[发明专利]一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法

说明书

本发明公开了一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，以半桥型子模块MMC为例，通过仿真所得电应力，从元器件到系统进行了可靠性分析。根据元器件级可靠性失效因子，通过可靠性框图和热备用冗余方式得到温度和电压在正常运行条件下和极端条件下对MMC系统级可靠性的影响，以改进现有的可靠性分析方法。从器件级失效率评估到系统级可靠性的分析方法和针对失效来源的分析过程可用于其他系统的可靠性分析，在实际工程中可以作为均衡经济性和可靠性的参考，从元器件失效率出发优化系统可靠性设计。

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法。

背景技术

在柔性直流输电技术领域中，模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)以其开关频率低、损耗小、滤波器要求低和模块化设计可靠性高等优点被广泛使用。由于模块化多电平变换器(MMC)是一种需要冗余来补充故障子模块的电力电子变换器，其可靠性衰减问题是当前亟待解决的问题，因此对MMC进行可靠性分析可以从设计层面上改良其经济性和安全性。

通常情况下，对MMC的可靠性分析分为元器件级和系统级。

元器件级的可靠性衰减主要来源于MMC子模块中关键器件如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，电容等。其中，根据IGBT的封装形式的不同又分为焊接型和压接型IGBT，子模块中所使用的均压电容有铝电解电容和金属化膜电容两种。对于焊接型IGBT其失效来源主要是过压和过热，过热产生的蠕变能量会造成键合引线脱落，焊料层疲劳和键合线根部断裂等故障，而压接型IGBT较于焊接型更加稳定，对温度耐受能力更高，主要故障来自于压接弹簧失效等机械故障。无论金属化膜电容还是铝电解电容，温度，电压以及子模块平均功率的升高都会影响其可靠性，金属化膜电容在过压击穿短路状态下具有“自愈”特性，击穿点的金属化层可在电弧作用下瞬间熔化蒸发而形成一个很小的无金属区，使电容的两个极片重新相互绝缘而仍能继续工作，因此极大提高了电容器工作的可靠性。

在系统级可靠性分析中，现在已有一些研究分析了不同冗余方式下的MMC可靠性，根据子模块电路拓扑，针对半桥型子模块分析居多。近年来，一些相关的研究集中在基于工程经验的系统级可靠性分析和设计上，系统级可靠性研究的失效率数据主要来源于工程经验。由于不同的MMC在正常运行时器件所受应力不同，故在系统级可靠性评估上只使用元器件失效率经验数据不够准确。

发明内容

本发明的目的在于针对上述背景技术中提到的现有MMC可靠性分析的不足，提供了一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，可以根据不同功率等级的MMC进行元器件故障率计算以及系统级可靠性分析。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于器件失效来源的MMC可靠性分析方法，包括以下步骤：

(1)在仿真软件中搭建MMC模型，并将MMC系统电气参数和运行参数输入至该模型，通过仿真得到MMC子模块中关键器件的具体应力；

(2)根据步骤(1)中所得应力通过可靠性手册相关公式计算IGBT和电容失效率；

(3)根据MMC子模块具体拓扑的不同以及元器件在MMC子模块中所执行的功能，通过可靠性框图得到MMC子模块的可靠性；

(4)针对不同冗余备用方式得到MMC子模块可靠性与单桥臂可靠性的关系，从而通过可靠性框图得到系统级可靠性；

(5)结合步骤(2)、(3)和(4)计算出正常运行工况下MMC可靠性；

(6)针对可靠性手册中器件失效系数分析不同失效来源对MMC系统级可靠性的影响。