雙向直流電子變壓器運(yùn)行可靠性評估研究

2023-09-17 05:40:38周曉銘

電子制作 2023年16期

關(guān)鍵詞：變壓器

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)用于各個電力場景。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，因此需要對雙向直流電子變壓器的運(yùn)行可靠性進(jìn)行評估。事實上，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雙極三級式，但無論哪種類型，均具有較高的兼容性。其中，三級式電子變壓器內(nèi)部的各個環(huán)節(jié)均能獨立完成能量變換，含有MMC 拓?fù)洌芸焖龠M(jìn)行PET 拓展。單級雙極式則僅能進(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，實際評估效果不佳。針對該問題，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環(huán)節(jié)，即MMCDAB 環(huán)節(jié)使用5SNA 0800N3301100，此時的調(diào)制電壓為1900V，共包含10 個子模塊，各個子模塊還配置了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)洌渲饕奢斎搿⑤敵觥⒏綦x三個子部分組成。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)實際可靠性評估狀態(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可靠性評估造成的影響，該電力電子變壓器內(nèi)部設(shè)置了2 個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)的可靠性評估。

2 評估過程

結(jié)合雙向直流電子變壓器的可靠性評估需求將可靠性評估過程劃分為兩個階段：第一階段，使用理想分析法對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、運(yùn)行故障率評估；第二階段，利用可靠性手冊評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、運(yùn)行故障率評估。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)合上述模型可以計算IGBT 模塊損耗，得到IGBT 模塊損耗可靠性評估結(jié)果。

在短時間內(nèi)，雙向直流電子變壓器的結(jié)溫波動可以用周期解讀，因此本文使用理想分析法生成了結(jié)溫波動預(yù)測解析模型，計算了結(jié)溫波動幅值ΔTj，如式(3)所示。

式(3)中，A代表波動循環(huán)次數(shù)，代表結(jié)溫均值，e代表能量系數(shù)，此時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)計運(yùn)行故障率計算式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、運(yùn)行故障率評估。

第二階段，雙向直流電子變壓器PET 設(shè)備的運(yùn)行可靠性評估，PET 裝置的整體可靠性可以用可靠性手冊表示，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 輸入級輸出級差值，此時可以根據(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)行可靠性評估。

3 評估結(jié)果

根據(jù)上述的雙向直流電子變壓器運(yùn)行可靠性評估分析，可以將可靠性評估劃分成兩個部分，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、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。

使用上文中的式(3)可以計算各個環(huán)節(jié)的結(jié)溫波動值，結(jié)合計算結(jié)果可知，隨著IGBT 模塊損耗增高，其結(jié)溫波動幅值也越來越高，器件的損耗也越來越大。此時可以預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的通態(tài)損耗，保持響應(yīng)時間及運(yùn)行周期不變，將波動標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置為0.01℃～0.03℃，進(jìn)行結(jié)溫波動驗證，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)溫波動結(jié)果如圖4 所示。

圖4 IGBT 模塊結(jié)溫波動評估結(jié)果

由圖4 可知，在短時間內(nèi)，IGBT 模塊結(jié)溫波動幅值變化不明顯，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估結(jié)果的隨機(jī)性，本文選取波動較大的低溫IGBT 模塊，將其劃分成多個功率變化階段，此時得到的結(jié)溫波動評估結(jié)果與上述相同，證明傳輸功率與結(jié)溫波動幅值正相關(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