技术摘要：
本发明提供一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统，包括：获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导通电流；通过各半导体的导通电流  全部
背景技术：
大规模电池储能系统通过功率调节系统(Power  Conversion  System，PCS)。电力 电子变压器交流输入级可采用模块化多电平换流器(Modular  Multilevel  Converter , MMC)，耐压等级高、传输功率大；直流隔离级采用双有源桥(Dual  Active  Bridge,DAB)，通 过移相调节控制可以实现灵活地功率均衡和电气隔离，尤其适合对SOC不一致性大的电池 模组进行差异化地充放电控制。因此，模块化级联型的电力电子变压器也逐渐成为了电池 储能系统并网设备的研究热点，装置本身可靠性将直接影响着电池储能并网的安全可靠水 平。 根据电力电子系统可靠性相关调研相关报告可知，功率开关器件是变流系统中失 效率最高的部件，约占34％，其中约55％的电力电子系统失效由结温升高的因素诱发。然 而，大部分针对电力电子装置可靠性评估中，元件故障率仍主要采用统计平均值，属于传统 静态可靠性评估范畴，忽略了元件健康状况以及运行工况对器件，尤其是IGBT和二极管等 半导体器件可靠性的影响，针对系统级的可靠性分析主要采用故障树分析、状态转移等方 法，评估误差较大，对短时间尺度的运行控制指导意义不大。 然而，目前将电力电子运行工况纳入可靠性评估范畴的研究相对较少，需要充分 将环境因素、运行工况以及设备历史运行状况纳入分析。部分对电力电子设备运行可靠性 的研究主要围绕风电变流器等结构简单的并网设备展开，主要考虑了风速影响下的IGBT疲 劳累积的影响，尚缺乏对电力电子变压器这种涉及输入、隔离等多级变换的复杂装置可靠 性研究。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够对电力电子变压器的可靠性进行准 确评估的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统。 根据本发明的一个方面，提供一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方 法，包括： 获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电池储能系统 中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导体器件的导 通电流； 通过各半导体的导通电流获得各半导体器件的功率损耗； 通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动； 通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故障率； 通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠性。 6 CN 111585298 A 说　明　书 2/14 页 优选地，所述电力电子变压器的拓扑结构包括MMC输入子系统和DAB隔离级子系 统。 进一步，优选地，所述通过各半导体的导通电流获得输入子系统输入各半导体器 件的功率损耗的步骤包括： 通过直流母线电流和相电流幅值获得MMC输入子系统的各半导体器件的工频周期 电流平均值和电流有效值； 通过移相比获得DAB隔离级子系统的各半导体器件的一个开关周期中的电流平均 值和电流有效值； 通过各半导体器件的电流平均值和电流有效值获得各半导体器件的导通功率损 耗和开断功率损耗。 