雙向直流電子變壓器運(yùn)行可靠性評(píng)估研究

周曉銘

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州，730020）

0 引言

變壓器是一種重要的輸配電設(shè)備，其不僅可以進(jìn)行電流、電壓、電阻變換，還能調(diào)整配電狀態(tài)，提高輸配電的安全性，因此其被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)電力場(chǎng)景。雙向直流電子變壓器是變壓器的一種，其主要通過電子元件、半導(dǎo)體等裝置調(diào)整直流電壓輸入輸出狀態(tài)，完成輸配電轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的變壓器不同，電子變壓器主要使用新型的電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，并結(jié)合電磁感應(yīng)原理轉(zhuǎn)換電力特征。研究表明，雙向直流電子變壓器的控制靈活性較高，但易受電力系統(tǒng)潮流變化影響，導(dǎo)致運(yùn)行可靠性下降，不利于輸配電系統(tǒng)運(yùn)行，因此需要對(duì)雙向直流電子變壓器的運(yùn)行可靠性進(jìn)行評(píng)估。事實(shí)上，雙向直流電子變壓器可以按照電壓變換的頻率劃分為單級(jí)雙極三級(jí)式，但無論哪種類型，均具有較高的兼容性。其中，三級(jí)式電子變壓器內(nèi)部的各個(gè)環(huán)節(jié)均能獨(dú)立完成能量變換，含有MMC 拓?fù)?，能快速進(jìn)行PET 拓展。單級(jí)雙極式則僅能進(jìn)行體變換。雖然雙向直流電子變壓器的運(yùn)行諧波較小，但在某些特定的工況或環(huán)境下仍然會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，不僅無法進(jìn)行電力調(diào)節(jié)，甚至影響整個(gè)電力系統(tǒng)的輸配電進(jìn)度。因此，必須有效研究雙向直流電子變壓器的運(yùn)行可靠性。目前大多數(shù)研究人員將平均故障率作為變壓器運(yùn)行可靠性研究的重要指標(biāo)，但該指標(biāo)過于單一，實(shí)際評(píng)估效果不佳。針對(duì)該問題，本文以某配電網(wǎng)的雙向直流電子變壓器為基礎(chǔ)，有效地進(jìn)行了運(yùn)行可靠性評(píng)估。

1 概況及準(zhǔn)備

在雙向直流電子變壓器的可靠性分析評(píng)估中，需要捕獲電子變壓器在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)，因此，本文選取RBTS-BUS2 作為變壓器可靠性評(píng)估電網(wǎng)系統(tǒng)，該電網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1 可知，上述電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由F1～F4 饋線組成，其內(nèi)部的LP1～LP22 均為運(yùn)行負(fù)荷。該可靠性評(píng)估電網(wǎng)系統(tǒng)由2MW 配電網(wǎng)組成，內(nèi)部負(fù)荷峰值始終在不斷變化，研究每月的負(fù)荷變化如表1 所示。

表1 負(fù)荷變化表

由表1 可知，結(jié)合上述內(nèi)部負(fù)荷變化，可以進(jìn)行負(fù)荷點(diǎn)假設(shè)，即根據(jù)負(fù)荷荷載生成可靠性參數(shù)，如表2 所示。

表2 可靠性參數(shù)

由表2 可知，在上述設(shè)置的可靠性參數(shù)基礎(chǔ)上，可以調(diào)制雙向直流電子變壓器的各項(xiàng)環(huán)節(jié)，即MMCDAB 環(huán)節(jié)使用5SNA 0800N3301100，此時(shí)的調(diào)制電壓為1900V，共包含10 個(gè)子模塊，各個(gè)子模塊還配置了DC 輸出轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

在上述的電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)上，本文安裝了X 型雙向直流電力電子變壓器拓?fù)?，其主要由輸入、輸出、隔離三個(gè)子部分組成。輸入模塊主要與電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓組成部分連接，輸出部分與SM 基本單元連接，隔離與IGBT 連接。此時(shí)可以調(diào)整上述電力電子變壓器至閉鎖、切除狀態(tài)，其內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 X 型電力電子變壓器結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，上述電力電子變壓器可以根據(jù)實(shí)際可靠性評(píng)估狀態(tài)進(jìn)行充放電轉(zhuǎn)換，且內(nèi)部橋臂呈互補(bǔ)關(guān)系，具有較強(qiáng)的負(fù)向偏置。為了降低諧振作用對(duì)可靠性評(píng)估造成的影響，該電力電子變壓器內(nèi)部設(shè)置了2 個(gè)H 橋，用高頻DAB（dual active bridge）單元連接，符合后續(xù)的運(yùn)行可靠性評(píng)估需求，可以利用上述電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和X 型電力電子變壓器完成后續(xù)的可靠性評(píng)估。

2 評(píng)估過程

結(jié)合雙向直流電子變壓器的可靠性評(píng)估需求將可靠性評(píng)估過程劃分為兩個(gè)階段：第一階段，使用理想分析法對(duì)雙向直流電子變壓器內(nèi)部的IGBT 模塊進(jìn)行了損耗、結(jié)溫波動(dòng)、運(yùn)行故障率評(píng)估；第二階段，利用可靠性手冊(cè)評(píng)估雙向直流電子變壓器PET 設(shè)備的運(yùn)行可靠性，從而得出了最終的可靠性評(píng)估結(jié)果。

