MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

基于MMC结温波动优化的预测控制策略及其可靠性分析

模块化多电平换流器(MMC)IGBT子模块的平均结温及其波动会显著影响其失效率,进而对系统的可靠性产生影响。在MMC热平衡算法的基础上,分析如何在降低MMC子模块结温分布差异和保持子模块的电容电压波动不变的前提下,只通过改变子模块的投切过程来降低结温波动的可能性。以接近结温波动的最小理论幅值ΔT_(min)、降低子模块间的结温波动差异为目标,结合预测得到的下一个控制周期中器件的结温,给出温度波动优化的控制策略。采用Coffin-Manson寿命模型和线性累计损伤理论,评估温度优化控制策略下MMC系统的寿命。最后,在MATLAB中搭建10电平仿真模型,仿真结果表明通过对MMC系统进行温度控制可以提高系统的可靠性。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

模块化多电平换流器损耗与结温的解析计算方法

正常运行时模块化多电平换流器(MMC)子模块的电容不断被充电/放电。为保持电容电压平衡,各子模块投入/切出状态随机,导致MMC损耗计算的复杂度很高。文中引入了桥臂子模块投入占空比的概念,在整个功率运行区间内分析推导了子模块中4个开关器件通态电流平均值与有效值的解析表达式。在此基础上,综合考虑电容电压与门极电阻等参数的影响,推导了通态损耗与开关损耗的解析表达式。针对平均结温并不能真实反映开关器件实际工作状态的问题,详细分析了每个工频周期内开关器件结温波动特性,提出了一种最大运行结温的估算方法。算例分析表明,损耗与结温计算结果与MMC运行特性完全一致,该解析计算方法简便有效。     

MMC-HVDC系统功率器件的结温估算与寿命预测

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,半桥功率模块的寿命预测较为困难,提出了一种功率模块器件的结温实时监测方法及寿命耗损的评估方法.首先,研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,建立功率器件级的热阻模型,研究模块结温实时监测方法.然后,通过Lesit寿命模型和线性损伤累积理论对模块寿命耗损进行定量研究,结果表明,功率波动...     

考虑不同时间尺度的风电变流器功率模块可靠性评估模型

考虑到变风速运行下风电变流器功率模块的结温波动既受到风速的影响,同时也存在由换流引起的基频结温波动。为了综合衡量这两个时间尺度下结温波动对变流器可靠性的影响,提出考虑不同时间尺度下结温波动特点的可靠性评估模型。针对受风速影响较大的长时间尺度结温波动,根据FIDES可靠性评估导则,引入热应力因子和温度循环因子对不同风速均值、风速湍流强度运行状态下的可靠性影响进行评估。针对由换流引起的短时间尺度下的基频结温波动,采用多状态概率评估思想将风速大小进行概率划分,并基于功率模块失效机理评估不同风速对功率模块故障率的贡献。最后,以某风场变流器为例,对其可靠性进行评估,并分析设计参数对可靠性的影响。文中结论对于制定检修计划,提高功率模块设计可靠度提供了依据。     

基于电热耦合模型和寿命预测的IGBT可靠性评估

针对IGBT可靠性评估中结温与运行工况和工作特性紧密相关的问题,以及考虑寿命预测中受多因素的影响,基于IGBT结构及失效机理,提出基于电热耦合模型和Bayerer寿命预测模型的IGBT可靠性预测流程,并结合贵州大学城市配电网柔性互联关键设备及技术研究示范工程,以MMC和DAB换流器中IGBT模块为研究对象,建立其热网络...     

考虑运行功率变化影响的风电变流器可靠性评估

针对风电变流器运行功率随机变化可能导致其可靠性降低的问题,提出考虑功率大小及波动强度变化影响的变流器可靠性多状态概率评估模型。利用多状态概率分析法,以变流器输出功率大小和波动强度作为二维状态划分因子,对应其热应力因子和温度循环因子,建立变流器的元器件故障率统一计算模型。利用变流器元器件的结温计算方法,结合雨流法提取结温循环信息,建立风电变流器子系统级的可靠性多状态概率评估模型。以某风电场SCADA信息为例,比较了不同可靠性评估模型的收敛性,并分析功率大小和功率波动强度对机侧和网侧变流器故障率的影响。结果表明,所建立的可靠性评估模型更能合理反映功率变化对器件结温均值和结温波动的影响,评估的机侧变流器故障率比网侧更大,且随着功率波动强度增加,变流器故障率也增加。     

