柔性直流輸電換流器換流閥可靠性建模與分析

柔性直流輸電換流器換流閥可靠性建模與分析

0總結(jié)1hvdc換流器結(jié)構(gòu)1.1主電路的投影圖1顯示了hvdc系統(tǒng)中三相兩平流器和三相三平流器的主電路投影。1.2關(guān)于stakpakigbt的閥模塊這里以ABB公司的HVDCLight為例介紹換流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu),見圖2。圖2中,VSC-HVDC換流器由若干換流閥按照主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成,每個(gè)換流閥由若干個(gè)IGBT(insulatedgatebipolartransistor)換流閥模塊(簡(jiǎn)稱閥模塊,ABB公司稱之為StakPakIGBT)串聯(lián)而成,一個(gè)完整的閥模塊包括若干個(gè)次級(jí)子模塊、1個(gè)門極單元、電壓分級(jí)器和水冷散熱片。直流側(cè)電壓等級(jí)越高,要求串聯(lián)的閥模塊數(shù)就越多。設(shè)計(jì)中必須留有一定數(shù)量的冗余器件,以便在某些器件失效時(shí)能保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行,失效的IGBT閥模塊不能變成開路而要進(jìn)入短路模式,并且能持續(xù)導(dǎo)通電流很長一段時(shí)間,直到被替換為止。圖3為ABB半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的用于HVDCLight換流閥的IGBT換流閥模塊,圖中每個(gè)閥模塊中并聯(lián)有2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或6個(gè)次級(jí)子模塊,所并聯(lián)的次級(jí)子模塊數(shù)決定了IGBT閥模塊額定電流的大小。次級(jí)子模塊由若干已反并聯(lián)二極管的IGBT芯片封裝組成。1.3igbt單元的保護(hù)換流閥的觸發(fā)控制系統(tǒng)主要作用包括:1)分配、轉(zhuǎn)換和發(fā)射閥控系統(tǒng)送來的觸發(fā)指令,并送到每個(gè)IGBT控制極;2)保護(hù)IGBT單元不受正向過電壓和電壓突變的沖擊;3)站內(nèi)發(fā)生短路時(shí)停滯觸發(fā);4)對(duì)IGBT進(jìn)行在線檢測(cè)。VSC-HVDC的冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)直流輸電的冷卻系統(tǒng)沒有本質(zhì)區(qū)別。因?yàn)橛|發(fā)控制系統(tǒng)和冷卻裝置對(duì)換流閥的正常、可靠運(yùn)行十分重要,所以通常都采用2套系統(tǒng)互為熱備用的冗余設(shè)計(jì),以保證較高的可靠性。2系統(tǒng)正常工作假定系統(tǒng)由n個(gè)相互獨(dú)立且服從相同壽命分布的元件組成,k/n(G)系統(tǒng)也叫n中取k的冗余表決系統(tǒng),是指當(dāng)n個(gè)元件中至少有k個(gè)元件正常工作時(shí),即失效的元件數(shù)小于等于n-k時(shí),系統(tǒng)正常工作,反之則系統(tǒng)失效。設(shè)每個(gè)元件的不可靠度為q,可靠度為p,顯然元件只有2種狀態(tài),即p+q=1,所以k/n(G)系統(tǒng)的可靠度為在元件的壽命服從指數(shù)分布的條件下,設(shè)故障率為常數(shù)λ,則系統(tǒng)的可靠度為系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間(meantimetofailure,MTTF)為應(yīng)該指出,串聯(lián)系統(tǒng)是k/n(G)系統(tǒng)在k=n時(shí)的特殊情況,并聯(lián)系統(tǒng)是k/n(G)系統(tǒng)在k=1時(shí)的特殊情況。3流量控制器的可靠性建模和計(jì)算3.1閥模塊冗余設(shè)計(jì)換流閥的可靠性分析采用故障樹法和狀態(tài)轉(zhuǎn)移法相結(jié)合的方法。換流閥的冗余設(shè)計(jì)包括2種情況:1)根據(jù)換流閥的電壓要求確定串聯(lián)的閥模塊數(shù)目;2)根據(jù)換流閥的電流要求確定閥模塊并聯(lián)的次級(jí)子模塊數(shù)目和次級(jí)子模塊內(nèi)部芯片的數(shù)目。第1種用于提高耐受電壓的串聯(lián)結(jié)構(gòu)在串聯(lián)閥模塊數(shù)低于某一值時(shí)將失效,故換流閥的失效定義為元件可用數(shù)低于某個(gè)數(shù)值;第2種用于提高電流容量的并聯(lián)結(jié)構(gòu)沒有這一限制,故這里將閥模塊的失效定義為所有芯片的失效。第2種冗余設(shè)計(jì)在閥模塊的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中已經(jīng)考慮,這里主要是計(jì)算它的可靠性指標(biāo),因此本文重點(diǎn)討論第1種冗余設(shè)計(jì)。以下分析主要以ABB公司HVDCLight的換流器為例,分別從底層向上分析次級(jí)子模塊、閥模塊和換流閥的可靠性數(shù)學(xué)模型。