一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法技术

一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，涉及一种MMC关键器件综合寿命预测方法。目前的研究仍缺乏考虑结合实际工况对MMC综合寿命预测模型。本发明专利技术包括如下步骤：A：将某供电公司柔直工程中某个换流站一年运行的月数据进行处理，转换为电压电流应力的任务剖面，计算MMC关键器件功率损耗；B：给出MMC关键器件热阻热容网络，根据电热比拟理论，将热运算转化为电运算得到MMC关键器件内部温升；C：将MMC关键器件内部温升代入寿命公式计算分别得到MMC关键器件寿命，最终得到MMC综合寿命。本发明专利技术考虑实际运行工况，对MMC关键器件分别进行寿命分析最终得到MMC综合寿命，为提高MMC整体的可靠性提供了参考。

A comprehensive life prediction method for MMC key components considering task profile

A comprehensive life prediction method for MMC key devices considering mission profile relates to a comprehensive life prediction method for MMC key devices. The MMC comprehensive life prediction model considering the actual working conditions is still lacking. The invention comprises the following steps: A: processing the monthly data of a converter station in a power supply company's flexible straightening project for one year, converting the monthly data into the task section of the voltage and current stress, calculating the power loss of the key components of MMC; B: giving the thermal resistance and heat capacity network of the key components of MMC, transforming the thermal calculation into electricity according to the theory of electric-thermal analogy. The internal temperature rise of the key components of MMC is obtained by calculation; C: The internal temperature rise of the key components of MMC is replaced by the life formula to calculate the life of the key components of MMC, and finally the comprehensive life of MMC is obtained. Considering the actual operating conditions, the invention analyzes the life of the key components of the MMC and finally obtains the MMC comprehensive life, which provides a reference for improving the overall reliability of the MMC.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法
本专利技术涉及一种MMC关键器件综合寿命预测方法，尤其涉及一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法。
技术介绍
