摘要: 大规模开发利用可再生能源，推动能源清洁化是实现“碳达峰”和“碳中和”的重要手段，由于我国主要的电力消费中心与可再生能源的位置分布具有分散性，因此，具备远距离、大容量输电能力是输电系统的必然要求。基于模块化多电平变流器（Modular Multilev... 展开 大规模开发利用可再生能源，推动能源清洁化是实现“碳达峰”和“碳中和”的重要手段，由于我国主要的电力消费中心与可再生能源的位置分布具有分散性，因此，具备远距离、大容量输电能力是输电系统的必然要求。基于模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流输电是目前最主流的输电方式之一。MMC 作为柔性直流输电系统中最核心的设备，其中子模块（Submodule, SM）电容器是失效率最高的部件。金属化薄膜电容器由于其较好的耐压耐流特性、较长的使用寿命在 MMC 中应用广泛。研究表明，金属化薄膜电容器在承受较大负载时核心温度会上升，内部产生热应力，在长期的电压波动和热应力的作用下电容会逐渐退化直至失效，其失效后会造成MMC发生严重故障，甚至停机。因此，研究金属化薄膜电容器的可靠性对于提高 MMC 运行可靠性和制定系统维护计划具有重要意义。 本文围绕 MMC 子模块用金属化薄膜电容器的寿命评估问题，首先，基于场路协同仿真建立了电热耦合模型对电容器的电热应力进行分析，获得了电容器组的温度分布和热点温度，并通过实验验证了模型的准确性；然后，基于子模块电容电压的变化特性，提出基于滑动窗口累积和检测算法实现电容值的在线监测；最后，提出了基于电容器状态的电容器剩余寿命评估方法。本文的主要研究内容包括以下几个方面： （1）为了准确分析金属化薄膜电容器组的电热行为，提出了一种基于场路耦合的电热协同仿真方法。首先，对金属化薄膜电容器的结构进行了介绍；其次，根据MMC系统的电路结构和电容器的等效电路搭建了子模块电容器的电路模型，基于电容器元件的实际物理结构在有限元仿真平台上建立了电容器组的温度场模型，根据场路耦合的基本原理使用Matlab脚本实现了电热模型的协同仿真；最后，对所提出的建模方法进行了分析和验证。 （2）针对目前电容器容值监测需要获取开关序列的问题，提出了一种基于滑动窗口累积和检测的非侵入式电容器容值监测方法。首先，根据 MMC 基本工作原理建立了电容电压的变化与开关信号之间的联系；其次，介绍了双边累积和算法原理，并引入滑动窗口对电容电压进行处理，通过追踪滑动窗口内所对应的累积和可以准确的判断电容何时充电与放电，并以此基于电容电压和桥臂电流实现了电容值的在线计算。最后，通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性。 （3）针对金属化薄膜电容器在整个服役周期内的可靠性量化问题，提出了一种基于电容器状态的电容器剩余寿命评估方法。首先，基于金属化薄膜电容器的失效机理建立其寿命模型；其次，考虑了等效串联电阻和电容值的运行老化，建立了金属化薄膜电容器的老化模型，获得了电容器在实际运行条件下的非线性累积损伤和退化过程；最后，在考虑电容器状态以及老化模型的基础上提出了金属化薄膜电容器的剩余寿命评估方法，并对不同老化程度的电容器的故障率和可靠度变化规律进行了分析。 收起