)+λ_D1(P)+λ_T2(P)+λ_D2(P) (25)

由于各子系统采用k-out-of-n的备用形式，则两个子系统等效可靠度如公式(13)和(14)。

本发明所述用于电池储能的电力电子变压器可靠性评估方法获取适用于电池储能并网的MMC型电力电子变压器拓扑结构后，首先结合电力电子变压器工作原理，通过各环节电流平均值和有效值解析计算，获得不同传输功率下电力电子变压器MMC输入级和DAB隔离级的功率管损耗；然后，基于电力电子可靠性评估手则和IGBT失效机理，评估了不同时间尺度结温波动对IGBT模块故障率的影响；最后，通过电力电子变压器子系统等效故障率计算，实现对整体装置可靠性的评估，形成了从传输功率到装置故障率的完整求解方法。本发明建立的适用于电池储能的电力电子变压器运行可靠性评估方法，充分考虑了运行工况对组成元件健康状态的影响，形成了多时间尺度故障概率评估方法，将运行工况及元件健康状态对装置可靠性水平的影响纳入分析范畴，为电力系统调度运行提供决策依据。

图4是本发明所述用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析系统的构成框图，如图4所示，所述用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析系统包括：

采集模块1，获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导通电流；

功率损耗获得模块2，通过采集模块采集的各半导体的导通电流获得各半导体器件的功率损耗；

结温波动分析模块3，通过功率损耗模块获得的各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动；

故障率分析模块4，通过结温波动分析模块获得的各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率；

可靠性分析模块5，通过故障率分析模块获得的各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。

上述功率损耗获得模块2包括：

电流获得单元，通过直流母线电流和相电流幅值或通过移相比获得各半导体器件的设定周期的电流平均值和电流有效值；

功率损耗获得单元，通过各半导体器件的电流平均值和电流有效值获得各半导体器件的导通功率损耗和开断功率损耗。

上述结温波动分析模块3采用Foster热阻模型根据各半导体器件的功率损耗通过公式(1)定量分析各半导体器件的结温波动。

上述故障率分析模块4包括：

第一故障率分析单元，根据FIDES可靠性导则可得长时间尺度低频结温波动造成的第一故障率模型；

第二故障率分析单元，采用Miner寿命预测解析模型获得短时间尺度下基频结温波动造成的第二故障率模型；

半导体器件故障率分析单元，根据第一故障率模型和第二故障率模型获得半导体器件的故障率。

上述可靠性模块5通过各半导体器件的故障率根据等效可靠度(例如公式(7)或公式(11)-(13))获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (10)

1.一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，其特征在于，包括：

获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导通电流；

通过各半导体的导通电流获得各半导体器件的功率损耗；

通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动；

通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率；

通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。

2.根据权利要求1所述的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，其特征在于，所述电力电子变压器的拓扑结构包括MMC输入子系统和DAB隔离级子系统。

3.根据权利要求2所述的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，其特征在于，所述通过各半导体的导通电流获得输入子系统输入各半导体器件的功率损耗的步骤包括：

通过直流母线电流和相电流幅值获得MMC输入子系统的各半导体器件的工频周期电流平均值和电流有效值；

通过移相比获得DAB隔离级子系统的各半导体器件的一个开关周期中的电流平均值和电流有效值；

通过各半导体器件的电流平均值和电流有效值获得各半导体器件的导通功率损耗和开断功率损耗。

4.根据权利要求1所述的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，其特征在于，所述通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动的步骤包括：

采用Foster热阻模型根据各半导体器件的功率损耗通过下式定量分析各半导体器件的结温波动，所述半导体器件包括IGBT管和功率二极管，

其中，T_j,T和T_j,D分别为工况j下的IGBT管和功率二极管的稳态结温，P_{loss_T}和P_{loss_D}分别为IGBT管和功率二极管的一个开关周期内的平均损耗，R_JC,T和R_JC,D分别为IGBT管和功率二极管的内部热阻，R_CH,T和R_CH,D分别为IGBT管和功率二极管的外部热阻，T_h为散热器温度。

5.根据权利要求4所述的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，其特征在于，所述通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动的步骤包括：

将结温波动分成两类，第一类结温波动是随外界负荷变化而发生变化的结温均值变化，为长时间低频温度波动，第二类结温波动短时间的基频结温波动；

采用Foster热阻模型根据DAB隔离级子系统的各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的第一类结温波动；

采用Foster热阻模型获得MMC输入子系统的各半导体器件的第一类结温波动，结合第二类结温波动修正第一类结温波动

其中，α为开关占空比，R_z为第z阶热阻，Z为热阻的总阶数，T₀为参考结温值，P_mod为第二类结温波动对第一类结温波动的修正值，τ_Z是R_z对应的时间常数。

6.根据权利要求1所述的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，其特征在于，所述通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率的步骤包括：