此外，优选地，所述通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温 波动的步骤包括： 将结温波动分成两类，第一类结温波动是随外界负荷变化而发生变化的结温均值 变化，为长时间低频温度波动，第二类结温波动短时间的基频结温波动； 采用Foster热阻模型根据DAB隔离级子系统的各半导体器件的功率损耗通过下式 定量分析各半导体器件的第一类结温波动，所述半导体器件包括IGBT管和功率二极管， 其中，Tj,T和Tj,D分别为工况j下的IGBT管和功率二极管的稳态结温，Ploss_T和Ploss_D 分别为IGBT管和功率二极管的一个开关周期内的平均损耗，RJC,T和RJC,D分别为IGBT管和功 率二极管的内部热阻，RCH ,T和RCH ,D分别为IGBT管和功率二极管的外部热阻，Th为散热器温 度； 采用Foster热阻模型获得MMC输入子系统的各半导体器件的第一类结温波动，结 合第二类结温波动修正第一类结温波动 其中，α为开关占空比，Rz为第z阶热阻，Z为热阻的总阶数，T0为参考结温值，Pmod为 第二类结温波动对第一类结温波动的修正值，τz是Rz对应的时间常数。 优选地，所述通过各半导体器件的功率损耗定量分析各半导体器件的结温波动的 7 CN 111585298 A 说　明　书 3/14 页 步骤包括： 采用Foster热阻模型根据各半导体器件的功率损耗通过下式定量分析各半导体 器件的结温波动，所述半导体器件包括IGBT管和功率二极管， 其中，Tj,T和Tj,D分别为工况j下的IGBT管和功率二极管的稳态结温，Ploss_T和Ploss_D 分别为IGBT管和功率二极管的一个开关周期内的平均损耗，RJC,T和RJC,D分别为IGBT管和功 率二极管的内部热阻，RCH ,T和RCH ,D分别为IGBT管和功率二极管的外部热阻，Th为散热器温 度。 此外，优选地，所述通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构 的可靠性的步骤包括： 通过MMC输入子系统的各半导体器件的故障率根据等效可靠度通过下式获得MMC 输入子系统的可靠性 其中，RMMC(P)为MMC输入子系统的可靠性，B为MMC输入子系统的基本组成单元的的 总数,b为正常工作时所需的MMC输入子系统的基本组成单元的个数,λiMMC为MMC输入子系统 的第i个基本组成单元的故障率； 通过DAB隔离级子系统的各半导体器件的故障率根据等效可靠度通过下式获得 DAB隔离级子系统的可靠性 其中，RDAB(P)为DAB隔离级子系统的可靠性,G为DAB隔离级子系统的基本组成单元 的的总数,g为正常工作时所需DAB隔离级子系统的基本组成单元的个数,λiDAB为DAB隔离级 子系统的第i个基本组成单元的故障率； 通过MMC输入子系统的可靠性的可靠性和DAB隔离级子系统的可靠性获得电力电 子变压器的拓扑结构的可靠性 Rsystem(P)＝RMMC(P)*RDAB(P)。 优选地，所述通过各半导体器件的结温波动分析多时间尺度的各半导体器件的故 障率的步骤包括： 根据FIDES可靠性导则可得长时间尺度低频结温波动造成的第一故障率模型 λlong＝(λtsf0Πtsf λtcf0Πtcf)ΠosΠpmΠpr 其中，λtsf0和λtcf0分别为热应力因子和温度循环因子对应的半导体器件基本故障 率；Πos、Πpm、Πpr分别表示过应力贡献因子、制造质量的影响、寿命周期中可靠性质量管理 及控制水平的影响；Πtsf和Πtcf对应为半导体器件的热应力因子和温度循环因子，λlong为 第一故障率； 8 CN 111585298 A 说　明　书 4/14 页 采用Miner寿命预测解析模型获得短时间尺度下基频结温波动造成的第二故障率 模型 其中，ΔTj为基频结温波动幅值，Tj为相邻负荷采样点的结温平均值，β为疲劳延性 系数与焊料层健康状态相关，Ea为激活能量常数与器件相关，K为玻尔兹曼常量，A为常量系 数，Nj(Tj,ΔTj)为半导体器件在工况j下的失效循环次数，nj(Tj,ΔTj)为利用雨流计数法提 取的半导体器件在工况j下的循环次数，Dj(Tj,ΔTj)为在工况j下疲劳累积，Δt表示在统计 结温波动次数时所取总计时间长度，D(Δt)为所述总计时间长度内所有工况的疲劳累积， λshort为第二故障率； 根据第一故障率模型和第二故障率模型获得半导体器件的故障率 λsum＝λshort λlong 其中，λsum为一个半导体器件的故障率。 