模块化多电平换流器寿命评估方法
专利汇可以提供模块化多电平换流器寿命评估方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 模 块 化多电平换流器 寿命评估方法，包括下述步骤：读取MMC运行自然环境的全年气温数据和注入MMC的功率数据；解析计算MMC子模块IGBT和Diode 电流 的平均值和有效值；计算MMC子模块IGBT和Diode的基频周期内平均损耗功率Ploss,T和Ploss,D；运用福斯特网络模型，计算工作 频率 周期的 半导体 器件的平均温升Tja，得出IGBT模块(IGBTmodules,IGBTs,包含IGBT和Diode)平均 结温 的值Tj；根据IGBTs平均结温修正拟合计算IGBTs损耗；计算工作频率周期结温的最值，并统计全年基频结温循环；统计全年低频结温的 波动 信息；用Bayerer寿命模型计算半导体器件基频和低频的失效周期数Nf，结合运行工况得出MMC寿命。本发明能可靠预测MMC寿命，通过求得电流和结温的解析表达式能有效提高预测的计算速度，具有工程实操性等特点。，下面是模块化多电平换流器寿命评估方法专利的具体信息内容。
1.一种模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，具体包括下述步骤：
步骤S1、读取MMC运行自然环境的全年气温数据和注入MMC的功率数据，所述MMC为模块化多电平换流器；
步骤S2、根据MMC的运行参数，解析计算MMC子模块IGBT和Diode电流的平均值和有效值，所述IGBT为变流器绝缘栅门极晶体管，所述Diode为二极管；
步骤S3、设结温初值，计算MMC子模块IGBT和Diode的基频周期内的平均损耗功率Ploss,T和Ploss,D；
步骤S4、将Ploss,T、Ploss,D、等效热阻抗模型、自然环境温度代入福斯特网络模型电热比拟计算工作频率周期的半导体器件的平均温升Tja，得出IGBTs平均结温的值Tj，即IGBT平均结温Tj_T和Diode平均结温Tj_D；所述IGBTs为IGBT模块，是IGBT和Diode的封装体；
步骤S5、根据IGBTs平均结温修正拟合计算IGBTs损耗，直到基于结温反馈方法收敛；
步骤S6、基于一阶RC电路计算工作频率周期结温的最大值和最小值，并统计全年基频结温循环；
步骤S7、用雨流计数法统计全年低频结温的波动信息，得到全年低频结温循环；
步骤S8、将低频结温循环和基频结温循环代入Bayerer模型分别计算半导体器件基频和低频失效周期数，结合运行工况得出MMC寿命。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，在步骤S1中，所述全年气温数据和注入MMC的功率数据应为同一时刻的数据，并取全年逐时数据。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，在步骤S2中，所述IGBT和Diode电流的平均值和有效值的计算是基于IGBTs实际运行的有效工作区间的解析计算方法，具体为：
在三相MMC换流器主拓扑中，a相的MMC逆变器交流侧出口相电压ua和相电流ia为：
ua＝Um sin(ωt)
其中，Um，Im分别为相电压幅值和相电流幅值，ω为基波角频率，为a相交流出口电压与电流的相位角；
a相上桥臂电压uau和下桥臂电压ual为：
其中，Udc为MMC直流侧母线电压；
理想情况下，直流电流在三相单元中平均分配，交流相电流在上、下桥臂中平均分配；a相上桥臂电流iau和下桥臂电流ial为：
其中，Idc为MMC直流侧母线电流；
上桥臂电压uau为：
其中，m为电压调制比；
上桥臂电流iau为：
其中，Im为交流侧a相电流幅值；由直流侧和交流侧的功率相等的关系可得：
上式可推出直流侧的电流Idc为：
上、下桥臂调制的占空比nau，nal分别为：
晶体管T1电流的平均值iT1avg和有效值iT1rms为：
晶体管T2电流的平均值iT2avg和有效值iT2rms为：
二极管D1电流的平均值iD1avg和有效值iD1rms为：
二极管D2电流的平均值iD2avg和有效值iD2rms为：
其中，θ为电流ia过零时的相位角。
4.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，在步骤S3中，IGBTs的损耗来自于IGBT的通态损耗、IGBT开关损耗、Diode通态损耗和Diode反向恢复损耗，而IGBT断态损耗和二极管的断态损耗和二极管的开通损耗均相对较小，忽略不计，所以，IGBT的损耗为通态损耗和开关损耗，而Diode的损耗为通态损耗和反向恢复损耗；
IGBTs的损耗是通过拟合IGBTs导通时VCE-Ic的曲线计算通态损耗，拟合Esw-Ic的曲线计算开关损耗；
所述通态损耗计算过程为：
正常工作时，通态压降与导通电流呈线性关系；根据所用IGBTs型号，根据datasheet图中的数据拟合参数VT0和RCE，得到IGBT通态压降VCE，用下述公式表示：
VCE＝VT0+RCEIC
其中，VT0和RCE拟合参数，IC为流过IGBT的电流，VCE为通态压降；
IGBT通态损耗为：
其中，T0为一个基频周期，iTavg为流过IGBT的平均电流，iTrms为流过IGBT的有效电流；
IGBT开关损耗计算过程为：
根据所用IGBTs型号，根据datasheet图中曲线的拟合参数aT,bT，cT得到IGBT一次开关损耗Esw，其表达式：
其中，IC为流过集电极的电流；IGBT一个基频周期内测试条件下的开关损耗为：