第一階段，雙向直流電子變壓器IGBT 模塊的損耗、結(jié)溫波動(dòng)、運(yùn)行故障率評(píng)估。電子變壓器IGBT 模塊的損耗與電流有效值相關(guān)，因此，需要根據(jù)內(nèi)部器件的電流平均值計(jì)算電流有效值iavg，如式(1)所示。

式(1)中，VO代表IGBT 擬合參數(shù)，Pcon代表開關(guān)損耗，Ri代表開關(guān)頻率，在理想狀況下，可以進(jìn)行橋臂分配假設(shè)，即預(yù)設(shè)電子變壓器運(yùn)行工況，生成IGBT 模塊損耗評(píng)估模型IS，如式(2)所示。

式(2)中，m代表調(diào)制比，l代表三相電流幅值，F(xiàn)1代表功率系數(shù)，Im代表母線電流，σ代表相角，結(jié)合上述模型可以計(jì)算IGBT 模塊損耗，得到IGBT 模塊損耗可靠性評(píng)估結(jié)果。

在短時(shí)間內(nèi)，雙向直流電子變壓器的結(jié)溫波動(dòng)可以用周期解讀，因此本文使用理想分析法生成了結(jié)溫波動(dòng)預(yù)測(cè)解析模型，計(jì)算了結(jié)溫波動(dòng)幅值ΔTj，如式(3)所示。

式(3)中，A代表波動(dòng)循環(huán)次數(shù)，代表結(jié)溫均值，e代表能量系數(shù)，此時(shí)雙向直流電子變壓器的運(yùn)行故障率與模塊內(nèi)部的老化作用有關(guān)。因此，可根據(jù)該作用設(shè)計(jì)運(yùn)行故障率計(jì)算式λshot，如式(4)所示。

式(4)中，Dx代表結(jié)溫老化周期，使用上述式(1)～式(4)可以有效進(jìn)行損耗、結(jié)溫波動(dòng)、運(yùn)行故障率評(píng)估。

第二階段，雙向直流電子變壓器PET 設(shè)備的運(yùn)行可靠性評(píng)估，PET 裝置的整體可靠性可以用可靠性手冊(cè)表示，從中提取的可靠度R如式(5)所示。

式(5)中，e代表PET 綜合損耗，λ 代表可靠性參數(shù)，p(t)代表MMC 輸入級(jí)輸出級(jí)差值，此時(shí)可以根據(jù)可靠度的指數(shù)分布關(guān)系獲取PET 裝置的等效故障率，從而完成運(yùn)行可靠性評(píng)估。

3 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)上述的雙向直流電子變壓器運(yùn)行可靠性評(píng)估分析，可以將可靠性評(píng)估劃分成兩個(gè)部分，第一部分是雙向直流電子變壓器IGBT 模塊可靠性（損耗、結(jié)溫波動(dòng)、故障率），第二部分是雙向直流電子變壓器PET 設(shè)備運(yùn)行可靠性，得到的評(píng)估結(jié)果如下所示：

第一部分，IGBT 模塊可靠性。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，電子變壓器的IGBT 損耗始終在進(jìn)行不同程度的改變，通過掌握各個(gè)預(yù)設(shè)模塊初始的損耗，調(diào)整等效電流大小，得到的IGBT模塊損耗可靠性結(jié)果如圖3 所示。

圖3 IGBT 模塊損耗可靠性評(píng)估結(jié)果

由圖3 可知，在傳輸功率不發(fā)生改變的情況下，隨著雙向直流電子變壓器內(nèi)部的等效電流增加，其總損耗逐漸增加，運(yùn)行可靠性逐漸降低。除此之外，在雙向直流電子變壓器的不同工作環(huán)節(jié)，其總損耗也存在一定的差異。為了增加可靠性結(jié)果分析的準(zhǔn)確性，在自然換流狀態(tài)產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗可以忽略不計(jì)。

使用上文中的式(3)可以計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)的結(jié)溫波動(dòng)值，結(jié)合計(jì)算結(jié)果可知，隨著IGBT 模塊損耗增高，其結(jié)溫波動(dòng)幅值也越來越高，器件的損耗也越來越大。此時(shí)可以預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的通態(tài)損耗，保持響應(yīng)時(shí)間及運(yùn)行周期不變，將波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置為0.01℃～0.03℃，進(jìn)行結(jié)溫波動(dòng)驗(yàn)證，即調(diào)整雙向直流電子變壓器的傳輸功率，得到的IGBT 模塊結(jié)溫波動(dòng)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 IGBT 模塊結(jié)溫波動(dòng)評(píng)估結(jié)果

由圖4 可知，在短時(shí)間內(nèi)，IGBT 模塊結(jié)溫波動(dòng)幅值變化不明顯，但隨著雙向直流電子變壓器傳輸功率的增加，IGBT 模塊結(jié)溫波動(dòng)幅值越來越高，電子變壓器的運(yùn)行可靠性越來越低。為了降低該可靠性評(píng)估結(jié)果的隨機(jī)性，本文選取波動(dòng)較大的低溫IGBT 模塊，將其劃分成多個(gè)功率變化階段，此時(shí)得到的結(jié)溫波動(dòng)評(píng)估結(jié)果與上述相同，證明傳輸功率與結(jié)溫波動(dòng)幅值正相關(guān)，即隨著傳輸功率增加，直流電子變壓器IGBT 模塊的運(yùn)行可靠性逐漸降低。

結(jié)合上述結(jié)溫波動(dòng)結(jié)果可以進(jìn)一步得到IGBT 模塊的運(yùn)行故障率，即以電子變壓器的逆變環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，調(diào)整DAB頻次至0.0073

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