优选地，所述通过各半导体器件的故障率获得电力电子变压器的拓扑结构的可靠 性的步骤包括：通过各半导体器件的故障率根据等效可靠度获得电力电子变压器的拓扑结 构的可靠性 其中，Rsystem(P)为电力电子变压器的拓扑结构的可靠性，i为所述拓扑结构的基本 组成单元的索引，l为正常工作时所需的基本组成单元的个数，L为所述基本组成单元的总 数，λisum为第i个所述基本组成单元的的故障率，t为服役时间，w为指数常数，根据拓扑结构 的备用形式确定。 根据本发明的另一个方面，提供一种用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析 系统,包括： 采集模块，获取电池储能系统并网后的历史运行数据，所述历史运行数据包括电 池储能系统中电力电子变压器的拓扑结构、所述拓扑结构使用的各半导体器件以及各半导 体器件的导通电流； 功率损耗获得模块，通过采集模块采集的各半导体的导通电流获得各半导体器件 的功率损耗； 结温波动分析模块，通过功率损耗模块获得的各半导体器件的功率损耗定量分析 各半导体器件的结温波动； 故障率分析模块，通过结温波动分析模块获得的各半导体器件的结温波动分析多 时间尺度的各半导体器件的故障率； 9 CN 111585298 A 说　明　书 5/14 页 可靠性分析模块，通过故障率分析模块获得的各半导体器件的故障率获得电力电 子变压器的拓扑结构的可靠性。 优选地，所述故障率分析模块包括： 第一故障率分析单元，根据FIDES可靠性导则可得长时间尺度低频结温波动造成 的第一故障率模型 λlong＝(λtsf0Πtsf λtcf0Πtcf)ΠosΠpmΠpr 其中，λtsf0和λtcf0分别为热应力因子和温度循环因子对应的半导体器件基本故障 率；Πos、Πpm、Πpr分别表示过应力贡献因子、制造质量的影响、寿命周期中可靠性质量管理 及控制水平的影响；Πtsf和Πtcf对应为半导体器件的热应力因子和温度循环因子，λlong为 第一故障率； 第二故障率分析单元，采用Miner寿命预测解析模型获得短时间尺度下基频结温 波动造成的第二故障率模型 其中，ΔTj为基频结温波动幅值，Tj为相邻负荷采样点的结温平均值，β为疲劳延性 系数与焊料层健康状态相关，Ea为激活能量常数与器件相关，K为玻尔兹曼常量，A为常量系 数，Nf(Tj,ΔTj)为半导体器件设定工况下的失效循环次数，nx(Tj,ΔTj)为利用雨流计数法 提取的半导体器件工况x下的循环次数，Dx(Tj,ΔTj)为工况x下疲劳累积，Δt表示在统计结 温波动次数时所取总计时间长度，D(Δt)为所述总计时间长度内所有工况的疲劳累积， λshort为第二故障率； 半导体器件故障率分析单元，根据第一故障率模型和第二故障率模型获得半导体 器件的故障率 λsum＝λshort λlong 其中，λsum为一个半导体器件的故障率。 本发明所述用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法及系统获取适用于 电池储能并网的电力电子变压器拓扑结构，首先结合电力电子变压器工作原理，通过各环 节电流平均值和有效值解析计算，获得不同传输功率下电力电子变压器的功率管损耗；然 后，评估了不同时间尺度结温波动对半导体器件故障率的影响；最后，通过电力电子变压器 子系统等效故障率计算，实现对整体装置可靠性的评估，形成了从传输功率到装置故障率 的完整求解方法及系统，充分考虑了运行工况对组成元件健康状态的影响，形成了多时间 尺度故障概率评估方法，将运行工况及元件健康状态对装置可靠性水平的影响纳入分析范 畴，为电力系统调度运行提供决策依据。 10 CN 111585298 A 说　明　书 6/14 页 附图说明 图1是本发明的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析方法的流程图； 图2是本发明所述用于储能系统的电力电子变压器的拓扑结构的一个具体实施例 的示意图； 图3是图2的实施例中DAB隔离级子系统中流经电感的电流波形； 图4是是本发明的用于电池储能的电力电子变压器可靠性分析系统的构成框图。