一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法技术

本发明专利技术公开一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法，属于特高压直流输电领域；评估方法包括：利用换流阀所用晶闸管的TCAD模型进行过电流仿真，获取晶闸管在不同故障下的最高结温；利用阿伦尼乌斯老化加速模型计算瞬时高温引发硅裂失效机理下的晶闸管寿命加速因子；根据电子元件寿命分布威布尔模型计算过电流发生后的晶闸管元件寿命分布均值，并据此计算其不同时间内的失效率；根据换流阀中晶闸管元件配置情况及换流器中换流阀配置情况计算换流器因晶闸管失效超过冗余的概率，根据是否采取提前检修和元件更换的成本分析确定最佳检修时间；可以较低成本获取大功率晶闸管在不同过电流波形下的最高结温，从而来评估换流器检修时间。从而来评估换流器检修时间。从而来评估换流器检修时间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法


[0001]本专利技术属于特高压直流输电领域，具体涉及一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法。

技术介绍

[0002]换流器是特高压直流输电工程的核心组成部分之一，承担了特高压直流输电工程中整流及逆变的核心功能。功率晶闸管是特高压换流器的核心元件，功率晶闸管通过串联组成换流阀组，进一步构成六脉动、十二脉动换流器。在实际工程使用中，功率晶闸管往往面临着因操作冲击、雷电冲击及功率波动导致的过电流冲击，进而引发晶闸管寿命和失效率的变化。由于换流器在特高压直流输电工程中的核心地位，一旦功率晶闸管的失效数量超过设计冗余，将导致所在阀组停运，进而导致所属换流器停运，最终使得线路功率降低，甚至引发部分地区停电。因此，如何评估特高压换流器所用功率晶闸管在不同电流冲击下的寿命和失效率变化，进而对换流器检修计划给出指导显得十分重要。
[0003]加速寿命试验给出了高应力下元件寿命特征和正常应力下元件寿命特征的关系，阿伦尼乌斯(Arrhenius)模型是最广泛应用在温度应力试验时的模型，可以用于推导同一温度失效机理下的元件寿命。威布尔分布(Weibull distribution)是可靠性分析和寿命检验的理论基础，广泛应用于各种寿命试验的概率统计数据处理。特高压直流输电工程所用晶闸管在换流器设计寿命内的主要失效机理是瞬时过热造成的机械膨胀引发的硅裂。可见，精确获取晶闸管在过电流工况下的最高结温是评估其故障率与安全运行状态的关键。传统方法以实验测量为主，如中国专利公开号CN108107333A公开了一种IGBT热敏感参数提取装置，通过测量IGBT表面温度并结合温控系统理论温度来确定IGBT内部结温。中国专利公开号CN108647447B公开了MMC换流阀可靠性分析方法及装置，依靠电流应力、电压应力来测算IGBT组件的结温。但在工程实践中，一方面由于UHVDC晶闸管体积大，内部温度分布不均匀，过电流工况下的最高温度难以精确测量；另一方面，由于UHVDC晶闸管造价高昂，电压电流水平高，过电流工况实验又带有一定破坏性，因此也使得该类晶闸管的加速老化实验设备要求高、成本高。因此，如何低成本地获取UHVDC晶闸管过电流工况下的最高温度用于寿命分析是当前业界的一大难题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法，解决了
技术介绍
中的问题。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法，包括以下步骤：
[0007]S1，使用Sentaurus TCAD对晶闸管进行额定浪涌电流工况及过电流工况仿真，并提取仿真过程中的最高晶格温度；
[0008]S2，根据晶闸管正常使用状态下的年均损坏率，计算其受过电流影响前，处于偶然
失效期的威布尔寿命分布均值λ；
[0009]S3，基于阿伦尼乌斯加速老化模型计算加速老化因子T
AF
；
[0010]S4，计算加速老化威布尔寿命均值λ
stress
；
[0011]S5，基于威布尔寿命分布模型计算加速老化后不同时间内晶闸管的失效率p
t
(t)；
[0012]S6，根据换流器中晶闸管的元件配置数量和二项分布概率模型，计算单换流阀因晶闸管元件失效数量超冗余而无法工作的概率p
s
(t)和换流器因单阀无法工作导致停运的概率p
c
(t)；
[0013]S7，对是否进行提前检修、设备更换进行成本估算；
[0014]S8，根据期望成本等式计算最佳检修时间，并与当前距离下一次计划内的时间作对比，给出检修指导。
[0015]进一步地，所述S1中，利用Sdevice工具进行额定浪涌电流工况的仿真，并使用Svisual工具创建晶格温度
‑
时间曲线，再使用TCL编写提取语句，实现仿真过程中最大晶格温度的自动提取。
