模塊化多電平換流閥可靠性研究與設計優化

段　軍, 謝曄源， 姜田貴，朱銘煉， 歐陽有鵬

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京211102)

0　引言

統一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作為目前功能最全面的柔性交流輸電系統(flexible AC transmission systems, FACTS)設備，在潮流控制上具有較大的優勢。既可以快速控制輸電線路有功和無功潮流，提高線路的輸送能力，同時也可以提高系統電壓穩定性，改善系統阻尼，提高功角穩定性[1-2]。目前，世界上電壓等級最高、容量最大的江蘇蘇州南部電網500 kV UPFC科技示范工程已經正式投運，在世界范圍內首次實現500 kV電網電能流向的靈活、精準控制，最大可提升蘇州電網電能消納能力約1300 MW[3-5]。

換流閥是基于模塊化多電平換流閥的統一潮流控制器(modular multi-level converter based unified power flow controller, MMC-UPFC)的核心設備，組成元件多，結構復雜，研究其可靠性，對于UPFC的可靠性和可用率評估具有重要意義。在直流系統可靠性領域，以往的研究多集中在直流輸電系統可靠性評估方法[6-7]及保護裝置等的可靠性分析[8-9]，近年來，模塊化多電平換流閥(modular multi-level converter, MMC)的可靠性逐步得到關注，由于缺乏基于MMC的柔性直流系統和UPFC在電力系統中實際運行數據，研究中往往采用假設數據，因此研究成果對實際系統的指導意義有限。文獻[10]以StakPak絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT) MMC為例，計算了不同電壓等級和不同冗余下的換流閥可靠性指標；文獻[11]研究了采用各種不同功率器件時變橋臂多電平拓撲(alternative arm multi-level converter，A2MC)的柔性直流輸電技術(voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC)的可靠度，以10 kV電壓等級為例進行計算分析；文獻[12]考慮子模塊、控制保護系統、閥冷系統等，構建了MMC在兩種備用策略下的可靠度函數。

本文采用k/n(G)可靠性模型描述方法，清晰描述了模塊化多電平換流閥可靠性與各種冗余度之間的關系，定量計算了500 kV蘇南 UPFC 換流閥的可靠性指標，并對換流閥可靠性進行優化設計，滿足實際工程要求，為后續UPFC換流閥冗余度設計提供參考依據。

1　MMC-UPFC系統結構

1.1　UPFC主電路結構

500 kV蘇南 UPFC主回路拓撲結構如圖 1所示。串、并聯側3個換流閥采用背靠背連接方式，并聯側換流閥一套，通過啟動電阻接至并聯變壓器，再接入木瀆500 kV母線，從系統吸收有功功率穩定直流母線電壓，同時可以向系統吸收或注入無功功率；串聯側換流閥兩套，通過2個串聯變壓器接入木瀆—梅里500 kV雙回線路，向系統插入相位、幅值可獨立調節的電壓，從而起到潮流控制的功能。機械旁路開關與串聯變壓器串聯，在串聯側換流閥長時間退出運行時，旁路串聯側所有設備；晶閘管旁路開關在緊急故障情況下旁路串聯側換流閥，起保護作用[5]。

圖1　500 kV蘇南 UPFC主回路拓撲示意Fig.1　500 kV Sunan UPFC main circuit topology diagram

采用基于全控電力電子器件IGBT構成的模塊化多電平電壓源型換流閥是MMC-UPFC的核心設備，是交流系統和直流系統的分界點和轉換器，其運行的可靠性直接影響到整個UPFC系統的安全穩定運行。

1.2　MMC基本結構

MMC拓撲結構如圖 2所示，每個換流閥相單元由上、下2個橋臂組成，三相共包含6個橋臂，每個橋臂由橋臂電抗器和若干相同的子模塊(sub-module，SM)組成。MMC子模塊可采用全橋、半橋或者類全橋拓撲。500 kV蘇南 UPFC換流閥子模塊采用半橋拓撲，如圖 3所示，每個子模塊由2個IGBT、2個IGBT驅動板、電容器、保護晶閘管SCR、旁路開關K、高壓取能電源以及子模塊控制器(sub-module controller, SMC)組成。

圖2　MMC 拓撲結構Fig.2　The topology of MMC

圖3　半橋子模塊拓撲Fig.3　The topology of half bridge module

2　k/n(G)系統可靠性模型

假定系統由n個相互獨立且服從相同壽命分布的元件組成，k/n(G)系統也叫n中取k的冗余表決系統[13-16]。是指當n個元件中至少有k個元件正常工作時，即失效的元件數小于等于n-k時，系統正常工作，反之則系統失效。

