CN106202970A - 一种mmc的故障率评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MMC的故障率评估方法，包括以下步骤：1）获得MMC电路的子模块和子模块组件；2）输入MMC电路及其子模块组件的工作参数，完成初始条件设定；3）根据故障模型计算子模块组件的故障率，得到子模块的故障率；4）建立MMC电路的马尔可夫模型，基于马尔可夫模型建立状态转移方程；5）求解状态转移方程，得到MMC电路的故障率随时间和模块数的变化函数，可靠性随时间和模块数的变化函数，以及平均失效时间。大幅提高子模块组件的故障率的计算可靠性，提高MMC电路的故障率的估计可靠性；通过马尔可夫模型的运用，使求解得到的MMC电路的故障率和平均寿命更准确、且随时间变化而变化，具有动态性，故障评估精度高。

Description

一种MMC的故障率评估方法

技术领域

本发明涉及一种故障率评估方法，特别是涉及一种MMC的故障率评估方法，属于电力***可靠性评估领域。

背景技术

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)，自2002年由德国学者R.Marquardt等提出以后，因其在高压大功率应用方面的独特优势，得到了各国学者的广泛关注和研究，主要集中在高压直流输电HVDC、电能质量治理和交流传动等领域，尤其是高压直流输电换流器的首要选择。

模块化多电平变换器MMC中有多个子模块，子模块的可靠性大大影响了MMC整体的可靠性，子模块故障会对MMC变换器的正常运行造成影响，所以研究MMC的故障率是有必要的。

在传统的故障率评估方法中，都是设定明确的子模块故障率为λ_sm＝λ_I ²λ_D ²λ_C，以及MMC的故障率为P＝6nλ_sm，其中，λ_I是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的故障率，λ_D是二极管的故障率，λ_C是电容的故障率，n为每一桥臂的子模块数量。

传统的故障率评估方法中，组件的故障率没有使用故障模型计算，所以得到的子模块故障率是不可靠的；而且，也没有使用模型来求解MMC电路的故障率，导致计算得到的MMC故障率精度较低。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种MMC的故障率评估方法，解决传统故障率评估方法不能充分反应不同时间下MMC电路的可靠性，而且可提高MMC电路故障率和平均寿命的估计精度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种MMC的故障率评估方法，包括以下步骤：

1)获得MMC电路的子模块和子模块组件；

2)输入MMC电路及其子模块组件的工作参数，完成初始条件设定；

3)根据故障模型计算子模块组件的故障率，得到子模块的故障率；

4)建立MMC电路的马尔可夫模型，基于马尔可夫模型建立状态转移方程；

5)求解状态转移方程，得到MMC电路的故障率随时间和模块数的变化函数，可靠性随时间和模块数的变化函数，以及平均失效时间。

本发明进一步设置为：所述子模块组件包括IGBT、电容和二极管。

本发明进一步设置为：所述步骤3)中的根据故障模型计算子模块组件的故障率，包括，

根据IGBT的故障模型，计算IGBT的故障率λ_I＝λ_b·π_T·π_A·π_Q·π_E；

根据电容的故障模型，计算电容的故障率λ_C＝λ_b·π_CV·π_Q·π_E；

根据二极管的故障模型，计算二极管的故障率λ_D＝λ_b·π_T·π_S·π_C．π_Q．π_E；

其中，λ_b为基础故障率，π_T为温度因素，π_A为应用因素，π_Q为质量因素，π_S为电应力因素，π_C为结构接触因素，π_CV为电容因素，π_E为环境因素。

本发明进一步设置为：所述步骤3)中的子模块的故障率记为λ_sm，当子模块采用半桥子模块的结构，则半桥子模块的故障率为λ_sm＝2λ_I+2λ_D+λ_C。

本发明进一步设置为：所述MMC电路及其子模块组件的参数包括MMC电路的电子器件结温、功率、额定电流和额定直流电压，以及子模块组件的类型和不活跃模式下子模块组件故障率等于零。

本发明进一步设置为：所述步骤4)中的状态转移方程为

$\left[\begin{array}{cc}-\mathrm{\λ}& \mathrm{\μ}\\ \mathrm{\λ}& -\mathrm{\μ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_0\\ P_1\end{array}\right]=\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{P}_0\\ P_1\end{array}\right],P_0+P_1=1;$

