CN113051753A - 模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法和系统 - Google Patents

模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法和系统，所述方法根据模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，建立模块化多电平换流器子模块的一次元部件子系统和二次元部件子系统，并将采用数量统计方法分别建立的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型组合为子模块可靠性模型后，利用一次元部件和一次元部件的可靠性参数，及一次元部件子系统和二次元部件子系统的结构计算得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数。本发明通过简单科学的系统分类建模方法给出了适应于由任何类型开关器件构成的半桥或全桥结构的子模块的可靠性参数的定量化结果，填补了现有模块化多电平换流器子模块可靠性定量计算的技术空白。

Description

模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法和系统
技术领域
本发明涉及电力系统可靠性评估技术领域，特别是涉及一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法、系统和计算机设备。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)最早由R.Marquardt教授于2001年提出并申请专利，其凭借高质量电压波形、低调制频率和功率损耗小等优势而被成功商用，现已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。众所周知，MMC的桥臂由数十上百个结构相同的子模块(Sub-module,SM)级联构成，即子模块是模块化多电平换流器的标准基本组件，是模块化多电平换流器最小的、不可分割的功率变换单元，且应用最广泛的子模块为半桥子模块和全桥子模块，其中，半桥子模块主要由两个开关器件－二极管对(或具备相同功能的全控型开关器件)及直流电容器组成，全桥子模块主要由四个开关器件－二极管对(或具备相同功能的全控型开关器件)及直流电容器组成。子模块内的各元器件对子模块的正常运行同等重要，均有可能导致子模块旁路，因此，其元器件数量的增加必然会导致子模块，乃至模块化多电平换流器的可靠性降低，如何提高MMC的可靠性及对MMC进行可靠性评估成为了电力系统的基础性问题，对电力系统的规划和运行均具有一定的指导意义。
目前，工程中为了提高模块化多电平换流器的可靠性，大多基于经验假设或定性分析，如针对子模块中的功率器件、取能电源和控制板卡设置了若干特殊试验，但，这仅仅是从“试验验证”的角度对产品进行筛选，是一种定性的评判方法，并不能实现对模块化多电平换流器投运后子模块发生故障导致旁路的概率进行描述，进而对电力系统的规划和运行进行指导的应用目的。
因此，如何基于子模块的拓扑结构以及各元部件的可靠性参数定量计算得到子模块可靠性参数，如可靠度、不可靠度和故障率等，用于对模块化多电平换流器投运后子模块发生故障导致旁路的概率进行描述，及对电力系统的规划和运行进行指导是电力系统可靠性评估技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于子模块的拓扑结构以及各元部件的可靠性参数定量给出子模块可靠性参数的简单科学的可靠性计算方法，能够对模块化多电平换流器投运后子模块发生故障导致旁路的概率进行描述，进而对电力系统的规划和运行进行合理有效的指导。
为了实现上述目的，有必要针对上述技术问题，提供了一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法、系统和计算机设备。
第一方面，本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，所述方法包括以下步骤：
根据模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，建立所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件子系统和二次元部件子系统；所述一次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件结构搭建；所述二次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的二次元部件结构搭建；
根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型；
将所述一次元部件子系统和二次元部件子系统串联，得到模块化多电平换流器子模块可靠性系统；
根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
进一步地，所述模块化多电平换流器子模块包括全桥子模块和半桥子模块。
进一步地，所述一次元部件子系统为串联系统；所述二次元部件子系统为串联系统或串并联混合系统。
进一步地，所述一次元部件子系统包括IGBT器件、反并联二极管、电容器和并联电阻；所述二次元部件子系统包括控制板块、取能电源、IGBT驱动板卡、上行通讯光纤和下行通讯光纤。
进一步地，所述根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型的步骤包括：
采用数理统计方法，根据一次元部件可靠度和二次元部件可靠度，分别得到对应的一次元部件子系统可靠度模型和二次元部件子系统可靠度模型；
根据所述一次元部件子系统可靠度模型和所述二次元部件子系统可靠度模型，分别得到对应的一次元部件子系统不可靠度模型和所述二次元部件子系统不可靠度模型；