模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略

模块化多电平换流器(MMC)因具备模块化、调度灵活等优势得到广泛应用.然而,逆变工况下,MMC子模块上下管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的损耗分布不一致,导致子模块内各器件的寿命差异大,而系统可靠性取决于寿命最低的器件,因此,子模块器件的可靠性将严重威胁到换流器的安全可靠运行.为此,文中提出了一种MMC子模块IGBT损耗优化控制策略.所提策略可以在不影响输出外特性的同时,改善子模块内部器件的损耗分布,提高系统的可靠性.具体而言,分析了模块内部损耗不平衡产生的机理,并通过在调制信号中叠加修正量的方式,减小子模块上下管IGBT的损耗偏差,实现了结温均衡.最后,通过损耗优化的数学证明及热-电联合仿真和器件寿命计算,验证了损耗分析的正确性及所提损耗优化控制策略的可行性.     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

基于数学分析的抑制模块化多电平换流器电压波动的子模块电容参数设计

远海风电场经MMC-HVDC联网具有一定的技术优势,子模块是模块化多电平换流器(MMC)的重要组成部分,其参数关系到换流器的安全稳定运行。文中在MMC的稳态数学模型基础上,推导了子模块电容能量波动的关系式,以数学分析的方法证明了换流器工作在静止无功补偿方式时模块电压波动最大,设计了全工况下满足电压波动率要求的子模块电容取值,并指出了考虑风电功率波动的子模块电容取值。仿真以南汇柔性直流输电示范工程为背景,验证了发生直流电压极值时换流器的运行方式,以及所设计的电容参数对换流器工况的适应性。     

基于结温反馈方法的模块化多电平换流器型高压直流输电阀损耗评估

为了计算模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的半导体器件在实际工作结温下的损耗,提出了基于结温反馈方法的MMC损耗计算方法。根据供应商数据及仿真得到的换流器实时电压电流值,在PSCAD/EMTDC中建立了考虑结温变化的损耗计算模块,分析了MMC子模块各部分的通态损耗和开关损耗。同时给出了不同散热器温度下MMC一端换流站的阀损耗比例。计算结果表明,由于器件的实际工作结温往往低于标准结温,因此采用结温反馈后计算得到的换流阀损耗值小于采用恒定结温方法得出的结果。同时证明了MMC的开关损耗较小,在不计吸收电路及驱动电路损耗的前提下,其单站阀损耗占额定直流功率的比例可以下降至<1%,这与二电平和三电平电压源换流器拓扑相比有明显的下降。     

采用不同子模块的MMC-HVDC阀损耗通用计算方法

针对模块化多电平换流器型高压直流输电系统(MMC-HVDC)提出了一种阀损耗通用计算方法,可统一分析现有子模块结构:半桥子模块、全桥子模块和箝位双子模块。首先基于系统运行参数和调制控制策略解析出各子模块元件的电流、电压时域变化波形,然后利用厂商提供的特性曲线对半导体器件特性参数进行拟合,最后结合器件电流、电压波形和开断次数计算其损耗和结温。所提方法能够计及优化电容电压附加控制,且便于编程实现。基于所提方法开发了MMC-HVDC阀损耗通用分析程序,可快速计算各种工况下的换流器功率损耗分布和器件结温。通过算例计算验证了所提方法的有效性。算例结果表明:3种典型MMC拓扑中H-MMC损耗最少,C-MMC次之,F-MMC最差;环流抑制后个别运行工况下换流器损耗特性可能恶化;降低器件开关频率和提高电压调制比均可降低损耗;当器件开关频率低于某特定值(本算例为500 Hz)后,器件的通态损耗成为主导分量。     

考虑基频结温波动的风电变流器可靠性评估

目前风电变流器可靠性评估,无法在考虑实际风速、气温等外部环境长期随机变化的情况下考虑基频结温波动对变流器可靠性的影响。文中提出一种结温迭代算法,可以快速数值计算出功率模块结温。该方法与结温电热仿真方法相比,在保证计算精度的同时能大大缩短计算时间。文中以1.2MW直驱风力发电系统为例,利用提出的结温数值计算方法并结合实际风速和气温数据快速计算整年器件结温,采用Bayerer寿命模型和线性累计损伤理论实现了计入基频结温波动的风电变流器可靠性评估。最后还对可靠性计算结果进行了验证,对比分析了机侧和网侧变流器的可靠性差异、低频和基频结温波动对变流器可靠性的影响。结果表明,大功率直驱风力发电系统,机侧变流器可靠性问题更为严重,且基频结温波动对变流器可靠性的影响不容忽视。     