若每個元件的可靠度為p，不可靠度為q，則p+q=1，所以k/n(G)系統的可靠度為：

(1)

若各元器件的壽命服從指數分布，故障率為λ，則系統的可靠度為：

(2)

系統的平均無故障工作時間為：

(3)

3　UPFC換流閥可靠性模型

3.1　子模塊可靠模型

子模塊的晶閘管和旁路開關僅在系統或子模塊發生故障時投入工作，因此MMC子模塊可靠性主要由IGBT、電容器、IGBT驅動電路、SMC和高壓取能電源共同決定。組成子模塊的各個元器件可以看成可靠性串聯系統，任一元件失效，子模塊故障，并合閘旁路開關，退出運行。子模塊可靠性框圖如圖 4所示。

圖4　子模塊可靠性框圖Fig.4　Reliability block diagram of sub-module

文中假設子模塊各元件處于壽命曲線中的穩定運行期，即其壽命服從指數分布，則在時刻t，元件的可靠度為：

R(t)=e-λt

(4)

根據圖 4所示框圖，子模塊可靠度為：

RSM(t)=[RIGBT(t)]2+Rcap(t)+[Rdri(t)]2+
RSMC(t)+RPower(t)

(5)

式中：RIGBT(t)，Rcap(t)，Rdri(t)，RSMC(t)和RPower(t)分別為IGBT可靠度、電容器可靠度、IGBT驅動可靠度、SMC可靠度和高壓取能電源可靠度。由各元件故障率代入式(4)計算得到。

由于組成子模塊的各個元件壽命均服從指數分布，由式(5)可知子模塊壽命也服從指數分布，且其故障率為:

λsm=2λIGBT+λcap+2λdri+λSMC+λPower

(6)

式中:λIGBT,λcap,λdri,λSMC,λPower分別為IGBT失效率、電容器失效率、IGBT驅動失效率、SMC失效率和高壓取能電源失效率。

若換流閥子模塊采用如全橋、類全橋等其他拓撲，可以根據子模塊的組成元件類別和數量，建立可靠性框圖，按照上述步驟推導其故障率模型。

3.2　橋臂可靠性模型

MMC橋臂由若干子模塊組成，每個橋臂含一定數量的冗余模塊，正常運行時，冗余模塊同其他模塊一樣投入運行；任一子模塊出現故障，則通過旁路開關將其旁路，此故障模塊退出運行，待下次檢修時更換；當故障模塊數量超過冗余模塊個數時，換流閥橋臂故障，產生跳閘信號。

因此MMC換流橋臂的可靠性模型非常適合用k/n(G)系統模型來描述。k/n(G)系統指由n個部件組成的系統，當k個或k個以上部件正常工作時，系統正常工作；當n-k+1個部件故障時，系統故障；在系統故障期間，k-1個正常的部件停止工作，不再發生故障，直到正在修理的部件修理完成，k個正常的部件同時進入工作狀態，此時系統才重新進入工作狀態[8]。換流閥橋臂可靠性框圖如圖 5所示。

圖5　橋臂可靠性框圖Fig.5　Block diagram of phase arm reliability

為簡化分析，文中假設橋臂中所有子模塊相互獨立且服從相同的壽命分布，即為獨立同分布元件。每個子模塊的可靠度均為RSM(t)，則子模塊的不可靠度為1-RSM(t)，根據式(2)可得到橋臂的可靠度為:

(7)

式中:n為橋臂中子模塊總數；k為不含冗余的橋臂模塊數量。

3.3　換流閥可靠性模型

MMC包括6個橋臂，正常運行時，6個橋臂均為正常工作狀態，任一個橋臂故障，換流閥進入故障跳閘狀態，則整個換流閥的可靠度為6個k/n(G)橋臂構成的可靠性串聯系統，換流閥可靠度框圖如圖 6所示。

圖6　MMC 換流閥可靠性框圖Fig.6　Block diagram of MMC reliability

則換流閥的可靠度為：

Rvalve(t)=[RARM(t)]6

(8)

將式(6)和式(7)帶入式(8)得：

(9)

換流閥的平均無故障時間:

(10)