根据一次元部件的故障概率分布和二次元部件的故障概率分布，分别得到对应的一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型。
进一步地，所述根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数的步骤包括：
根据所述一次元部件子系统可靠度模型、所述二次元部件子系统可靠度模型和所述所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块可靠度模型；
将所述一次元部件子系统可靠度和所述二次元部件子系统可靠度作积，得到子模块可靠度；
根据所述一次元部件子系统故障率模型、所述二次元部件子系统故障率模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块故障率模型；
根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型、所述模块化多电平换流器子模块不可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块故障率模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
第二方面，本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算系统，所述系统包括：
子系统划分模块，用于根据模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，建立所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件子系统和二次元部件子系统；所述一次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件结构搭建；所述二次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的二次元部件结构搭建；
子系统建模模块，用于根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型；
系统组合模块，用于将所述一次元部件子系统和二次元部件子系统串联，得到模块化多电平换流器子模块可靠性系统；
可靠性计算模块，用于根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
进一步地，所述子系统建模模块包括：
第一建模模块，用于采用数理统计方法，根据一次元部件可靠度和二次元部件可靠度，分别得到对应的一次元部件子系统可靠度模型和二次元部件子系统可靠度模型；
第二建模模块，用于根据所述一次元部件子系统可靠度模型和所述二次元部件子系统可靠度模型，分别得到对应的一次元部件子系统不可靠度模型和所述二次元部件子系统不可靠度模型；
第三建模模块，用于根据所述一次元部件的故障概率分布和所述二次元部件的故障概率分布，分别得到对应的一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型。
进一步地，所述可靠性计算模块包括：
第四建模模块，用于根据所述一次元部件子系统可靠度模型、所述二次元部件子系统可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块可靠度模型；
第五建模模块，用于根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型，得到模块化多电平换流器子模块不可靠度模型；
第六建模模块，用于根据所述一次元部件子系统故障率模型、所述二次元部件子系统故障率模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块故障率模型；
参数计算模块，用于根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型、所述模块化多电平换流器子模块不可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块故障率模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
上述本申请提供了一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法和系统，通过所述方法，实现了根据模块化多电平换流器系统子模块的拓扑结构建立对应的一次元部件子系统和二次元部件子系统后，建立与一次元部件子系统和二次元部件子系统分别对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型，并将一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型组合得到模块化多电平换流器子模块可靠性模型，再根据所述模块化多电平换流器子模块可靠性模型，利用一次元部件和一次元部件的可靠性参数，及一次元部件子系统和二次元部件子系统的结构定量计算得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数的效果。与现有技术相比，该方法简单科学的给出子模块可靠性参数的定量计算方法，实现了对模块化多电平换流器投运后子模块发生故障导致旁路的概率进行描述，进而对电力系统的规划和运行进行合理有效的指导，填补了现有模块化多电平换流器子模块可靠性定量计算的技术空白。
附图说明
图1是本发明实施例中模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法应用场景示意图；
图2是本发明实施例中模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中模块化多电平换流器系统子模块的半桥结合和全桥结构示意图；
图4是本发明实施例中的半桥结构子模块对应的一次元部件子系统结构示意图；