根据FIDES可靠性导则可得长时间尺度低频结温波动造成的第一故障率模型

λ_long＝(λ_tsf0Π_tsf+λ_tcf0Π_tcf)Π_osΠ_pmΠ_pr

其中，λ_tsf0和λ_tcf0分别为热应力因子和温度循环因子对应的半导体器件基本故障率；Π_os、Π_pm、Π_pr分别表示过应力贡献因子、制造质量的影响、寿命周期中可靠性质量管理及控制水平的影响；Π_tsf和Π_tcf对应为半导体器件的热应力因子和温度循环因子，λ_long为第一故障率；

采用Miner寿命预测解析模型获得短时间尺度下基频结温波动造成的第二故障率模型

其中，ΔT_j为基频结温波动幅值，T_j为相邻负荷采样点的结温平均值，β为疲劳延性系数与焊料层健康状态相关，E_a为激活能量常数与器件相关，K为玻尔兹曼常量，A为常量系数，N_j(T_j,ΔT_j)为半导体器件在工况j下的失效循环次数，n_j(T_j,ΔT_j)为利用雨流计数法提取的半导体器件在工况j下的循环次数，D_j(T_j,ΔT_j)为在工况j下疲劳累积，Δt表示在统计结温波动次数时所取总计时间长度，D(Δt)为所述总计时间长度内所有工况的疲劳累积，λ_short为第二故障率；

根据第一故障率模型和第二故障率模型获得半导体器件的故障率

λ_sum＝λ_short+λ_long

其中，λ_sum为一个半导体器件的故障率。

7.根据权利要求1所述的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，其特征在于，所述通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性的步骤包括：通过各半导体器件的故障率根据等效可靠度获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性

其中，R_system(P)为电力电子变压器的拓扑结构的可靠性，i为所述拓扑结构的基本组成单元的索引，l为正常工作时所需的基本组成单元的个数，L为所述基本组成单元的总数，λⁱ _sum为第i个所述基本组成单元的的故障率，t为服役时间，w为指数常数，根据拓扑结构的备用形式确定。

8.根据权利要求2所述的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法，其特征在于，所述通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性的步骤包括：

通过MMC输入子系统的各半导体器件的故障率根据等效可靠度通过下式获得MMC输入子系统的可靠性

其中，R_MMC(P)为MMC输入子系统的可靠性，B为MMC输入子系统的基本组成单元的的总数,b为正常工作时所需的MMC输入子系统的基本组成单元的个数,λⁱ _MMC为MMC输入子系统的第i个基本组成单元的故障率；

通过DAB隔离级子系统的各半导体器件的故障率根据等效可靠度通过下式获得DAB隔离级子系统的可靠性

其中，R_DAB(P)为DAB隔离级子系统的可靠性,_G为DAB隔离级子系统的基本组成单元的的总数,_g为正常工作时所需DAB隔离级子系统的基本组成单元的个数,λⁱ _DAB为DAB隔离级子系统的第i个基本组成单元的故障率；

通过MMC输入子系统的可靠性的可靠性和DAB隔离级子系统的可靠性获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性

R_system(P)＝R_MMC(P)*R_DAB(P)。

9.一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析系统,其特征在于，包括：

采集模块，获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导通电流；

功率损耗获得模块，通过采集模块采集的各半导体的导通电流获得各半导体器件的功率损耗；

结温波动分析模块，通过功率损耗模块获得的各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动；

故障率分析模块，通过结温波动分析模块获得的各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率；

可靠性分析模块，通过故障率分析模块获得的各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。

10.根据权利要求9所述的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析系统,其特征在于，所述故障率分析模块包括：

第一故障率分析单元，根据FIDES可靠性导则可得长时间尺度低频结温波动造成的第一故障率模型

λ_long＝(λ_tsf0Π_tsf+λ_tcf0Π_tcf)Π_osΠ_pmΠ_pr

其中，λ_tsf0和λ_tcf0分别为热应力因子和温度循环因子对应的半导体器件基本故障率；Π_os、Π_pm、Π_pr分别表示过应力贡献因子、制造质量的影响、寿命周期中可靠性质量管理及控制水平的影响；Π_tsf和Π_tcf对应为半导体器件的热应力因子和温度循环因子，λ_long为第一故障率；

第二故障率分析单元，采用Miner寿命预测解析模型获得短时间尺度下基频结温波动造成的第二故障率模型

其中，ΔT_j为基频结温波动幅值，T_j为相邻负荷采样点的结温平均值，β为疲劳延性系数与焊料层健康状态相关，E_a为激活能量常数与器件相关，K为玻尔兹曼常量，A为常量系数，N_j(T_j,ΔT_j)为半导体器件在工况j下的失效循环次数，n_j(T_j,ΔT_j)为利用雨流计数法提取的半导体器件在工况j下的循环次数，D_j(T_j,ΔT_j)为在工况j下疲劳累积，Δt表示在统计结温波动次数时所取总计时间长度，D(Δt)为所述总计时间长度内所有工况的疲劳累积，λ_short为第二故障率；

半导体器件故障率分析单元，根据第一故障率模型和第二故障率模型获得半导体器件的故障率

λ_sum＝λ_short+λ_long

其中，λ_sum为一个半导体器件的故障率。

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