柔性直流输电换流器换流阀可靠性建模与分析

柔性直流输电换流器换流阀可靠性建模与分析

0总结1hvdc换流器结构1.1主电路的投影图1显示了hvdc系统中三相两平流器和三相三平流器的主电路投影。1.2关于stakpakigbt的阀模块这里以ABB公司的HVDCLight为例介绍换流阀的内部结构,见图2。图2中,VSC-HVDC换流器由若干换流阀按照主电路的拓扑结构组成,每个换流阀由若干个IGBT(insulatedgatebipolartransistor)换流阀模块(简称阀模块,ABB公司称之为StakPakIGBT)串联而成,一个完整的阀模块包括若干个次级子模块、1个门极单元、电压分级器和水冷散热片。直流侧电压等级越高,要求串联的阀模块数就越多。设计中必须留有一定数量的冗余器件,以便在某些器件失效时能保证系统持续运行,失效的IGBT阀模块不能变成开路而要进入短路模式,并且能持续导通电流很长一段时间,直到被替换为止。图3为ABB半导体公司生产的用于HVDCLight换流阀的IGBT换流阀模块,图中每个阀模块中并联有2个、3个、4个或6个次级子模块,所并联的次级子模块数决定了IGBT阀模块额定电流的大小。次级子模块由若干已反并联二极管的IGBT芯片封装组成。1.3igbt单元的保护换流阀的触发控制系统主要作用包括:1)分配、转换和发射阀控系统送来的触发指令,并送到每个IGBT控制极;2)保护IGBT单元不受正向过电压和电压突变的冲击;3)站内发生短路时停滞触发;4)对IGBT进行在线检测。VSC-HVDC的冷却系统与传统直流输电的冷却系统没有本质区别。因为触发控制系统和冷却装置对换流阀的正常、可靠运行十分重要,所以通常都采用2套系统互为热备用的冗余设计,以保证较高的可靠性。2系统正常工作假定系统由n个相互独立且服从相同寿命分布的元件组成,k/n(G)系统也叫n中取k的冗余表决系统,是指当n个元件中至少有k个元件正常工作时,即失效的元件数小于等于n-k时,系统正常工作,反之则系统失效。设每个元件的不可靠度为q,可靠度为p,显然元件只有2种状态,即p+q=1,所以k/n(G)系统的可靠度为在元件的寿命服从指数分布的条件下,设故障率为常数λ,则系统的可靠度为系统的平均无故障工作时间(meantimetofailure,MTTF)为应该指出,串联系统是k/n(G)系统在k=n时的特殊情况,并联系统是k/n(G)系统在k=1时的特殊情况。3流量控制器的可靠性建模和计算3.1阀模块冗余设计换流阀的可靠性分析采用故障树法和状态转移法相结合的方法。换流阀的冗余设计包括2种情况:1)根据换流阀的电压要求确定串联的阀模块数目;2)根据换流阀的电流要求确定阀模块并联的次级子模块数目和次级子模块内部芯片的数目。第1种用于提高耐受电压的串联结构在串联阀模块数低于某一值时将失效,故换流阀的失效定义为元件可用数低于某个数值;第2种用于提高电流容量的并联结构没有这一限制,故这里将阀模块的失效定义为所有芯片的失效。第2种冗余设计在阀模块的设计和生产中已经考虑,这里主要是计算它的可靠性指标,因此本文重点讨论第1种冗余设计。以下分析主要以ABB公司HVDCLight的换流器为例,分别从底层向上分析次级子模块、阀模块和换流阀的可靠性数学模型。3.2状态转移过程组成换流阀模块的次级子模块由若干IGBT芯片并联而成,实验表明,当次级子模块中的一个芯片开路时,次级子模块内芯片依次失效的过程可用齐次马尔可夫过程表示。以3个芯片并联的子模块为例,状态转移过程如图4所示。图中状态S0、S1、S2表示系统运行,S3表示系统故障,λ为一个芯片的故障率,p为不完全系统切换成功的概率。图中的式子表明了在充分小的时间∆t内从一个状态向另一个状态的转移概率。参考图4,对于有3个芯片且互为冗余的不完全切换系统,其转移密度矩阵为由此可得到有n个芯片的次级子模块的可靠性函数为故一个次级子模块的平均无故障工作时间T和故障率λ为3.3阀模块的可靠性阀模块由不同数目的次级子模块并联而成。假设次级子模块的并联数为m,参考文献,这里将不同次级子模块的n个内部IGBT芯片归算到一起,也就是说一个阀模块的可靠性等于一个含有mn个芯片的次级子模块的可靠性,计算公式如式(5)、(6)所示。3.4k/ng阀模块冗余后可靠性分析换流阀由若干个阀模块串联组成。最少只需要k个阀模块串联即可正常工作的换流阀在冗余设计中采用n(n>k)个阀模块串联,故系统中有n-k个冗余的阀模块,可将整个换流阀看作k/n(G)系统,计算中可将每个阀模块看作一个不可修复元件,一个阀模块故障导致的温度和电压变化使其迅速可靠地短路,不影响其它阀模块正常工作,从而保证整个换流阀正常工作。这里采用k/n(G)系统的计算方法,利用式(1)∼(3)计算换流阀模块冗余后的可靠性指标。由于控制触发和冷却系统均采用2套完全独立的设备同时运行并互为热备用,可靠性很高,可以认为其可靠性不随冗余的变化而变化,所以下面的计算仅考虑换流阀模块的因素。