图5是本发明实施例中的半桥结构子模块对应的二次元部件子系统结构示意图；
图6是图2中步骤S12建立一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型的流程示意图；
图7是本发明实施例中模块化多电平换流器子模块可靠性系统的结构示意图；
图8是图2中步骤S14得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数的流程示意图；
图9是本发明实施例中模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算系统的结构示意图；
图10是图9中子系统建模模块2的结构示意图；
图11是图9中可靠性计算模块4的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，显然，以下所描述的实施例是本发明实施例的一部分，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。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。
本发明提供的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，可以应用于如图1所示的终端或服务器上。其中，终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备，服务器可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。服务器可生成最终的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性参数，将生成的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性参数发送至终端，供终端的使用者查看分析。需要说明的是本申请中的可靠性参数包括但不限于可靠度、不可靠度和故障率，下述实施例中列出的这三个可靠性参数仅为示例说明，其他类似的可靠性参数均能可采用本申请中实施例的计算方法得到。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，包括以下步骤：
S11、根据模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，建立所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件子系统和二次元部件子系统；所述一次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件结构搭建；所述二次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的二次元部件结构搭建；
其中，模块化多电平换流器子模块的拓扑结构可分为全桥结构和半桥结构。如图3所示，全桥结构子模块主要由四个开关器件－二极管对(或具备相同功能的全控型开关器件)及直流电容器组成；半桥子模块主要由两个开关器件－二极管对(或具备相同功能的全控型开关器件)及直流电容器组成。需要说明的是，图3所示的半桥结构和全桥结构仅仅展示了开关器件－二极管对和直流电容器等子模块部分一次元部件，事实上，子模块的二次元部件，如控制板卡、取能电源板卡、全控型器件驱动板卡以及上下行通讯光纤等，对于子模块正常工作同样重要。
通过对已投运的国内外柔直工程子模块故障旁路情况进行调研可知，由一次元部件损坏导致子模块旁路的情况相对较少，由二次元部件故障导致子模块旁路的情况相对较多，譬如：取能电源故障、IGBT驱动板卡故障以及上下行通讯光纤故障等，均会导致子模块旁路，且由于二次元部件在子模块中会存在冗余配置的情形，自然存在冗余二次元部件发生故障不会导致子模块故障情况。因此，基于子模块内部一次元部件和二次元部件的运行相互独立互不影响的原则，结合子模块的拓扑结构，及子模块中一次元部件和二次元部件的应用区别，将子模块内的一次元部件和二次元部件分别搭建一次元部件子系统和二次元部件子系统，并将其用于后续的子模块可靠性建模。需要说明的是，一次元部件子系统包括IGBT器件、反并联二极管、电容器和并联电阻等，且考虑子模块的拓扑结构类型对应设置为串联系统，如果子模块是半桥结构，则应包含2个全控型开关器件IGBT；如果子模块是全桥结构，则应包含4个全控型开关器件IGBT；如果是全控型开关器件集成了反并联二极管的功能，则应删减反并联二极管串联环节。二次元部件子系统包括控制板块、取能电源、IGBT驱动板卡、上行通讯光纤和下行通讯光纤等，且考虑子模块的拓扑结构类型及二次元部件故障对于子模块功能的影响，依据具体情况可引入并联结构，即当某个二次元器件存在备份时，对应的二次元部件子系统为串并混合系统，反之，则为串联系统，二次元部件子系统的类型会直接影响得到后续对应子系统可靠性模型的建立。
S12、根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型；
其中，一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模均包括但不限于对应的子系统的可靠度模型、不可靠度模型和故障率模型。由于一次元部件和二次元部件的可靠度、不可靠度和故障率等参数一般可从元器件供货商提供的产品手册中查到，也可以采用模型预测或数理统计方法得到，此处不再赘述。基于获取到的一次元部件和二次元部件的可靠性参数，可采用数量统计方法结合一次元部件和二次元部件对应的故障概率分布分别建立对应的可靠度模型、不可靠度模型和故障率模型，需要说明的是，一次元部件子系统可靠度模型、二次元部件子系统可靠度模型、一次元部件子系统不可靠度模型、二次元部件子系统不可靠度模型、一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型在实际应用中具体的表现形式根据一次元部件子系统和二次元部件子系统的结构确定，下述实施例中相关模型介绍仅以图1所示的半桥结构子模块对应的图4和图5示意的一次元部件子系统和二次元部件子系统对模型建立的方法进行示范性介绍和说明，并不对具体一次元部件子系统和二次元部件子系统的结构及应用的子模块类型进行限定，因子模块的拓扑结构差异而建立的不同于本申请的可靠性模型均可以采用下述方法实现。