3.2狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程組成換流閥模塊的次級(jí)子模塊由若干IGBT芯片并聯(lián)而成,實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)次級(jí)子模塊中的一個(gè)芯片開路時(shí),次級(jí)子模塊內(nèi)芯片依次失效的過程可用齊次馬爾可夫過程表示。以3個(gè)芯片并聯(lián)的子模塊為例,狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖4所示。圖中狀態(tài)S0、S1、S2表示系統(tǒng)運(yùn)行,S3表示系統(tǒng)故障,λ為一個(gè)芯片的故障率,p為不完全系統(tǒng)切換成功的概率。圖中的式子表明了在充分小的時(shí)間?t內(nèi)從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。參考圖4,對(duì)于有3個(gè)芯片且互為冗余的不完全切換系統(tǒng),其轉(zhuǎn)移密度矩陣為由此可得到有n個(gè)芯片的次級(jí)子模塊的可靠性函數(shù)為故一個(gè)次級(jí)子模塊的平均無故障工作時(shí)間T和故障率λ為3.3閥模塊的可靠性閥模塊由不同數(shù)目的次級(jí)子模塊并聯(lián)而成。假設(shè)次級(jí)子模塊的并聯(lián)數(shù)為m,參考文獻(xiàn),這里將不同次級(jí)子模塊的n個(gè)內(nèi)部IGBT芯片歸算到一起,也就是說一個(gè)閥模塊的可靠性等于一個(gè)含有mn個(gè)芯片的次級(jí)子模塊的可靠性,計(jì)算公式如式(5)、(6)所示。3.4k/ng閥模塊冗余后可靠性分析換流閥由若干個(gè)閥模塊串聯(lián)組成。最少只需要k個(gè)閥模塊串聯(lián)即可正常工作的換流閥在冗余設(shè)計(jì)中采用n(n>k)個(gè)閥模塊串聯(lián),故系統(tǒng)中有n-k個(gè)冗余的閥模塊,可將整個(gè)換流閥看作k/n(G)系統(tǒng),計(jì)算中可將每個(gè)閥模塊看作一個(gè)不可修復(fù)元件,一個(gè)閥模塊故障導(dǎo)致的溫度和電壓變化使其迅速可靠地短路,不影響其它閥模塊正常工作,從而保證整個(gè)換流閥正常工作。這里采用k/n(G)系統(tǒng)的計(jì)算方法,利用式(1)～(3)計(jì)算換流閥模塊冗余后的可靠性指標(biāo)。由于控制觸發(fā)和冷卻系統(tǒng)均采用2套完全獨(dú)立的設(shè)備同時(shí)運(yùn)行并互為熱備用,可靠性很高,可以認(rèn)為其可靠性不隨冗余的變化而變化,所以下面的計(jì)算僅考慮換流閥模塊的因素。4計(jì)算不同電壓等級(jí)流量的可靠性參數(shù)和冗余分析4.1設(shè)置c.n換流閥模塊以ABB公司一個(gè)實(shí)際的換流閥為例進(jìn)行分析,見圖5,圖中換流閥由8個(gè)額定電壓為2.5kV、額定電流為1kA的換流閥模塊串聯(lián)而成,最高耐壓水平為20kV,整個(gè)換流閥額定電壓為12kV,額定電流為1kA,開關(guān)頻率為330Hz。可以計(jì)算出此換流閥設(shè)計(jì)時(shí)的電壓冗余度為50%,這個(gè)數(shù)值可作為后面冗余設(shè)計(jì)的參考。換流閥模塊內(nèi)含次級(jí)子模塊的數(shù)目m以及次級(jí)子模塊內(nèi)含IGBT芯片的數(shù)目n有一定的設(shè)計(jì)規(guī)格(如圖2和圖3所示),系統(tǒng)容量越大,要求的額定電流就越大,m和n越大。以下計(jì)算均參考ABB公司StakPakIGBT換流閥模塊的有關(guān)數(shù)據(jù)和型號(hào)進(jìn)行。下面在采用圖5中換流閥模塊的情況下,對(duì)2.5kV、1kA換流閥模塊可靠性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,然后對(duì)由其組成的直流電壓為±10kV、±35kV、±110kV、±220kV共4個(gè)電壓等級(jí)的換流閥可靠性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析和比對(duì)。4.22.igbt閥模塊可靠性函數(shù)參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)可知,一個(gè)IGBT芯片的平均無故障時(shí)間T1-chip=160d=0.4384a,故λ1-chip=1/T1-chip=2.2813(次/a)。每個(gè)閥模塊包含2個(gè)次級(jí)子模塊,每個(gè)次級(jí)子模塊有12個(gè)IGBT芯片及反并聯(lián)的二極管,故mn=2×12=24,λ=2.2813(次/a),p取1(忽略切換的失敗),參考3.2、3.3節(jié)的計(jì)算方法,IGBT閥模塊的可靠性函數(shù)為可得到閥模塊可靠性與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。故對(duì)于一個(gè)2.5kV、1kA的換流閥模塊,有4.31換流閥可靠性的影響對(duì)于直流側(cè)電壓為±10kV的VSC-HVDC系統(tǒng),假設(shè)由額定電壓為2.5kV和額定電流為1kA的IGBT換流閥模塊串聯(lián),最少需要4個(gè)閥模塊串聯(lián)。