4计算不同电压等级流量的可靠性参数和冗余分析4.1设置c.n换流阀模块以ABB公司一个实际的换流阀为例进行分析,见图5,图中换流阀由8个额定电压为2.5kV、额定电流为1kA的换流阀模块串联而成,最高耐压水平为20kV,整个换流阀额定电压为12kV,额定电流为1kA,开关频率为330Hz。可以计算出此换流阀设计时的电压冗余度为50%,这个数值可作为后面冗余设计的参考。换流阀模块内含次级子模块的数目m以及次级子模块内含IGBT芯片的数目n有一定的设计规格(如图2和图3所示),系统容量越大,要求的额定电流就越大,m和n越大。以下计算均参考ABB公司StakPakIGBT换流阀模块的有关数据和型号进行。下面在采用图5中换流阀模块的情况下,对2.5kV、1kA换流阀模块可靠性参数进行计算,然后对由其组成的直流电压为±10kV、±35kV、±110kV、±220kV共4个电压等级的换流阀可靠性参数进行计算、分析和比对。4.22.igbt阀模块可靠性函数参考文献的数据可知,一个IGBT芯片的平均无故障时间T1-chip=160d=0.4384a,故λ1-chip=1/T1-chip=2.2813(次/a)。每个阀模块包含2个次级子模块,每个次级子模块有12个IGBT芯片及反并联的二极管,故mn=2×12=24,λ=2.2813(次/a),p取1(忽略切换的失败),参考3.2、3.3节的计算方法,IGBT阀模块的可靠性函数为可得到阀模块可靠性与时间的关系如图6所示。故对于一个2.5kV、1kA的换流阀模块,有4.31换流阀可靠性的影响对于直流侧电压为±10kV的VSC-HVDC系统,假设由额定电压为2.5kV和额定电流为1kA的IGBT换流阀模块串联,最少需要4个阀模块串联。按照3.4节提出的方法,分别计算从无冗余到有50%冗余的换流阀所具有的可靠性指标以及增加单位冗余(也就是每增加一个换流阀模块)时可靠性指标的变化情况,列于表1中。由表1可知,冗余对换流阀可靠性的影响很关键,且随着冗余的不断增加,冗余元件对换流阀可靠性的贡献也逐渐减小,系统经济性逐渐变差。所以,冗余度的选取应参照经济性和可靠性相结合的标准。4.43计算结果及分析±35kV系统的换流阀最少需要14个换流阀模块,不同冗余下的计算结果如表2所示。±110kV系统换流阀最少需要44个换流阀模块,不同冗余下的计算结果如表3所示。±220kV系统换流阀最少需要88个换流阀模块,不同冗余下的计算结果如表4所示。4.5高电压等级可靠性的确定在不同电压等级和不同冗余下换流阀的故障率和平均无故障工作时间比较如图7所示。由表1∼4和图7可知,随着电压等级的升高和串联阀模块数的增多,换流阀的可靠性逐步降低,为了满足可靠性要求,需要增加更多的冗余。高电压等级系统在电力系统中的地位将变得更为重要,因此实际上应该保证其与低电压等级系统的可靠性水平大致相当,根据这一原则并参考图7的计算结果,大致选定以平均无故障工作时间为5a来确定各个电压等级的冗余度。因此,对于10kV、35kV、110kV和220kV的换流阀推荐冗余k/n为4/5、14/16、44/66、88/132。5在可靠性方面,强调了“三基”一、三和三大时间跨线网络结构及运行机理,引起相关研究1)本文采用k/n(G)模型给出了柔性直流输电换流阀的可靠性指标计算方法,可以看出,模型可以较好地描述不同电压等级的换流阀在不同冗余度设计下可靠性指标的变化。2)为了使含有较多模块数的高电压等级的换流阀达到与含有较少模块数的低电压等级换流阀同样的MTTF可靠性指标,高电压等级的换流阀应有大约50%的冗余设置,远大于低电压等级换流阀的冗余设置水平。事实上,对于高电压等级的换流阀,由于其本身耐压水平的要求,串联的模块数已经很多,过多的冗余就会造成换流阀结构过于复杂,结构的过度复杂又会导致其本身可靠性的下降,所以应该采取提高单模块耐压和可靠性水平等方式缓解这一矛盾;同时,采用单模块恒定的故障率参数,忽略了设备在冗余度变化的工作环境下可靠性参数的变化,但这一变化过程又与各种工作环境因素相关,很难用数学模型表达。以上2点都有待进一步深入研究。柔性直流输电即电压源换相高压直流输电(voltagesourceconverter-highvoltagedirectcurrent,VSC-HVDC),ABB公司称之为轻型直流输电——HVDCLight,是先进的电力电子技术与高压直流输电技术相结合的产物之一。VSC-HVDC采用基于脉宽调制(pulsewidthmodulation,PWM)技术的控制方法,可减少产生的低次谐波,提高电能质量,对交流母线可以任意调节输出电压的相位和幅值,从而灵活独立地控制有功和无功。从1997年在瑞典投运的传输功率为3MW、直流电压为±10kV的第一个工业性示范工程,到2006年在爱沙尼亚投运的传输功率为350MW、直流电压为±150kV的Estlink工程,ABB公司对这种新型的直流输电技术进行了深入细致的研究并促进了其发展。同时,国内也对VSC-HVDC的动态建模