4　蘇南UPFC換流閥可靠性分析及優化

4.1　蘇南UPFC換流閥可靠性分析

本文以500 kV蘇南UPFC換流閥為例，對模塊化多電平換流閥可靠性進行分析及優化。500 kV蘇南UPFC工程有3個背靠背換流閥，換流閥額定直流電壓±90 kV，額定容量為250 MV·A，UPFC換流閥子模塊額定直流電壓為1.6 kV，則每個橋臂不含冗余的子模塊個數k約為112個。

子模塊各元器件的故障率見表 1。失效率λ通常以FIT表示，1FIT定義為10-9/h。將元器件故障率代入式(6)可得子模塊故障率為8.76×10-3次/a。

表1　子模塊元器件故障率Tab.1　Failure rate of sub-module component

本文考慮500 kV蘇南 UPFC換流閥橋臂子模塊總數分別為112，117，120，123個時，即冗余度分別為0%，5%，8%，10%的情況下，將參數代入式(9)繪制換流閥可靠度如圖 7所示。

圖7　不同冗余度下換流閥可靠度曲線Fig.7　Reliability curve of MMC valve with different redundancy

從圖 7可以看出，在子模塊故障率一定的情況下， 隨著換流閥模塊總數增加，即冗余度增加，換流閥可靠度增加。從圖 8可以看出，同樣的冗余度增量情況下，在產品的使用前期，可靠度增加明顯，而在產品的使用后期，冗余度增加對換流閥可靠度增加效果趨于減少；同樣使用年限下，增加冗余度，換流閥可靠度增量趨于減少,單位投資所取得的可靠性提高的效益逐步降低。因此，在子模塊故障率一定的情況下，當k確定后，需要進行優化設計，選取n的值，確保取得較好的可靠性和經濟性。

圖8　不同冗余度增量下換流閥可靠度曲線Fig.8　Reliability curve of MMC valve with different redundancy increment

4.2　蘇南UPFC換流閥可靠性優化

根據式(2)k/n(G)系統的可靠度計算公式:

(11)

則平均無故障工作時間MTTF指標為：

(12)

顯然，λ減小，n增大，系統可靠性提高；反之則系統可靠性降低。λ參數是由器件本身的物理特性決定；而n的變化，可通過拓撲結構設計來改變。

文中通過設定換流閥預期可靠性目標，比較可靠壽命，優化設計橋臂子模塊數量n，并給出蘇南UPFC換流閥可靠性設計和優化指導性原則。可靠壽命是指在可靠度等于給定值r時，系統的壽命記作t(r)，即R[t(r)]=r。主要從以下方面討論：

首先，確定UPFC換流閥滿足可靠度要求的橋臂子模塊數量。實際運行中，換流閥子模塊是可修復元件，在兩次換流閥維護期間，子模塊做不可修復元件處理。

UPFC換流閥可靠性設計目標：2 a內，換流閥可靠度在0.999以上。表 2為不同冗余度，蘇南UPFC換流閥t(0.999)可靠壽命。由表可知，冗余度為10%，即模塊數量配置為123個時，蘇南UPFC換流閥t(0.999)=3.19 a，大于2 a，滿足設計要求。

其次，以UPFC換流閥達到常規輸變電設施同等可靠性水平作為預期目標來分析。根據國家能源局和中國電力企業聯合發布的2015年全國電力可靠性指標 第四部分 輸變電設備[17]，“十二·五”期間我國550 kV輸變電設備故障率如表 3所示。

對比表 2和表 3可知，使用可靠壽命t(0.999)指標，UPFC換流閥采用112/120(G)系統時，其可靠壽命指標優于500 kV變壓器、斷路器和架空線。

表2　換流閥的可靠壽命指標Tab.2　Reliable lifetime indices of MMC valve

表3　500 kV主要輸變電設施故障率統計指標Tab.3　Failure rates of 500 kV transmission equipment

綜上所述，500 kV蘇南 UPFC換流閥橋臂采用112/123(G)結構時，可靠性能滿足工程需求，且優于同電壓等級輸電設施的可靠性。

5　結語

本文針對500 kV蘇南 UPFC換流閥，從概率模型的角度，對其可靠性進行了深入的分析。采用k/n(G)可靠性模型描述方法，清晰描述了換流閥可靠性與各種冗余度之間的關系，采用工程經驗和文獻參考子模塊故障率參數，定量計算了蘇南UPFC換流閥可靠性指標，優化換流閥可靠性設計，滿足實際工程需求，為后續UPFC換流閥冗余度設計和優化提供參考依據。

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