柔性直流换流阀IGBT器件及模组可靠性评测/大功率电力电子器件及装备可靠性研究系列

第1章 绪论 　　1.1 柔性直流换流阀关键部件可靠性研究意义 　　柔性直流输电技术是指基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)技术，是智能电网技术发展的主要方向之一，也是构建未来全球能源互联网的关键环节。与传统交流输电技术相比，柔性直流输电技术具有有功无功独立控制、可大范围潮流分配以及快速调节等优点，在大规模可再生能源并网、海岛互联和多端网络构建等方面拥有广阔的发展前景[1，2]。截至2020年，我国已投运或在建的柔性直流输电工程7项，*高输送电压和功率将达到±500kV和3000MW，如表1.1所示[3-10]。 　　表1.1 截至2020年我国投运和在建的柔性直流输电工程 　　未来特高压柔性直流输电技术还将向着多端化、网络化方向发展，输送电压和功率将达到±1500kV和8GW乃至更高，迫切需要高压大容量柔性直流换流阀装备[11-13]。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)拓扑结构避免了IGBT器件的直接串联，具有结构模块化、开关频率低、损耗小、谐波含量小、易于实现高压多电平输出等优点，使得MMC换流器广泛应用于多个柔性直流输电工程中[14-17]。据国家电网公司统计，2003～2008年直流输电系统发生故障主要集中在直流线路与控制保护系统上，占总故障的60%，如图1.1(a)所示[18]；2009年统计结果发现直流输电系统中由换流阀失效引起的系统故障占比增加，从2003～2008年统计的11%上升至39%，如图1.1(b)所示[19]。美国能源部在2012年曾报告高压直流输电年故障率为高压交流输电的20倍，且90%以上为电力电子变流装备故障[20]，使得柔性直流换流阀可靠性研究备受关注。国内换流阀运行情况统计资料表明，84%的换流阀故障来自于换流阀元件故障，主要由内部零件故障、制造工艺以及安装工艺等原因造成[21]，如图1.1(c)和(d)所示。综上所述，换流阀是制约系统可靠性的关键环节之一，研究其可靠性具有重要意义。 　　图1.1 直流输电系统故障原因统计数据 　　大容量MMC换流阀是柔性直流输电系统的主要拓扑形式[22-24]，换流阀子模块即MMC基本单元的可靠性将直接影响换流阀装备的可靠性[25-27]。在MMC换流阀中，MMC换流阀子模块承受着交流和直流相互叠加的复杂电应力工况，大功率电力电子器件与大容量电容器作为MMC换流阀子模块的关键部件，将受到高压大电流与交变电热应力的影响。调查表明，换流阀中由电力电子器件(功率器件)或电容器失效导致的故障率超过50%[28]，其中电力电子器件失效占32%，电容器失效占20%[29]，如图1.2所示。因此，为保障电力系统的安全稳定运行，对MMC换流阀用电力电子器件和电容器的可靠性提出更高的要求，其可靠性分析引起了国内外学者及专家的重视。 　　图1.2 MMC换流阀子模块各部件失效概率 　　大功率IGBT器件是MMC换流阀的核心器件，按照封装形式可将其分为焊接型IGBT器件与压接型IGBT(press pack insulated gate bipolar transistor，PP- IGBT)器件，如图1.3所示。目前，国内外对于传统焊接型IGBT器件的研究已趋于成熟，但因其存在功率密度不足、焊料层易脱落、键合线易断裂、单面散热等问题，难以满足高压柔性直流换流阀的需求[30]。为此，科研人员开展新型衬底材料、新型封装结构、新型散热材料等方面的研究，以提升IGBT器件的功率等级和可靠性。与焊接型IGBT器件相比，压接型IGBT器件通过施加外部压力实现器件内部材料连接，不存在键合线失效、焊料层脱落等问题，且具有功率密度大、双面散热、结构紧凑、短路失效等优点，从而特别适合应用于电力系统装备。其中，双面散热的特点使得压接型IGBT器件较焊接型IGBT器件更加适用于柔性直流换流阀等高压大功率场合。同时，压接型IGBT器件特有的短路失效模式，可以在器件故障时为保护装置提供充足的响应时间。然而，现阶段我国柔性直流换流阀中使用的压接型IGBT器件几乎完全来自进口，国内仅株洲中车时代电气股份有限公司、全球能源互联网研究院有限公司等少数企业可开展自主设计与制造。大功率压接型IGBT器件市场多为ABB、Dynex、Toshiba、IXYS等国外公司垄断，其中IXYS公司主要侧重刚性压接型IGBT器件，ABB公司主要侧重弹性压接型IGBT器件，且每个公司的压接型IGBT器件所需的夹具与驱动程序各不相同，购买压接型IGBT器件都需要提前预订，使得器件到货周期长、不能灵活使用，使用成本激增[31，32]。