如图6所示，所述根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型的步骤包括S12包括：
S121、采用数理统计方法，根据一次元部件可靠度和二次元部件可靠度，分别得到对应的一次元部件子系统可靠度模型和二次元部件子系统可靠度模型；
S122、根据所述一次元部件子系统可靠度模型和所述二次元部件子系统可靠度模型，分别得到对应的一次元部件子系统不可靠度模型和所述二次元部件子系统不可靠度模型；
S123、根据一次元部件的故障概率分布和二次元部件的故障概率分布，分别得到对应的一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型。
其中，一次元部件子系统可靠度模型、二次元部件子系统可靠度模型、一次元部件子系统不可靠度模型、二次元部件子系统不可靠度模型、一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型分别以图4和图5进行示范性介绍。
半桥结构子模块的一次元部件包括2个IGBT、2个反并联二极管、1个直流电容器、1个并联电阻构成的串联系统，当然如果全控型开关器件集成了反并联二极管的功能，则应删减反并联二极管的串联环节：
全控型开关器件IGBT1，对应的可靠性参数：可靠度为RT1，不可靠度为QT1，故障率为λT1；
全控型开关器件IGBT2，对应的可靠性参数：可靠度为RT2，不可靠度为QT2，故障率为λT2；
反并联二极管D1，对应的可靠性参数：可靠度为RD1，不可靠度为QD1，故障率为λD1；
反并联二极管D2，对应的可靠性参数：可靠度为RD2，不可靠度为QD2，故障率为λD2；
直流电容器C，对应的可靠性参数：可靠度为RC，不可靠度为QC，故障率为λC；
并联电阻R，对应的可靠性参数：可靠度为RR，不可靠度为QR，故障率为λR。
半桥结构子模块的二次元部件包括：
控制板卡，对应的可靠性参数：可靠度为Rctrl，不可靠度为Qctrl，故障率为λctrl；
取能电源，对应的可靠性参数：可靠度为Rpower，不可靠度为Qpower，故障率为λpower；
备用取能电源，对应的可靠性参数：可靠度为Rpower－backup，不可靠度为Qpower－backup，故障率为λpower－backup；
IGBT1驱动板卡，对应的可靠性参数：可靠度为RT1－drive，不可靠度为QT1－drive，故障率为λT1－drive；
IGBT1驱动板卡，对应的可靠性参数：可靠度为RT2－drive，不可靠度为QT2－drive，故障率为λT2－drive；
上行通讯光纤，对应的可靠性参数：可靠度为Rup，不可靠度为Qup，故障率为λup；
下行通讯光纤，对应的可靠性参数：可靠度为Rdown，不可靠度为Qdown，故障率为λdown。
1)如图4所示的根据子模块一次元部件结构搭建的一次元部件子系统可靠度模型R1为：
R1＝RT1·RT2·RD1·RD2·RC·RR；
由概率论原理可知，对应的一次元部件子系统不可靠度模型Q1为：
Q1＝1-RT1·RT2·RD1·RD2·RC·RR＝1-R1；
由于一次元部件的可靠度与一次元部件的故障率之间的数学关系取决于其故障概率分布类型，因此，一次元部件子系统故障率模型的建立也与一次元部件的故障概率分布类型有关。较常见的故障概率分布类型有指数分布、威布尔分布、正态分布等。本实施例将以指数分类类型为例进行一次元部件子系统故障率模型的建立进行说明，假设所有一次元部件的故障概率服从指数分布，即
Figure BDA0002986535370000111
时，一次元部件子系统故障率模型为：
λ1＝λT1·λT2·λD1·λD2·λC·λR。
2)如图5所示的根据子模块二次元部件结构搭建的二次元部件子系统可靠度模型R2为：
R2＝Rctrl·(1-Qpower·Qpower-backup)·RT1-drive·RT1-drive·Rup·Rdown；
由概率论原理可知，对应的二次元部件子系统不可靠度模型Q1为：
Q2＝1-Rctrl·(1-Qpower·Qpower-backup)·RT1-drive·RT1-drive·Rup·Rdown＝1-R2；
由于二次元部件的可靠度与二次元部件的故障率之间的数学关系取决于其故障概率分布类型，因此，二次元部件子系统故障率模型的建立也与二次元部件的故障概率分布类型有关。较常见的故障概率分布类型有指数分布、威布尔分布、正态分布等。本实施例将以指数分类类型为例进行二次元部件子系统故障率模型的建立进行说明，假设所有二次元部件的故障概率服从指数分布，即
Figure BDA0002986535370000122
时，二次元部件子系统故障率模型为：
Figure BDA0002986535370000121
需要说明的是，上述一次元部件子系统为串联系统，二次元部件子系统为取能电源有备份的串并联混合系统，与之对应的可靠性模型仅与半桥结构下的示意图4、5相对应，对于全桥结构的一次元部件子系统包括4个IGBT、4个反并联二极管、1个直流电容器、1个并联电阻构成的串联系统，当然如果全控型开关器件集成了反并联二极管的功能，则应删减反并联二极管的串联环节。当然，实际子模型对应的二次元部件子系统中不一定就是取能电源备用而是其他二次元部件存在备用，或者说不一定就只有取能电源备份，也可能出现多个二次元部件同时存在一个或多个备份的情况，对于上述这几种情况，只要存在二次元部件冗余备份的情况对应的二次元部件子系统就是类似举例的串并联混合系统。此外，对于实际子模型对应的二次元部件子系统中不存在任何二次元部件冗余备份的情形而言，任何元部件发生故障均会导致子模块故障，二次元部件子系统就同样也属于串联系统，其对应的可靠度模型、不可靠度模型和故障率模型均可参见一次元部件仔细对应模型的建立方法得到，此处不再赘述。
