模块化多电平换流阀可靠性研究与设计优化

段　军, 谢晔源， 姜田贵，朱铭炼， 欧阳有鹏

(南京南瑞继保电气有限公司, 江苏 南京211102)

0　引言

统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作为目前功能最全面的柔性交流输电系统(flexible AC transmission systems, FACTS)设备，在潮流控制上具有较大的优势。既可以快速控制输电线路有功和无功潮流，提高线路的输送能力，同时也可以提高系统电压稳定性，改善系统阻尼，提高功角稳定性[1-2]。目前，世界上电压等级最高、容量最大的江苏苏州南部电网500 kV UPFC科技示范工程已经正式投运，在世界范围内首次实现500 kV电网电能流向的灵活、精准控制，最大可提升苏州电网电能消纳能力约1300 MW[3-5]。

换流阀是基于模块化多电平换流阀的统一潮流控制器(modular multi-level converter based unified power flow controller, MMC-UPFC)的核心设备，组成元件多，结构复杂，研究其可靠性，对于UPFC的可靠性和可用率评估具有重要意义。在直流系统可靠性领域，以往的研究多集中在直流输电系统可靠性评估方法[6-7]及保护装置等的可靠性分析[8-9]，近年来，模块化多电平换流阀(modular multi-level converter, MMC)的可靠性逐步得到关注，由于缺乏基于MMC的柔性直流系统和UPFC在电力系统中实际运行数据，研究中往往采用假设数据，因此研究成果对实际系统的指导意义有限。文献[10]以StakPak绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT) MMC为例，计算了不同电压等级和不同冗余下的换流阀可靠性指标；文献[11]研究了采用各种不同功率器件时变桥臂多电平拓扑(alternative arm multi-level converter，A2MC)的柔性直流输电技术(voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC)的可靠度，以10 kV电压等级为例进行计算分析；文献[12]考虑子模块、控制保护系统、阀冷系统等，构建了MMC在两种备用策略下的可靠度函数。

本文采用k/n(G)可靠性模型描述方法，清晰描述了模块化多电平换流阀可靠性与各种冗余度之间的关系，定量计算了500 kV苏南 UPFC 换流阀的可靠性指标，并对换流阀可靠性进行优化设计，满足实际工程要求，为后续UPFC换流阀冗余度设计提供参考依据。

1　MMC-UPFC系统结构

1.1　UPFC主电路结构

500 kV苏南 UPFC主回路拓扑结构如图 1所示。串、并联侧3个换流阀采用背靠背连接方式，并联侧换流阀一套，通过启动电阻接至并联变压器，再接入木渎500 kV母线，从系统吸收有功功率稳定直流母线电压，同时可以向系统吸收或注入无功功率；串联侧换流阀两套，通过2个串联变压器接入木渎—梅里500 kV双回线路，向系统插入相位、幅值可独立调节的电压，从而起到潮流控制的功能。机械旁路开关与串联变压器串联，在串联侧换流阀长时间退出运行时，旁路串联侧所有设备；晶闸管旁路开关在紧急故障情况下旁路串联侧换流阀，起保护作用[5]。

图1　500 kV苏南 UPFC主回路拓扑示意Fig.1　500 kV Sunan UPFC main circuit topology diagram

采用基于全控电力电子器件IGBT构成的模块化多电平电压源型换流阀是MMC-UPFC的核心设备，是交流系统和直流系统的分界点和转换器，其运行的可靠性直接影响到整个UPFC系统的安全稳定运行。

1.2　MMC基本结构

MMC拓扑结构如图 2所示，每个换流阀相单元由上、下2个桥臂组成，三相共包含6个桥臂，每个桥臂由桥臂电抗器和若干相同的子模块(sub-module，SM)组成。MMC子模块可采用全桥、半桥或者类全桥拓扑。500 kV苏南 UPFC换流阀子模块采用半桥拓扑，如图 3所示，每个子模块由2个IGBT、2个IGBT驱动板、电容器、保护晶闸管SCR、旁路开关K、高压取能电源以及子模块控制器(sub-module controller, SMC)组成。