其中，fs为一个基频周期内IGBT的开关频率,n为开关次；
在实际运行电压和门极电阻的影响下，修正的开关损耗为：
其中，kT为门极电阻影响因子，Unom为IGBT数据手册测试条件中IGBT集射极电压，USM为IGBT工作电压；
IGBT的损耗为：
Ploss,T＝Pcon,T+Psw,T；
同理，Diode通态损耗Pcon,D、恢复损耗Prec,D以及总的损耗为：
Ploss,D＝Pcon,D+Prec,D
其中，VD和RD是VF-IF曲线的拟合参数，aT,bT，cT为Erec-IF曲线的拟合参数，Unom为IGBT数据手册测试条件中IGBT集射极电压，USM为IGBT工作电压。
5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，在步骤S4中，所述IGBTs结温的计算运用福斯特热网络模型，并且考虑自然环境温度、IGBTs散热器以及导热胶对平均结温的影响；散热器的温度为：
Th＝(Ploss_T+Ploss_D)Rth_ha+Ta
其中，Rth_ha为散热器的热阻，Ta为环境温度，Ploss_T为IGBT平均损耗功率，Ploss_D为Diode平均损耗功率；
IGBT和Diode侧的导热胶基频周期内平均温度分别为Tc_T和Tc_D，表达式为：
Tc_T＝Ploss_TRch_T+Th
Tc_D＝Ploss_DRch_D+Th
IGBT和Diode的平均结温为Tj_T和Tj_D，表达式为：
6.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，在步骤S5中，根据平均结温的计算值修正IGBTs计算损耗所拟合的参数；所述修正的表达式为：
其中，Tj_T为IGBT的平均结温；VCE_150，RCE_150，ECE_150是结温为150℃时的拟合参数值；
VCE_125，RCE_125，ECE_125是结温为125℃时的拟合参数值；
比较修正得到的值和上一次修正的值，直到达到足够的精度进入下一个步骤，所述足够精度是指：所有拟合参数前后两次的差值均小于1*10-6；否则以步骤S4所得的结温，返回步骤S3，重新计算损耗。
7.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，在步骤S6中，所述基频结温循环用解析表达式计算；实际的损耗和结温在一个工频周期内是脉动的；
T1和D2修正后的平均损耗功率为：
T2和D1修正后的平均损耗功率为：
其中：
根据一阶网络全响应的公式，每一阶福斯特网络的温度极值由上一个极值点数学解析表示；当温度收敛时，每一阶温度的极大值与上一个极大值相等，每一阶温度的极小值与上一个极小值相等；用下述数学公式表达：
Tjc,max(k)＝Tjc,max(k+1)
其中，Tjc为结温与壳温的温差；Ton为基频周期内电流导通时间，Toff为基频周期内电流截止时间；
IGBTs采用的是福斯特4阶网络模型，由于损耗模型相当电流源模型，4阶网络同时达到温度极值；故结到壳之间的最大的温升Tjc,max、最小的温升Tjc,min和基频结温循环△Tj分别为：
ΔTj＝Tjc,max-Tjc,min
其中，IGBTs基频结温循环△Tj包括IGBT基频结温循环△Tj_T和Diode的基频结温循环△Tj_D，且它们均是损耗Ploss的函数。
8.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，在步骤S7中，所述雨流计数法是把经过峰谷值检测和无效幅值去除后的实测载荷历程数据以离散载荷循环的形式表示出来；根据雨流计数法，每个低频结温循环大值Tjav,max和极小值Tjav,min分别为：
Tjav,max＝Sa+Sm
Tjav,min＝Sa-Sm
其中，根据雨流算法的定义，Sa为循环幅值，Sm为循环均值。
9.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器寿命评估方法，其特征在于，在步骤S8中，运用Bayerer模型计算MMC寿命，考虑基频结温和低频结温对寿命的影响；
Bayerer模型为：
其中，Nf,j为在第j个工况下的失效循环周期数，即IGBTs长期第j个工况下运行，经过Nf,j个结温循环的应力冲击后将发生老化失效；k＝9.3×1014，Tjmax为第j个结温循环的结温最大值，Tjmin为第j个结温循环的结温最小值，ton为每个结温循环温度上升的时间，I为流过每根键合引线的电流，V为阻断电压且单位为100V，D为每根键合引线的直径且单位um，β1＝-4.416，β2＝1285，β3＝-0.463，β4＝-0.716，β5＝0.761，β6＝-0.5；
全年寿命的消耗为：
其中，N为总工况数，Nj为在第j个工况的循环周期；CL应包括低频循环和基频循环寿命总的消耗：
CL＝CLL+CLF
(1)对于低频寿命消耗：根据雨流计法统计的结果，若j个工况是一个半循环，则Nj＝
0.5，若j个工况是一个整循环，则Nj＝1，且Tjmax＝Tjav,max，Tjmin＝Tjav,min；
(2)对于基频寿命消耗：Nj为温度采样时间间隔ts和MMC交流侧电流频率f的乘积，即Nj＝ts*f，其中时间间隔ts的单位为秒；且Tjmax，Tjmin分别为步骤S6所计算的基频结温循环极大值和极小值；
认为每年寿命消耗都一样，则该半导体器件预期的寿命EL为：
则MCC子模块的寿命为：
ELSM＝min(ELT1，ELT2，ELD1，ELD2)。
模块化多电平换流器寿命评估方法
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