本实施例中基于子模块对应的一次元部件子系统和二次元部件子系统的结构，采用数量统计方法建立一次元部件子系统和二次元部件子系统的可靠性模型的方法，能够对子模块对应的一次元部件发生故障导致旁路的概率和二次元部件发生故障导致旁路的概率分别进行科学合理的描述，而且方法简单有效。
S13、将所述一次元部件子系统和二次元部件子系统串联，得到模块化多电平换流器子模块可靠性系统；
其中，模块化多电平换流器子模块可靠性系统是由一次元部件子系统和二次元部件子系统串联组合得到的，基于实际子模块内部的一次元部件和二次元部件配置运行的原理，这种组合子模块可靠性系统并用于后续的子模块可靠性建模是科学合理的。
S14、根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
其中，模块化多电平换流器子模块可靠性模型包括模块化多电平换流器子模块可靠度模型、模块化多电平换流器子模块不可靠度模型和模块化多电平换流器子模块故障率模型。由于模块化多电平换流器子模块可靠性模型是根据模块化多电平换流器子模块可靠性系统建立的，且如图7所示，模块化多电平换流器子模块可靠性系统由一次元部件子系统和二次元部件子系统串联组合得到，那么模块化多电平换流器子模块可靠性系统的可靠度和故障率与对应的一次元部件子系统和二次元部件子系统的可靠度和故障率所服从的概率分布必然相同。本实例中模块化多电平换流器子模块可靠性模型的建立依然采用与上述举例使用的指数分布进行示范性说明。
如图8所示，所述根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数的步骤S14包括：
S141、根据所述一次元部件子系统可靠度模型、所述二次元部件子系统可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块可靠度模型；
其中，一次元部件子系统可靠度模型和二次元部件子系统可靠度模型使用一次元部件和二次元部件的可靠度代入计算，分别可得一次元部件子系统可靠度和二次元部件子系统可靠度，由于模块化多电平换流器子模块可靠性系统属于串联系统，采用数理统计方法，易得模块化多电平换流器子模块可靠度模型R为：
R＝R1·R2
其中，R1和R2分别为由上述实施例的一次元部件子系统可靠度模型和二次元部件子系统可靠度模型得到的一次元部件子系统可靠度和二次元部件子系统可靠度。
S142、根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型，得到模块化多电平换流器子模块不可靠度模型；
其中，模块化多电平换流器子模块不可靠度模型基于模块化多电平换流器子模块可靠性系统的结构，同样，由概率论原理可知，对应的模块化多电平换流器子模块不可靠度模型Q为：
Q＝1-R1·R2＝1-R。
S143、根据所述一次元部件子系统故障率模型、所述二次元部件子系统故障率模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块故障率模型；
其中，模块化多电平换流器子模块可靠性系统的故障概率分布类型与对应的一、二次元部件子系统故障概率分布类型相同，同上假设所有一、二次元部件子系统故障概率服从指数分布，即
Figure BDA0002986535370000151
时，则模块化多电平换流器子模块故障率模型为：
λ＝λ1+λ2
其中，λ1和λ2分别为由上述实施例的一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型得到的一次元部件子系统故障率和二次元部件子系统故障率。
S144、根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型、所述模块化多电平换流器子模块不可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块故障率模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
其中，模块化多电平换流器子模块可靠性参数包括但不限于子模块可靠度、子模块不可靠度和子模块故障率，本实例仅以此三种参数进行示例说明。由于子模块中的一次元部件和二次元部件的可靠性参数可以通过供应商手册或其他数理统计的方法得到，那么在采用上述实施例的方法得到模块化多电平换流器子模块可靠性模型后，将所需一次元部件和二次元部件的可靠性参数代入模型计算就能够得到子模块的可靠性参数，如将一次元部件和二次元部件对应的可靠度参数代入模块化多电平换流器子模块可靠度模型得到子模块可靠度，将得到的子模块可靠度代入模块化多电平换流器子模块不可靠度模型就能得到子模块不可靠度，将一次元部件和二次元部件对应的故障率参数代入模块化多电平换流器子模块故障率模型得到子模块故障率等，能够对模块化多电平换流器投运后子模块发生故障导致旁路的概率进行科学合理的描述。
本实施例先基于子模型的拓扑结构及各元器件配合工作的原理，将子模块的一次元部件和二次元部件分别组建为一次元部件子系统和二次元部件子系统，并将得到的一次元部件子系统和二次元部件子系统串联组成模块化多电平换流器子模块可靠性系统，再根据模块化多电平换流器子模块可靠性系统的结构结合概率论原理，建立模块化多电平换流器子模块可靠性模型，依据一次元部件和二次元部件的可靠性参数计算得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数的方法，直接能给出了各类子模块可靠性参数的定量值，不仅方法简单有效，而且建模原理科学合理，可以对模块化多电平换流器投运后子模块发生故障导致旁路的概率进行科学合理的描述，进而对电力系统的规划和运行进行合理有效的指导，有效地调补了现有模块化多电平换流器子模块可靠性定量计算的技术空白。
需要说明的是，虽然上述流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。
在一个实施例中，如图9所示，提供了一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算系统，所述系统包括：