其中，λ＝6nλ_sm，λ为MMC电路的故障率，μ为MMC电路的返回率，P₀为MMC电路处于正常工作状态的概率，P₁为MMC电路的任一桥臂上的任一子模块发生故障的概率，t为时间，n为MMC电路的每一桥臂的子模块数量，λ_sm为子模块的故障率。

本发明进一步设置为：所述步骤5)中的求解状态转移方程，包括，

设MMC电路的返回率μ＝0，即要求发生故障的子模块在检修中已调换成正常；

则通过求解状态转移方程，得到，

MMC电路处于正常工作状态的概率随时间和模块数的变化函数为P₀(t)；

进而得到，

MMC电路的故障率随时间和模块数的变化函数为P₁(t)＝1-P₀(t)，

可靠性随时间和模块数的变化函数为R(t)＝P₀(t)，

平均失效时间为

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

通过对MMC电路及其子模块组件的参数的条件设定，根据故障模型得到子模块组件的故障率，从而建立马尔可夫模型，进而基于马尔可夫模型建立状态转移方程，并通过求解状态转移方程来得到不同模块数下随时间变化的MMC电路的故障率、可靠性以及平均失效时间等参数；不仅大幅提高子模块组件的故障率的计算可靠性，而且提高MMC电路的故障率的估计可靠性；更是通过马尔可夫模型的运用，使求解得到的MMC电路的故障率和平均寿命更加准确、且随时间变化而变化，具有动态性，提高故障估计精度。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明一种MMC的故障率评估方法的流程图；

图2为本发明采用的MMC电路拓扑图；

图3为本发明建立的马尔可夫模型的状态图；

图4为本发明求解状态转移方程后得到建立的可靠性随时间和模块数的变化图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种MMC的故障率评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)获得MMC电路的子模块和子模块组件；

如图2所示为MMC电路拓扑图，其中每个方框表示一个子模块，子模块采用半桥子模块的结构，每一子模块中的子模块组件包括IGBT、电容和二极管。

子模块故障原因，主要有电力电子器件损坏，IGBT和二极管等电力电子器件的过载能力较弱，过电压、过电流或者过高的电压、电流上升率都可能造成电力电子器件的损坏，以及电容损坏和触发控制故障等。子模块的故障会导致直流电压和直流电流的振荡，最终将导致MMC电路停运，所以每个子模块组件的故障率将决定子模块的故障率，子模块的可靠性将决定整个MMC电路的***可靠性。

2)输入MMC电路及其子模块组件的工作参数，完成初始条件设定；

对以下条件进行设定，设MMC电路的电子器件结温为100℃，MMC电路的功率为30KW，MMC电路的额定电流为50A和额定直流电压为800v，以及子模块组件故障率在不活跃的模式下等于零，IGBT、电容和二极管的组件类型为JANTX。

3)根据故障模型计算子模块组件的故障率，得到子模块的故障率；

根据IGBT的故障模型，计算IGBT的故障率λ_I＝λ_b·π_T·π_A·π_Q．π_E；

根据电容的故障模型，计算电容的故障率λ_C＝λ_b．π_CV·π_Q．π_E；

根据二极管的故障模型，计算二极管的故障率λ_D＝λ_b·π_T·π_S·π_C·π_Q·π_E；

其中，λ_b为基础故障率，π_T为温度因素，π_A为应用因素，π_Q为质量因素，π_S为电应力因素，π_C为结构接触因素，π_CV为电容因素，π_E为环境因素。

各因素具体参数可根据子模块组件的实际使用情况获得，可计算得到如下表1所示的IGBT、电容和二极管的故障率。

将子模块的故障率记为λ_sm，则半桥结构的子模块的故障率为λ_sm＝2λ_I+2λ_D+λ_C，根据表1所示各子模块组件的故障率，得到λ_sm＝8.3×10^-6failures/hour。