目前，我国高压柔性直流输电工程对压接型IGBT器件有着极大的需求，且基于大规模芯片并联的高压大容量压接封装技术尚未在工程中得到验证。因此，亟待认识压接型IGBT器件老化失效机理，模拟压接型IGBT器件失效演化过程，揭示复合应力与失效演化之间的耦合机制，进而指导柔性直流换流阀的主动运行维护管理，为提升国产高压大功率压接型IGBT器件研发设计水平及可靠性奠定坚实的理论基础。研究结果对压接型IGBT器件状态监测、失效分析、优化设计和柔性直流换流阀的故障分析具有重要的理论意义和工程应用价值。 　　图1.3 大功率IGBT器件封装结构 　　FRD指快速恢复二极管，DBC指覆铜陶瓷基板 　　目前，柔性直流换流阀用大容量电容器的关键技术指标有耐受电压和纹波电流能力、使用寿命、体积比特性等，金属化薄膜电容器因具有自愈能力、高可靠性等特点成为柔性直流换流阀用电容器的主流选择[33，34]。金属化薄膜电容器结构复杂，为了达到系统电压或者电流要求，金属化薄膜电容器整机通常由多个金属化薄膜电容器元件串联或者并联而成，金属化薄膜电容器元件由金属化薄膜卷绕而成[35，36]，如图1.4所示。虽然金属化薄膜电容器不存在铝电解电容器电解液挥发的问题，但是其特有的纳米级厚度的电极结构导致金属化薄膜电容器存在电极腐蚀、自愈清除等问题，导致金属化薄膜电容器在运行过程中电容量下降、等效串联电阻上升[37，38]。其中，温度是金属化薄膜电容器老化速率的关键影响因素。现有对金属化薄膜电容器在不同运行时期下温度对老化加速作用的研究较少。因此，柔性直流换流阀用金属化薄膜电容器的可靠性研究对其工程应用、维护及可靠性提升具有重要意义。 　　图1.4 金属化薄膜电容器实物图 　　MMC换流阀子模块由多种部件构成，其可靠性受运行工况与部件故障率的影响。然而，现有子模块的可靠性评估大都采用恒定故障率方法，忽略了部件老化失效对子模块可靠性的影响，影响了换流阀子模块可靠性评估的准确性。因此，基于柔性直流换流阀IGBT、金属化薄膜电容器等关键部件的故障率模型，考虑换流阀的运行工况，分析换流阀可靠性对于掌握换流阀关键部件运行状态，制订相应维护计划，提高柔性直流输电系统运行可靠性具有重要意义。 　　1.2 柔性直流换流阀可靠性研究现状 　　MMC换流阀的拓扑结构如图1.5所示。MMC换流阀每相分为上、下桥臂，每个桥臂由n个子模块和一个电抗器L0串联组成。MMC换流阀子模块采用半桥结构，子模块的结构如图1.6所示。每个半桥子模块主要由2个IGBT模块、电容器C、电源供给模块、子模块控制系统等组成。其中，子模块控制系统包括驱动板、子模块控制器及光纤通信等。除了子模块等基本设备，MMC换流阀还由换流站控制保护系统、阀冷系统等构成。其中换流站控制保护系统包括极控和站控，阀冷系统包括内冷系统、外冷系统及监控系统。 　　图1.5 MMC换流阀拓扑结构 　　图1.6 MMC换流阀子模块结构示意图 　　MMC换流阀在传输有功功率时，桥臂存在偏置的直流分量，使得子模块内部元件导通时间不相等，影响元件的损耗分布。子模块的直流分量偏置如图1.7所示，其中Ism.dc表示子模块输入的直流分量，取电流从A端口流向B端口为参考正方向，虚线表示电流的流通路径，箭头代表电流的方向。在整流工况下，子模块电流存在正向偏置的直流分量，此时电流主要通过元件D2。在逆变工况下，子模块电流存在正向偏置的直流分量，此时电流主要通过元件T2。 　　图1.7 子模块直流分量偏置图 　　电容器在MMC换流阀组件中起到稳压的作用，在运行过程中，尽量维持电容电压恒定。除了直流分量，电容电压基频分量U1与二倍频分量U2分别为 　　(1.1) 　　其中，Pdc为换流阀容量；Udc为直流侧电压；C为换流阀组件电容器容值；ω为基波角频率；cosφ为功率因数；m为调制比。 　　以厦门柔性直流换流阀工况为例，Pdc为1000MV?A，Udc为±320kV，C为0.01F，ω为50Hz，m为0.8，整流工况与逆变工况下cosφ分别为1与-1。以整流工况为例，子模块电容上的电压波形如图1.8所示。电容电压包括直流偏置与波动部分，其中波动部分会引起损耗并发热，加速电容器老化。结合式(1.1)可知电容电压波动值与工况密切相关。 　　图1.8 MMC换流阀组件电容电压(整流工况) 　　近年来，少数国内外研究学者对MMC换流阀可靠性开展了相关研究[39-41]。文献[39]基于拓扑分析，在综合考虑子模块、控制保护系统及阀冷系统等部件的MMC可靠性模型的基础上，利用k/n(G)模型和伽马(Gamma)分布，分别构建了