子系统划分模块1，用于根据模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，建立所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件子系统和二次元部件子系统；所述一次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件结构搭建；所述二次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的二次元部件结构搭建；
子系统建模模块2，用于根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型；
系统组合模块3，用于将所述一次元部件子系统和二次元部件子系统串联，得到模块化多电平换流器子模块可靠性系统；
可靠性计算模块4，用于根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
在一个实施例中，如图10所示，所述子系统建模模块2包括：
第一建模模块21，用于采用数理统计方法，根据一次元部件可靠度和二次元部件可靠度，分别得到对应的一次元部件子系统可靠度模型和二次元部件子系统可靠度模型；
第二建模模块22，用于根据所述一次元部件子系统可靠度模型和所述二次元部件子系统可靠度模型，分别得到对应的一次元部件子系统不可靠度模型和所述二次元部件子系统不可靠度模型；
第三建模模块23，用于根据所述一次元部件的故障概率分布和所述二次元部件的故障概率分布，分别得到对应的一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型。
在一个实施例中，如图11所示，所述可靠性计算模块4包括：
第四建模模块41，用于根据所述一次元部件子系统可靠度模型、所述二次元部件子系统可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块可靠度模型；
第五建模模块42，用于根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型，得到模块化多电平换流器子模块不可靠度模型；
第六建模模块43，用于根据所述一次元部件子系统故障率模型、所述二次元部件子系统故障率模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块故障率模型；
参数计算模块44，用于根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型、所述模块化多电平换流器子模块不可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块故障率模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
关于模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算系统的具体限定可以参见上文中对于模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法的限定，在此不再赘述。上述模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
综上，本发明实施例提供的一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法和系统，其通过基于子模型的拓扑结构及各元器件配合工作的原理，将子模块的一次元部件和二次元部件分别组建为一次元部件子系统和二次元部件子系统，并将得到的一次元部件子系统和二次元部件子系统串联组成模块化多电平换流器子模块可靠性系统，再根据模块化多电平换流器子模块可靠性系统的结构结合概率论原理，建立模块化多电平换流器子模块可靠性模型，依据一次元部件和二次元部件的可靠性参数计算得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数的方法，直接能给出了适应于由任何类型开关器件构成的半桥或全桥结构的子模块可靠性参数的定量值，不仅方法简单有效，而且建模原理科学合理，可以对模块化多电平换流器投运后子模块发生故障导致旁路的概率进行科学合理的描述，进而对电力系统的规划和运行进行合理有效的指导，有效地调补了现有模块化多电平换流器子模块可靠性定量计算的技术空白。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统、计算机设备和存储介质的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，建立所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件子系统和二次元部件子系统；所述一次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件结构搭建；所述二次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的二次元部件结构搭建；
根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型；
将所述一次元部件子系统和二次元部件子系统串联，得到模块化多电平换流器子模块可靠性系统；
根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
2.如权利要求1所述的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器子模块包括全桥子模块和半桥子模块。
3.如权利要求2所述的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，其特征在于，所述一次元部件子系统为串联系统；所述二次元部件子系统为串联系统或串并联混合系统。
