金属化膜电容器失效物理建模及柔直换流阀组件可靠性评估.pdf

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中文摘要 摘 要 金属化膜电容器(Metallized Film Capacitor :MFC )具有高可靠性、高储能密 度等优势,是模块化多电平换流阀(Modular Multilevel Converter :MMC )中电容 器的主流选择。然而金属化膜电容器 MFC 在长期电压波动的作用下会出现电极腐 蚀导致电容量下降的失效问题,常规基于数据统计的可靠性评估方法难以描述电 容器老化失效机理,准确分析金属化膜电容器失效及 MMC 换流阀组件可靠性对 其安全运行和主动维护具有重要意义。论文以 MMC 换流阀应用工况为例,开展 金属化膜电容器 MFC 的多物理场建模与可靠性评估的研究。本文主要内容包括: ① 为了准确分析 MFC 的电热行为,建立多元件并联的MFC 多物理场模型。 首先,基于电容器元件实际结构,搭建电容器元件的二维电场模型,计算电容器 元件的等效串联电阻等参数;其次,基于 MFC 的电场模型,获取损耗分布规律, 建立电容器元件和多元件并联 MFC 温度场模型;最后,对 MFC 的电-热物理场模 型进行验证。 ② 计及电容器老化速率与温度耦合关系,建立一种考虑老化效应的金属化膜 电容器失效物理模型。首先,基于电容器腐蚀失效机理,建立MFC 故障率模型; 其次,通过提取等效串联电阻及其老化速率与温度的耦合关系,建立 MFC 老化失 效模型;最后,以等效串联电阻为表征,分析 MFC 在不同老化程度下的故障率变 化规律。 ③ 针对基于恒故障率的传统换流阀可靠性评估方法难以反映部件老化失效 的问题,提出基于MFC 老化失效的 MMC 换流阀组件的可靠性评估模型。首先, 分析 MMC 换流阀应用工况下 IGBT、MFC 等关键部件的电热应力特性;其次,结 合 IGBT、MFC 等关键部件的故障率模型,建立 MMC 换流阀组件的可靠性模型; 最后,对 MMC 换流阀组件在逆变与整流运行工况下的可靠性进行评估和比较, 并形成基于关键部件失效的 MMC 换流阀组件的可靠性评估软件。 论文上述研究成果对金属化膜电容器 MFC 的设计和失效分析提供理论支撑, 也为 MMC 换流阀组件的可靠性评估奠定基础。 关键词:金属化膜电容器;可靠性评估;物理场建模;老化失效;MMC 换流阀 I 英文摘要 Abstract Metallized Film Capacitor (MFC) is the mainstream choice of capacitors in modular multilevel converter (MMC) valves for the advantages of high reliability and energy storage density. However, metallized film capacitors will suffer from corrosion failure of electrodes when applied to long-term voltage fluctuation. Conventional reliability assessment methods based on data statistics are difficult to describe the coupling relationship between capacitor aging rate and temperature. Accurate assessment of metallized film capacitor reliability is of academic

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