模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,MMC)是R.Marquardt于2001年提出的新型电压源换流器拓扑结构，凭借其模块化、低谐波含量、低损耗等优势受到广泛关注，在被广泛使用的同时其可靠性成为焦点之一，部分研究通过考虑MMC子模块相关性来提高可靠性，而MMC的寿命预测同样是提高其可靠性、开展相关状态监测的关键技术之一。IGBT作为MMC的重要组成部分，其内部结温易受功率波动影响导致热循环失效；直流侧的功率解耦电容在使用过程中，由于寄生的等效串联电阻(EquivalentSeriesResistance,ESR)的存在，产生功率损耗最终发热失效。两者的寿命问题为MMC可靠性的关键问题。IGBT的寿命预测需要重点考虑在实际工况中因温度波动产生热应力导致的热疲劳失效；膜电容其寿命预测采用目前最为普遍的能反应膜电容ESR随温度变化关系的经验寿命模型。现阶段研究中，对MMC所有易损坏得到器件进行了寿命预测，但其寿命预测方法为基于长期失效概率统计得到的概率模型，没有考虑实际工况，其预测结果可能存在一定的偏差。部分文献虽然考虑实际工况以及温度循环对IGBT开关寿命的影响，但未考虑MMC其他易失效器件的寿命。总而言之，目前的研究仍缺乏考虑结合实际工况对MMC综合寿命预测模型。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，以得到MMC的综合寿命预测，为提高MMC整体的可靠性提供参考的目的。为此，本专利技术采取以下技术方案。一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，包括以下步骤：1)计算MMC关键器件功率损耗：101)以MMC模块运行工况作为任务剖面输入，将实际运行数据转换为器件电应力剖面；102)将电应力任务剖面作为输入，基于损耗计算，获得IGBT导通和开关损耗；103)电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻而产生，并根据电容电流中包含的工频波动、二倍频的波动，计算电容功率损耗；2)获得MMC关键器件热阻热容网络，并根据电热比拟理论，将热运算转化为电，运算得到MMC关键器件内部温升；3)将MMC关键器件内部温升代入寿命公式计算分别得到MMC关键器件寿命，最终得到MMC综合寿命。作为优选技术手段：步骤2)的具体步骤为：201)热阻热容的计算，热阻热容的计算式为：Cth＝cρdA式中，d为热传导方向上材料的长度；A为每层的面积；λ为材料的导热系数；c为材料的定压比热容；ρ为材料的密度。202)器件内部温度计算；器件内部温度来源包括器件的等效热阻Rth,i(℃/W)、热容Cth-jc(J/℃)，环境温度Tamb(℃)以及器件功率损耗P(W)，据电热比拟理论，将IGBT内部温度的热运算转化为由Cauer模型等效的一电流源、电阻，电容并联的一阶电路运算，器件功率损耗作为电流源输入，电阻电容比拟为器件的热阻热容。通过求解一阶电路的微分方程，求得UC的表达式，所得UC即为器件内部温度。203)结温变化计算；器件内部结温达到一定值后在一个小范围内循环波动，其结温上升如下式：对于散热阶段，结温变化表示为：作为优选技术手段：在步骤101)中，在MMC模块的电应力计算中做以下假设：1)计算过程忽略桥臂电流在电抗LC上的压降；2)假设所有子模块的直流电容电压相同；3)假设各开关管功率分布均匀；在MMC的实际应用中的记录数据包括系统有功功率，系统无功功率。利用有功功率与无功功率可求解得到系统电流，其计算式为：其中Vv为交流侧额定电压幅值。求解出单个模块的直流电压VDC其中，VDC0为柔性直流换流阀电压等级，N为一个阀塔子模块个数。本专利技术将某供电公司柔直工程中某个换流站一年运行的月数据进行处理，转换为电压电流应力的任务剖面。然后，将电应力任务剖面作为输入，基于损耗计算、电热模型与寿命模型对IGBT和电容进行寿命预测，最终得到MMC综合寿命预测结果。作为优选技术手段：在步骤102)中，MMC开关管的功率损耗为：其中，VT0为开关管的导通压降，RT为开关管的导通电阻。对上两式求解，得：其中：BT1＝(2-4/k2)/tg(A)+sin(2A)CT1＝(k2/2-1)π+(2-k2)A-(2-k2/2)sin(2A)DT1＝4/tg(A)(1/k2-1)+3kcos(A)-kcos(3A)/3BT2＝4A+2π+(2+4/k2)/tg(A)-sin(2A)CT2＝(k2/2+3)π+(6+k2)A-(2+k2/2)sin(2A)DT2＝4/tg(A)(1/k2+1)+3kcos(A)-kcos(3A)/3由此可得MMC一个子模块总体的导通损耗为：ΔPMMCcon＝ΔPT1con+ΔPT2conMMC模块中IGBT的开关损耗与桥臂电流iARM，子模块电容电压ucap，开关管开关时间tsw，开关频率fsw相关；为了平衡各子模块电压，在每个开关周期内，执行开关动作的子模块数并不是常数。单个开关周期内，执行开关动作的总子模块数定义为平均选择器开关函数nss(t)+1，其中nss(t)的表达式为进一步，可得到IGBT开关损耗表达式为作为优选技术手段：在步骤103)中，桥臂电流将通过子模块的开关动作耦合到各子模块的直流侧，并流入到直流电容中，对于桥臂中第i个子模块，电容电流与开关函数的关系为：icap_i(t)＝Si(t)·ibrg(t)其中，Si为这个子模块的开关函数。当Si＝1时，子模块的上管导通、下管关断；当Si＝0时，子模块的上管关断、下管开通。上下子模块的平均电容电流表达式为：表达式中包含了直流分量、基频波动分量和二倍频波动分量。直流分量代表了流入电流的有功功率，稳态运行情况下直流分量应为零。