4.如权利要求3所述的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，其特征在于，所述一次元部件子系统包括IGBT器件、反并联二极管、电容器和并联电阻；所述二次元部件子系统包括控制板块、取能电源、IGBT驱动板卡、上行通讯光纤和下行通讯光纤。
5.如权利要求4所述的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，其特征在于，所述根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型的步骤包括：
采用数理统计方法，根据一次元部件可靠度和二次元部件可靠度，分别得到对应的一次元部件子系统可靠度模型和二次元部件子系统可靠度模型；
根据所述一次元部件子系统可靠度模型和所述二次元部件子系统可靠度模型，分别得到对应的一次元部件子系统不可靠度模型和所述二次元部件子系统不可靠度模型；
根据一次元部件的故障概率分布和二次元部件的故障概率分布，分别得到对应的一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型。
6.如权利要求5所述的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算方法，其特征在于，所述根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数的步骤包括：
根据所述一次元部件子系统可靠度模型、所述二次元部件子系统可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块可靠度模型；
根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型，得到模块化多电平换流器子模块不可靠度模型；
根据所述一次元部件子系统故障率模型、所述二次元部件子系统故障率模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块故障率模型；
根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型、所述模块化多电平换流器子模块不可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块故障率模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
7.一种模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算系统，其特征在于，所述系统包括：
子系统划分模块，用于根据模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，建立所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件子系统和二次元部件子系统；所述一次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的一次元部件结构搭建；所述二次元部件子系统仅根据所述模块化多电平换流器子模块的二次元部件结构搭建；
子系统建模模块，用于根据所述一次元部件子系统和所述二次元部件子系统，分别建立与之对应的一次元部件子系统可靠性模型和二次元部件子系统可靠性模型；
系统组合模块，用于将所述一次元部件子系统和二次元部件子系统串联，得到模块化多电平换流器子模块可靠性系统；
可靠性计算模块，用于根据所述一次元部件子系统可靠性模型和所述二次元部件子系统可靠性模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统所对应的模块化多电平换流器子模块可靠性模型，并得到模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
8.如权利要求7所述的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算系统，其特征在于，所述子系统建模模块包括：
第一建模模块，用于采用数理统计方法，根据一次元部件可靠度和二次元部件可靠度，分别得到对应的一次元部件子系统可靠度模型和二次元部件子系统可靠度模型；
第二建模模块，用于根据所述一次元部件子系统可靠度模型和所述二次元部件子系统可靠度模型，分别得到对应的一次元部件子系统不可靠度模型和所述二次元部件子系统不可靠度模型；
第三建模模块，用于根据所述一次元部件的故障概率分布和所述二次元部件的故障概率分布，分别得到对应的一次元部件子系统故障率模型和二次元部件子系统故障率模型。
9.如权利要求7所述的模块化多电平换流器系统子模块的可靠性计算系统，其特征在于，所述可靠性计算模块包括：
第四建模模块，用于根据所述一次元部件子系统可靠度模型、所述二次元部件子系统可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块可靠度模型；
第五建模模块，用于根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型，得到模块化多电平换流器子模块不可靠度模型；
第六建模模块，用于根据所述一次元部件子系统故障率模型、所述二次元部件子系统故障率模型和所述模块化多电平换流器子模块可靠性系统，得到模块化多电平换流器子模块故障率模型；
参数计算模块，用于根据所述模块化多电平换流器子模块可靠度模型、所述模块化多电平换流器子模块不可靠度模型和所述模块化多电平换流器子模块故障率模型，得到所述模块化多电平换流器子模块可靠性参数。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一所述方法的步骤。
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