图2　MMC 拓扑结构Fig.2　The topology of MMC

图3　半桥子模块拓扑Fig.3　The topology of half bridge module

2　k/n(G)系统可靠性模型

假定系统由n个相互独立且服从相同寿命分布的元件组成，k/n(G)系统也叫n中取k的冗余表决系统[13-16]。是指当n个元件中至少有k个元件正常工作时，即失效的元件数小于等于n-k时，系统正常工作，反之则系统失效。

若每个元件的可靠度为p，不可靠度为q，则p+q=1，所以k/n(G)系统的可靠度为：

(1)

若各元器件的寿命服从指数分布，故障率为λ，则系统的可靠度为：

(2)

系统的平均无故障工作时间为：

(3)

3　UPFC换流阀可靠性模型

3.1　子模块可靠模型

子模块的晶闸管和旁路开关仅在系统或子模块发生故障时投入工作，因此MMC子模块可靠性主要由IGBT、电容器、IGBT驱动电路、SMC和高压取能电源共同决定。组成子模块的各个元器件可以看成可靠性串联系统，任一元件失效，子模块故障，并合闸旁路开关，退出运行。子模块可靠性框图如图 4所示。

图4　子模块可靠性框图Fig.4　Reliability block diagram of sub-module

文中假设子模块各元件处于寿命曲线中的稳定运行期，即其寿命服从指数分布，则在时刻t，元件的可靠度为：

R(t)=e-λt

(4)

根据图 4所示框图，子模块可靠度为：

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)分别为IGBT可靠度、电容器可靠度、IGBT驱动可靠度、SMC可靠度和高压取能电源可靠度。由各元件故障率代入式(4)计算得到。

由于组成子模块的各个元件寿命均服从指数分布，由式(5)可知子模块寿命也服从指数分布，且其故障率为:

λsm=2λIGBT+λcap+2λdri+λSMC+λPower

(6)

式中:λIGBT,λcap,λdri,λSMC,λPower分别为IGBT失效率、电容器失效率、IGBT驱动失效率、SMC失效率和高压取能电源失效率。

若换流阀子模块采用如全桥、类全桥等其他拓扑，可以根据子模块的组成元件类别和数量，建立可靠性框图，按照上述步骤推导其故障率模型。

3.2　桥臂可靠性模型

MMC桥臂由若干子模块组成，每个桥臂含一定数量的冗余模块，正常运行时，冗余模块同其他模块一样投入运行；任一子模块出现故障，则通过旁路开关将其旁路，此故障模块退出运行，待下次检修时更换；当故障模块数量超过冗余模块个数时，换流阀桥臂故障，产生跳闸信号。

因此MMC换流桥臂的可靠性模型非常适合用k/n(G)系统模型来描述。k/n(G)系统指由n个部件组成的系统，当k个或k个以上部件正常工作时，系统正常工作；当n-k+1个部件故障时，系统故障；在系统故障期间，k-1个正常的部件停止工作，不再发生故障，直到正在修理的部件修理完成，k个正常的部件同时进入工作状态，此时系统才重新进入工作状态[8]。换流阀桥臂可靠性框图如图 5所示。

图5　桥臂可靠性框图Fig.5　Block diagram of phase arm reliability

为简化分析，文中假设桥臂中所有子模块相互独立且服从相同的寿命分布，即为独立同分布元件。每个子模块的可靠度均为RSM(t)，则子模块的不可靠度为1-RSM(t)，根据式(2)可得到桥臂的可靠度为:

(7)

式中:n为桥臂中子模块总数；k为不含冗余的桥臂模块数量。

3.3　换流阀可靠性模型

MMC包括6个桥臂，正常运行时，6个桥臂均为正常工作状态，任一个桥臂故障，换流阀进入故障跳闸状态，则整个换流阀的可靠度为6个k/n(G)桥臂构成的可靠性串联系统，换流阀可靠度框图如图 6所示。

图6　MMC 换流阀可靠性框图Fig.6　Block diagram of MMC reliability

则换流阀的可靠度为：

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

(8)

将式(6)和式(7)带入式(8)得：

(9)

换流阀的平均无故障时间:

(10)