按照3.4節(jié)提出的方法,分別計(jì)算從無冗余到有50%冗余的換流閥所具有的可靠性指標(biāo)以及增加單位冗余(也就是每增加一個(gè)換流閥模塊)時(shí)可靠性指標(biāo)的變化情況,列于表1中。由表1可知,冗余對(duì)換流閥可靠性的影響很關(guān)鍵,且隨著冗余的不斷增加,冗余元件對(duì)換流閥可靠性的貢獻(xiàn)也逐漸減小,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性逐漸變差。所以,冗余度的選取應(yīng)參照經(jīng)濟(jì)性和可靠性相結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)。4.43計(jì)算結(jié)果及分析±35kV系統(tǒng)的換流閥最少需要14個(gè)換流閥模塊,不同冗余下的計(jì)算結(jié)果如表2所示?！?10kV系統(tǒng)換流閥最少需要44個(gè)換流閥模塊,不同冗余下的計(jì)算結(jié)果如表3所示?！?20kV系統(tǒng)換流閥最少需要88個(gè)換流閥模塊,不同冗余下的計(jì)算結(jié)果如表4所示。4.5高電壓等級(jí)可靠性的確定在不同電壓等級(jí)和不同冗余下?lián)Q流閥的故障率和平均無故障工作時(shí)間比較如圖7所示。由表1～4和圖7可知,隨著電壓等級(jí)的升高和串聯(lián)閥模塊數(shù)的增多,換流閥的可靠性逐步降低,為了滿足可靠性要求,需要增加更多的冗余。高電壓等級(jí)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的地位將變得更為重要,因此實(shí)際上應(yīng)該保證其與低電壓等級(jí)系統(tǒng)的可靠性水平大致相當(dāng),根據(jù)這一原則并參考圖7的計(jì)算結(jié)果,大致選定以平均無故障工作時(shí)間為5a來確定各個(gè)電壓等級(jí)的冗余度。因此,對(duì)于10kV、35kV、110kV和220kV的換流閥推薦冗余k/n為4/5、14/16、44/66、88/132。5在可靠性方面,強(qiáng)調(diào)了“三基”一、三和三大時(shí)間跨線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理,引起相關(guān)研究1)本文采用k/n(G)模型給出了柔性直流輸電換流閥的可靠性指標(biāo)計(jì)算方法,可以看出,模型可以較好地描述不同電壓等級(jí)的換流閥在不同冗余度設(shè)計(jì)下可靠性指標(biāo)的變化。2)為了使含有較多模塊數(shù)的高電壓等級(jí)的換流閥達(dá)到與含有較少模塊數(shù)的低電壓等級(jí)換流閥同樣的MTTF可靠性指標(biāo),高電壓等級(jí)的換流閥應(yīng)有大約50%的冗余設(shè)置,遠(yuǎn)大于低電壓等級(jí)換流閥的冗余設(shè)置水平。事實(shí)上,對(duì)于高電壓等級(jí)的換流閥,由于其本身耐壓水平的要求,串聯(lián)的模塊數(shù)已經(jīng)很多,過多的冗余就會(huì)造成換流閥結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,結(jié)構(gòu)的過度復(fù)雜又會(huì)導(dǎo)致其本身可靠性的下降,所以應(yīng)該采取提高單模塊耐壓和可靠性水平等方式緩解這一矛盾;同時(shí),采用單模塊恒定的故障率參數(shù),忽略了設(shè)備在冗余度變化的工作環(huán)境下可靠性參數(shù)的變化,但這一變化過程又與各種工作環(huán)境因素相關(guān),很難用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。以上2點(diǎn)都有待進(jìn)一步深入研究。柔性直流輸電即電壓源換相高壓直流輸電(voltagesourceconverter-highvoltagedirectcurrent,VSC-HVDC),ABB公司稱之為輕型直流輸電——HVDCLight,是先進(jìn)的電力電子技術(shù)與高壓直流輸電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物之一。VSC-HVDC采用基于脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)技術(shù)的控制方法,可減少產(chǎn)生的低次諧波,提高電能質(zhì)量,對(duì)交流母線可以任意調(diào)節(jié)輸出電壓的相位和幅值,從而靈活獨(dú)立地控制有功和無功。從1997年在瑞典投運(yùn)的傳輸功率為3MW、直流電壓為±10kV的第一個(gè)工業(yè)性示范工程,到2006年在愛沙尼亞投運(yùn)的傳輸功率為350MW、直流電壓為±150kV的Estlink工程,ABB公司對(duì)這種新型的直流輸電技術(shù)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究并促進(jìn)了其發(fā)展。同時(shí),國內(nèi)也對(duì)VSC-HVDC的動(dòng)態(tài)建模