混合型模块化多电平换流器解析建模与功率运行区间分析

混合型模块化多电平换流器(MMC)在远距离大容量架空线输电领域具有十分广阔的应用前景。为定量研究混合型换流器的运行特性,文中提出了混合型MMC动态解析模型和稳态解析模型的建模方法。通过稳态解析模型求解与换流器内部电气量和控制量有关的非线性方程组,实现了在任意直流电压和功率运行点下换流器运行特性的完全解析求解。对比了不同直流电压水平下,电磁暂态模型仿真结果和稳态解析模型的计算结果,验证了稳态解析模型的精确性。研究了考虑多种运行约束条件时混合型MMC的功率运行区间计算方法,尤其考虑了半桥子模块的均压约束。计算了不同直流电压水平下的功率运行区间,分析了各约束条件以及子模块电容、桥臂电抗器、桥臂子模块比例等参数对功率运行区间的影响。     

柔直配电系统混合型MMC可靠性评估

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC) 作为柔性直流配电系统中的关键设备直接关系到整个配电系统的安全可靠,因此有必要对其可靠性的进行评估。本文首先对半、全桥以及混合型MMC进行比较分析,对比得出混合型MMC更适合运用柔直配电系统。然后通过对MMC工作原理、直流阻断能力、冗余配置的阐述计算出了全、半桥模块数及比例;建立元件可靠性模型并运用故障树法对混合型MMC进行了可靠性建模。最后利用Matlab针对冗余配置、全、半桥子模块比例、IGBT结温及损耗进行算例分析,得出结论：合理的冗余配置以及全、半桥比例是设计混合型MMC的关键所在。并指出IGBT的运行工况会导致混合型MMC的故障率提升。     

模块化多电平换流器的结构可靠性分析

模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)是柔性直流输电系统中的关键设施,其可靠性关系到整个输电系统的安全稳定运行。该文基于拓扑分析,综合考虑子模块、控制保护系统及阀冷系统等部件,建立了详细的MMC可靠性模型,并利用k/n(G)模型和伽玛(Gamma)分布分别构建MMC在两种备用策略下的可靠度函数。基于所建立的可靠性模型,定量分析了元件冗余及其冗余度、子模块备用策略对MMC可靠性的影响,分析结果可为MMC拓扑设计和备用安排提供必要的信息。     

模块化多电平变换器电热耦合模型研究

模块化多电平变换器（MMC）的电热耦合模型对于系统结温监测、可靠性分析、寿命预测等具有重要意义。文中提出了一种合理简化的模块化多电平变换器电热耦合模型,首先基于后退欧拉法,建立MMC子模块的等效电路;然后根据戴维南电路等效方法,建立了三相MMC等效电路;其次,根据器件损耗特性和热阻抗特性建立MMC的电热耦合模型;最后,通过仿真和实验结果,验证了所提MMC电热耦合模型的正确性,该模型可以用来做MMC特性研究和可靠性分析。     

基于内置温度传感器的碳化硅功率模块结温在线提取方法

碳化硅(SiC)MOSFET具有耐压高、开关速度快、导通损耗低等优点,将越来越广泛地应用于高效、高功率密度场合.在这些应用场合中,SiC MOSFET面临着严峻的可靠性考验,而结温的在线准确提取是实现器件寿命预测和可靠性评估的重要基础.该文提出一种基于功率模块内置负温度系数(NTC)温度传感器的器件结温在线提取方法.首先建立考虑多芯片热耦合效应的内置温度传感器至功率芯片的热网络模型,并建立SiC MOSFET的损耗快速计算方法;通过有限元仿真提取热网络模型的阻抗参数,并验证该热网络参数在不同边界条件下的稳定性.仿真和实验结果表明,所提出的结温在线估计方法能够准确地获得器件的动态结温,且热网络模型参数不受环境温度、散热条件等边界条件变化的影响,适用于实际任务剖面下的结温监测与寿命预测.     

气温波动对风电变流器中功率器件寿命消耗的影响

风电变流器中功率器件承受的热载荷具有多时间尺度特性,具体可以划分为基频热载荷和低频热载荷,不同时间尺度的热载荷将导致不同的器件寿命消耗,因而需要分别进行评估。气温的随机波动会对热载荷产生影响,因此在进行器件寿命评估时应考虑气温因素。然而现有的寿命评估方法受限于结温计算方法,仅考虑风速的变化而忽略了气温波动对寿命消耗的影响。因此,基于结温数值计算方法,利用Bayer寿命模型,以Lauswersoog和Valkenburg两个风电场2015年的气温和风速数据为基础,评估了计及气温下功率器件的可靠性,分析了气温波动对寿命消耗的影响。结果表明,长期的气温波动会增加器件的寿命消耗,并且气温波动主要影响低频寿命消耗,而对基频寿命消耗基本没影响。