4　苏南UPFC换流阀可靠性分析及优化

4.1　苏南UPFC换流阀可靠性分析

本文以500 kV苏南UPFC换流阀为例，对模块化多电平换流阀可靠性进行分析及优化。500 kV苏南UPFC工程有3个背靠背换流阀，换流阀额定直流电压±90 kV，额定容量为250 MV·A，UPFC换流阀子模块额定直流电压为1.6 kV，则每个桥臂不含冗余的子模块个数k约为112个。

子模块各元器件的故障率见表 1。失效率λ通常以FIT表示，1FIT定义为10-9/h。将元器件故障率代入式(6)可得子模块故障率为8.76×10-3次/a。

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

本文考虑500 kV苏南 UPFC换流阀桥臂子模块总数分别为112，117，120，123个时，即冗余度分别为0%，5%，8%，10%的情况下，将参数代入式(9)绘制换流阀可靠度如图 7所示。

图7　不同冗余度下换流阀可靠度曲线Fig.7　Reliability curve of MMC valve with different redundancy

从图 7可以看出，在子模块故障率一定的情况下， 随着换流阀模块总数增加，即冗余度增加，换流阀可靠度增加。从图 8可以看出，同样的冗余度增量情况下，在产品的使用前期，可靠度增加明显，而在产品的使用后期，冗余度增加对换流阀可靠度增加效果趋于减少；同样使用年限下，增加冗余度，换流阀可靠度增量趋于减少,单位投资所取得的可靠性提高的效益逐步降低。因此，在子模块故障率一定的情况下，当k确定后，需要进行优化设计，选取n的值，确保取得较好的可靠性和经济性。

图8　不同冗余度增量下换流阀可靠度曲线Fig.8　Reliability curve of MMC valve with different redundancy increment

4.2　苏南UPFC换流阀可靠性优化

根据式(2)k/n(G)系统的可靠度计算公式:

(11)

则平均无故障工作时间MTTF指标为：

(12)

显然，λ减小，n增大，系统可靠性提高；反之则系统可靠性降低。λ参数是由器件本身的物理特性决定；而n的变化，可通过拓扑结构设计来改变。

文中通过设定换流阀预期可靠性目标，比较可靠寿命，优化设计桥臂子模块数量n，并给出苏南UPFC换流阀可靠性设计和优化指导性原则。可靠寿命是指在可靠度等于给定值r时，系统的寿命记作t(r)，即R[t(r)]=r。主要从以下方面讨论：

首先，确定UPFC换流阀满足可靠度要求的桥臂子模块数量。实际运行中，换流阀子模块是可修复元件，在两次换流阀维护期间，子模块做不可修复元件处理。

UPFC换流阀可靠性设计目标：2 a内，换流阀可靠度在0.999以上。表 2为不同冗余度，苏南UPFC换流阀t(0.999)可靠寿命。由表可知，冗余度为10%，即模块数量配置为123个时，苏南UPFC换流阀t(0.999)=3.19 a，大于2 a，满足设计要求。

其次，以UPFC换流阀达到常规输变电设施同等可靠性水平作为预期目标来分析。根据国家能源局和中国电力企业联合发布的2015年全国电力可靠性指标 第四部分 输变电设备[17]，“十二·五”期间我国550 kV输变电设备故障率如表 3所示。

对比表 2和表 3可知，使用可靠寿命t(0.999)指标，UPFC换流阀采用112/120(G)系统时，其可靠寿命指标优于500 kV变压器、断路器和架空线。

表2　换流阀的可靠寿命指标Tab.2　Reliable lifetime indices of MMC valve

表3　500 kV主要输变电设施故障率统计指标Tab.3　Failure rates of 500 kV transmission equipment

综上所述，500 kV苏南 UPFC换流阀桥臂采用112/123(G)结构时，可靠性能满足工程需求，且优于同电压等级输电设施的可靠性。

5　结语

本文针对500 kV苏南 UPFC换流阀，从概率模型的角度，对其可靠性进行了深入的分析。采用k/n(G)可靠性模型描述方法，清晰描述了换流阀可靠性与各种冗余度之间的关系，采用工程经验和文献参考子模块故障率参数，定量计算了苏南UPFC换流阀可靠性指标，优化换流阀可靠性设计，满足实际工程需求，为后续UPFC换流阀冗余度设计和优化提供参考依据。

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