[0016]进一步地，所述S2中，正常使用下晶闸管元件的威布尔分布均值λ的计算公式为：
[0017][0018]p0为年均失效率数据。
[0019]进一步地，所述S3中，加速老化因子T
AF
的计算过程如下：
[0020][0021]式中，λ
normal
即S2中计算出的正常使用下晶闸管元件的威布尔分布均值λ，λ
stress
为晶闸管元件加速老化后的威布尔分布均值；T
normal
为数据手册标定ITSM工况下的元件最高温度，T
stress
为其他过电流工况下的元件最高温度，由S1中仿真所得；k为玻尔兹曼常数，E
a
为瞬时过热引发热膨胀导致硅裂这一失效机理反应的活化能。
[0022]进一步地，所述S5中，p
t
(t)的计算过程如下：
[0023]使用威布尔分布计算不同时间内晶闸管元件失效率，如下：
[0024][0025]p
t
(t)＝F(t，λ，k)
[0026]式中，t为评估时间，即评估t时间内的元件失效率；λ为寿命分布均值，对应S2中计算出的寿命分布均值λ及由S3、S4中计算出的加速老化寿命分布均值λ
stress
；k＝1。
[0027]进一步地，所述所述S6中，p
s
(t)的计算过程为：
[0028][0029]式中，n+m为单阀晶闸管元件数量，n为设计数量，m为冗余数量。
[0030]进一步地，所述p
c
(t)的计算过程为：
[0031]根据二项分布计算换流器因单换流阀晶闸管元件失效超过冗余的概率，如下：
[0032]p
c
(t)＝1
‑
(1
‑
p0(t))
L
(1
‑
p
s
(t))
R
‑
L
[0033]式中，p0(t)为不发生过电流工况下t时间内的单阀故障率，由寿命分布均值为λ的威布尔分布求得晶闸管元件t时间内失效率代入p
s
(t)计算式中求得；R为换流器中单阀个数；L为换流器实际运行状态确定过电流波形影响的单阀数量。
[0034]进一步地，所述成本估算过程为：
[0035]S1＝b+p
c0
(t)
×
a
[0036]S2＝c+p
c
(t)
×
a
[0037]式中，p
c0
(t)为换流器在正常运行状态下的停运概率，由下式计算：
[0038]p
c0
(t)＝1
‑
(1
‑
p0(t))本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，使用SentaurusTCAD对晶闸管进行额定浪涌电流工况及过电流工况仿真，并提取仿真过程中的最高晶格温度；S2，根据晶闸管正常使用状态下的年均损坏率，计算其受过电流影响前，处于偶然失效期的威布尔寿命分布均值λ；S3，基于阿伦尼乌斯加速老化模型计算加速老化因子T
AF
；S4，计算加速老化威布尔寿命均值λ
stress
；S5，基于威布尔寿命分布模型计算加速老化后不同时间内晶闸管的失效率p
t
(t)；S6，根据换流器中晶闸管的元件配置数量和二项分布概率模型，计算单换流阀因晶闸管元件失效数量超冗余而无法工作的概率p
s
(t)和换流器因单阀无法工作导致停运的概率p
c
(t)；S7，对是否进行提前检修、设备更换进行成本估算；S8，根据期望成本等式计算最佳检修时间，并与当前距离下一次计划内的时间作对比，给出检修指导。2.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法，其特征在于，所述S1中，利用Sdevice工具进行额定浪涌电流工况的仿真，并使用Svisual工具创建晶格温度
‑
时间曲线，再使用TCL编写提取语句，实现仿真过程中最大晶格温度的自动提取。3.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法，其特征在于，所述S2中，正常使用下晶闸管元件的威布尔分布均值λ的计算公式为：p0为年均失效率数据。4.根据权利要求3所述的一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法，其特征在于，所述S3中，加速老化因子T
AF
的计算过程如下：式中，λ
normal
即S2中计算出的正常使用下晶闸管元件的威布尔分布均值λ，λ
stress
为晶闸管元件加速老化后的威布尔分布均值；T
normal
为数据手册标定ITSM工况下的元件最高温度，T
stress
为其他过电流工况下的元件最高温度，由S1中仿真所得；k为玻尔兹曼常数，E
a
为瞬时过热引发热膨胀导致硅裂这一失效机理反应的活化能。5.根据权利要求4所述的一种基于晶闸管寿命模型的UHVDC换流器检修时间评估方法，其特征在于，所述S5中，p
t
(t)的计算过程如下：使用威布尔分布计算不同时间内晶闸管元件失效率，如下：p
f
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖华锋，周煦骐，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：