模块化多电平换流器寿命评估方法

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，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u a 和相电流i a 为：u a ＝U m sin(ωt)其中，U m ，I m 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u au 和下桥臂电压u al 为：其中，U dc 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i au 和下桥臂电流i al 为：其中，I dc 为MMC直流侧母线电流；上桥臂电压u au 为：其中，m为电压调制比；上桥臂电流i au 为：其中，I m 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I dc 为：上、下桥臂调制的占空比n au ，n al 分别为：晶体管T1电流的平均值i T1avg 和有效值i T1rms 为：晶体管T2电流的平均值i T2avg 和有效值i T2rms 为：二极管D1电流的平均值i D1avg 和有效值i D1rms 为：二极管D2电流的平均值i D2avg 和有效值i D2rms 为：其中，θ为电流i a 过零时的相位角；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P loss,T 和P loss,D ；步骤S4、将P loss,T 、P loss,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T ja ，得出IGBTs平均结温的值T j ，即IGBT平均结温T j_T 和Diode平均结温T j_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V CE -I c 的曲线计算通态损耗，拟合E sw -I c 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V T0 和R CE ，得到IGBT通态压降V CE ，用下述公式表示：V CE ＝V T0 +R CE I C其中，V T0 和R CE 拟合参数，I C 为流过IGBT的电流，V CE 为通态压降；IGBT通态损耗为：其中，T 0 为一个基频周期，i Tavg 为流过IGBT的平均电流，i Trms 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a T ,b T ，c T 得到IGBT一次开关损耗E sw ，其表达式：其中，I C 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，f s 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，k T 为门极电阻影响因子，U nom 为IGBT数据手册测试条件中IGBT集射极电压，U SM 为IGBT工作电压；IGBT的损耗为：P loss,T ＝P con,T +P sw,T ；同理，Diode通态损耗P con,D 、恢复损耗P rec,D 以及总的损耗为：P loss,D ＝P con,D +P rec,D其中，V D 和R D 是V F -I F 曲线的拟合参数，a D ，b D ，c D 为Erec-I F 曲线的拟合参数，U nom 为IGBT数据手册测试条件中IGBT集射极电压，U SM 为IGBT工作电压。 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：T h ＝(P loss_T +P loss_D )R th_ha +T a其中，R th_ha 为散热器的热阻，T a 为环境温度，P loss_T 为IGBT平均损耗功率，P loss_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T c_T 和T c_D ，表达式为：T c_T ＝P loss_T R ch_T +T hT c_D ＝P loss_D R ch_D +T hIGBT和Diode的平均结温为T j_T 和T j_D ，表达式为： 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，T j_T 为IGBT的平均结温；V CE_150 ，R CE_150 ，E sw_150 是结温为150℃时的拟合参数值；V CE_125 ，R CE_125 ，E sw_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。 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：T jc,max (k)＝T jc,max (k+1)其中，T jc 为结温与壳温的温差；T on 为基频周期内电流导通时间，T off 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T jc,max 、最小的温升T jc,min 和基频结温循环△T j 分别为：△T j ＝T jc,max -T jc,min其中，IGBTs基频结温循环△T j 包括IGBT基频结温循环△T j_T 和Diode的基频结温循环△T j_D ，且它们均是损耗P loss 的函数。 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，在每个低频结温循环中，结温的极大值T jav,max 和极小值T jav,min 分别为：T jav,max ＝S a +S mT jav,min ＝S a -S m其中，根据雨流算法的定义，S a 为循环幅值，S m 为循环均值。 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，N f,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N f,j 个结温循环的应力冲击后将发生老化失效；k＝9.3×10 14 ，T jmax 为第j个结温循环的结温最大值，T jmin 为第j个结温循环的结温最小值，t on 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，β 1 ＝-4.416，β 2 ＝1285，β 3 ＝-0.463，β 4 ＝-0.716，β 5 ＝0.761，β 6 ＝-0.5；全年寿命的消耗为：其中，N为总工况数，N j 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＝CL L +CL F(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N j ＝0.5，若j个工况是一个整循环，则N j ＝1，且T jmax ＝T jav,max ，T jmin ＝T jav,min ；(2)对于基频寿命消耗：N j 为温度采样时间间隔ts和MMC交流侧电流频率f的乘积，即N j ＝ts*f，其中时间间隔ts的单位为秒；且T jmax ，T jmin 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：EL SM ＝min(EL T1 ，EL T2 ，EL D1 ，EL D2 )。