电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻而产生，电容内部热功率为：考虑到电容电流既包含有工频的波动，也包含了二倍频的波动，结合电容的频率特性将电容内部热功率进一步描述为：其中iω为基波有效值，i2ω为二倍频波动有效值，Rω与R2ω则为基波与二倍频频率点所对应的ESR值。有益效果：1、结合某供电公司实际运行工况，结果更加可靠和精确。2、分析了影响MMC系统寿命的关键因素，分别对IGBT和电容进行寿命预测，得到综合预测寿命，为提高MMC整体可靠性提供了参考。附图说明图1为本专利技术基于任务剖面的MMC模块关键器件寿命计算流程图；图2为本专利技术IGBT整体结构及其材料分布图的示意图；图3为本专利技术IGBT的热阻热容网络的示意图；图4为本专利技术膜电容的热阻热容网络的示意图；图5为本专利技术电热比拟网络的示意图；图6为本专利技术IGBT结温变化曲线示意图，其中横轴为时间，纵轴为结温；图7为本专利技术IGBT结温循环波动曲线示意图，其中横轴为时间，纵轴为结温。具体实施方式以下结合说明书附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。图1所示为本专利技术基于任务剖面的MMC模块关键器件寿命计算流程图，所述方法包括如下步骤：S1：首先计算MMC关键器件功率损耗；以某供电公司提供的数据为例，首先将各个站点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：1)计算MMC关键器件功率损耗：101)以MMC模块运行工况作为任务剖面输入，将实际运行数据转换为器件电应力剖面，MMC模块运行工况信息包括有功功率、无功功率；102)将电应力任务剖面作为输入，基于损耗计算，获得IGBT导通和开关损耗；103)电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻而产生，并根据电容电流中包含的工频波动、二倍频的波动，计算电容功率损耗；2)获得MMC关键器件热阻热容网络，并根据电热比拟理论，将热运算转化为电，运算得到MMC关键器件内部温升；3)将MMC关键器件内部温升代入寿命公式计算分别得到MMC关键器件寿命，最终得到MMC综合寿命。

【技术特征摘要】
1.一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：1)计算MMC关键器件功率损耗：101)以MMC模块运行工况作为任务剖面输入，将实际运行数据转换为器件电应力剖面，MMC模块运行工况信息包括有功功率、无功功率；102)将电应力任务剖面作为输入，基于损耗计算，获得IGBT导通和开关损耗；103)电容内部热功率由电流作用在其等效串联电阻而产生，并根据电容电流中包含的工频波动、二倍频的波动，计算电容功率损耗；2)获得MMC关键器件热阻热容网络，并根据电热比拟理论，将热运算转化为电，运算得到MMC关键器件内部温升；3)将MMC关键器件内部温升代入寿命公式计算分别得到MMC关键器件寿命，最终得到MMC综合寿命。2.根据权利要求1所述的一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于：步骤2)的具体步骤为：201)热阻热容的计算，热阻热容的计算式为：Cth＝cρdA式中，d为热传导方向上材料的长度；A为每层的面积；λ为材料的导热系数；c为材料的定压比热容；ρ为材料的密度；202)器件内部温度计算；器件内部温度来源包括器件的等效热阻Rth,i(℃/W)、热容Cth-jc(J/℃)，环境温度Tamb(℃)以及器件功率损耗P(W)，据电热比拟理论，将IGBT内部温度的热运算转化为由Cauer模型等效的一电流源、电阻，电容并联的一阶电路运算，器件功率损耗作为电流源输入，电阻电容比拟为器件的热阻热容；通过求解一阶电路的微分方程，求得UC的表达式，所得UC即为器件内部温度；203)结温变化计算；器件内部结温达到一定值后在一个小范围内循环波动，其结温上升如下式：对于散热阶段，结温变化表示为：3.根据权利要求2所述的一种考虑任务剖面的MMC关键器件综合寿命预测方法，其特征在于：在步骤101)中，在MMC模块的电应力计算中做以下假设：1)计算过程忽略桥臂电流在电抗LC上的压降；2)假设所有子模块的直流电容电压相同；3)假设各开关管功率分布均匀；在MMC的实际应用中的记录数据包括系统有功功率，系统无功功率；利用有功功率与无功功率可求解得到系统电流，其计算式为：其中Vv为交流侧额定电压幅值；求解出单个模块的直流电压VDC其中，VDC0为柔性直流换流阀电压等级...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴涛，刘黎，姚晖，乔敏，袁杰，李剑波，俞兴伟，卢志飞，杨勇，詹志雄，许琤，郑涛，刘懿，黄萌，孙建军，
申请(专利权)人：国网浙江省电力公司舟山供电公司，国网浙江省电力有限公司，武汉大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33