4)建立MMC电路的马尔可夫模型，基于马尔可夫模型建立状态转移方程；

马尔可夫模型的状态图如图3所示，基于马尔可夫模型建立的状态转移方程为P₀+P₁＝1；

其中，λ＝6nλ_sm，λ为MMC电路的故障率，μ为MMC电路的返回率、即修复率，P₀为MMC电路处于正常工作状态的概率，P₁为MMC电路的任一桥臂上的任一子模块发生故障的概率，t为时间，n为MMC电路的每一桥臂的子模块数量，λ_sm为子模块的故障率、其已通过步骤3)计算得到。

5)求解状态转移方程，得到MMC电路的故障率随时间和模块数的变化函数，可靠性随时间和模块数的变化函数，以及平均失效时间；

设MMC电路的返回率μ＝0，即要求发生故障的子模块在检修中已调换成正常，其中修复过程忽略；

通过求解状态转移方程，得到MMC电路处于正常工作状态的概率随时间和模块数的变化函数为P₀(t)，

进而得到，

MMC电路的故障率随时间和模块数的变化函数为P₁(t)＝1-P₀(t)，即

可靠性随时间和模块数的变化函数为R(t)＝P₀(t)，即其具体变化图如图4所示；

平均失效时间为即

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种MMC的故障率评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获得MMC电路的子模块和子模块组件；

2)输入MMC电路及其子模块组件的工作参数，完成初始条件设定；

3)根据故障模型计算子模块组件的故障率，得到子模块的故障率；

4)建立MMC电路的马尔可夫模型，基于马尔可夫模型建立状态转移方程；

5)求解状态转移方程，得到MMC电路的故障率随时间和模块数的变化函数，可靠性随时间和模块数的变化函数，以及平均失效时间。

2.根据权利要求1所述的一种MMC的故障率评估方法，其特征在于：所述子模块组件包括IGBT、电容和二极管。

3.根据权利要求2所述的一种MMC的故障率评估方法，其特征在于：所述步骤3)中的根据故障模型计算子模块组件的故障率，包括，

根据IGBT的故障模型，计算IGBT的故障率λ_I＝λ_b·π_T·π_A·π_Q·π_E；

根据电容的故障模型，计算电容的故障率λ_C＝λ_b·π_CV·π_Q·π_E；

根据二极管的故障模型，计算二极管的故障率λ_D＝λ_b·π_T·π_S·π_C·π_Q·π_E；

其中，λ_b为基础故障率，π_T为温度因素，π_A为应用因素，π_Q为质量因素，π_S为电应力因素，π_C为结构接触因素，π_CV为电容因素，π_E为环境因素。

4.根据权利要求3所述的一种MMC的故障率评估方法，其特征在于：所述步骤3)中的子模块的故障率记为λ_sm，当子模块采用半桥子模块的结构，则半桥子模块的故障率为λ_sm＝2λ_I+2λ_D+λ_C。

5.根据权利要求1所述的一种MMC的故障率评估方法，其特征在于：所述MMC电路及其子模块组件的参数包括MMC电路的电子器件结温、功率、额定电流和额定直流电压，以及子模块组件的类型和不活跃模式下子模块组件故障率等于零。

6.根据权利要求1所述的一种MMC的故障率评估方法，其特征在于：所述步骤4)中的状态转移方程为P₀+P₁＝1；

其中，λ＝6nλ_sm，λ为MMC电路的故障率，μ为MMC电路的返回率，P₀为MMC电路处于正常工作状态的概率，P₁为MMC电路的任一桥臂上的任一子模块发生故障的概率，t为时间，n为MMC电路的每一桥臂的子模块数量，λ_sm为子模块的故障率。

7.根据权利要求6所述的一种MMC的故障率评估方法，其特征在于：所述步骤5)中的求解状态转移方程，包括，

设MMC电路的返回率μ＝0，即要求发生故障的子模块在检修中已调换成正常；

则通过求解状态转移方程，得到，

MMC电路处于正常工作状态的概率随时间和模块数的变化函数为P₀(t)；

进而得到，

MMC电路的故障率随时间和模块数的变化函数为P₁(t)＝1-P₀(t)，

可靠性随时间和模块数的变化函数为R(t)＝P₀(t)，

平均失效时间为