模块化逆变电源冗余架构可靠性影响研究

2022-06-09张辉睿雷秉霖

船电技术 2022年5期

关键词：故障率并联模块化

张辉睿，雷秉霖

应用研究

模块化逆变电源冗余架构可靠性影响研究

张辉睿，雷秉霖

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

本文研究模块化逆变电源单模块可靠性水平，模块化颗粒度以及任务目标对逆变电源可靠性的影响。简化建立模块化逆变电源任务可靠性模型，针对未开展模块化、4个逆变模块、8个逆变模块的逆变电源任务可靠性进行对比分析，发现当逆变模块故障率较高时，模块化设计可能不会取得预期效果。

模块化逆变电源冗余架构可靠性

0 引言

随着控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。逆变电源通过半导体功率开关器件的开通和关断，完成电能形式的转换，广泛应用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，并以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到青睐。

模块化逆变电源是逆变电源电力电子技术的重要发展方向，用系列化标准化功率等级的逆变模块组合构成目标功率等级的电源系统。

模块化并联系统引入了真冗余概念，以单个模块良好的输出性能为基础，采用高度数字化控制模式，系统间协调工作通过数据总线完成，整个系统中没有主从模块区分或中央控制器件，实现了每个单体模块的独立工作，即使在单体故障情况下也不会影响系统正常工作，进一步提高了系统可靠性和冗余程度。

查阅相关文献，相关研究都认可模块化并联技术可提高逆变电源的供电可靠性，但具体模块化设计中哪些设计参数会影响模块化逆变电源可靠性的提升，缺乏相关研究。本文研究模块化逆变电源单机可靠性水平，模块化颗粒度以及任务目标对逆变电源可靠性的影响。

1 模块化逆变电源可靠性模型

逆变电源功率变换部分采用模块化设计。单个模块包含完整电源部件及附件，可独立实现完整电源功能。同时具有多模块并联供电及并联穿越能力，全寿期多维度多模块协调运行最优控制机制。可实现智能监控和灵活调度，从设备的冗余系统设计中释放可靠性潜力。

逆变电源的设备组成主要包括：逆变模块及其接口电路、缓起电路、监控箱、显示屏、传感器组、辅助电源等部件。

图1 模块化逆变电源组成框图

任务成功准则为针对额定功率为P的模块化逆变电源，n个逆变模块，任务周期内至少能保证k个逆变模块正常工作即具备功率kP/n负荷供电能力。以4个逆变模块，至少保证3个逆变模块为例，逆变电源的任务可靠性模型如图2：

图2 任务可靠性模型

2 模块化逆变电源冗余架构可靠性影响分析

根据使用经验，逆变电源模块中IGBT及其驱动电路为影响可靠性的主要故障原因。为计算简便，现仅考虑IGBT及其驱动电路的可靠性指标，其他电路部分（保护电路、交流接触器等）假设可靠度为1。同时假设不同功率等级的IGBT及其驱动电路故障率基本相同，均为。

下面以三相逆变电源为例，针对未开展模块化的逆变电源、4模块和8模块逆变电源三种情况进行对比分析。

未开展模块化的逆变电源，功率变化部分由12个IGBT单元组成，单个IGBT故障会造成设备故障，可靠度为

模块化逆变电源功率变换模块也由12个IGBT单元组成，可靠度为

根据任务成功判据，4个模块组成的M4型逆变电源需3个模块正常工作，可靠度为

8个模块组成的M8型逆变电源需6个模块正常工作，可靠度为

查阅文献资料，IGBT单元故障率约为0.01次每年到0.03次每年。若考虑任务周期为120天，可分别计算1、R、2M4和2M8。如表2和图3所示：

表1 各型号逆变电源可靠度计算值

图3 各型号逆变电源可靠度随IGBT单元变化率变化趋势

根据分析结果可知，在假设不同功率等级IGBT单元故障率无明显差别的前提下，采用模块化主逆变电源架构，设备在120天任务周期内任务可靠度相较于未开展模块化型号有明显的提高。同时，M8型任务可靠度也高于M4型。

3 故障率对模块化逆变电源可靠性影响

计算模块化逆变电源任务可靠度时，估计 IGBT单元及驱动电路故障率约为0.01次每年到0.03每年，来源是行业文献资料。当IGBT单元及驱动电路故障率较高或较低时，或逆变模块中其他电路故障率较高时，采用模块化的冗余架构对主逆变电源可靠性有何影响，可进一步分析。

表2 各型号逆变电源可靠度计算值

图4 逆变电源可靠度随IGBT单元变化率变化趋势

当IGBT故障率从0.03上升至0.07时，M8型可靠度2M8和M4型可靠度2M8下降速度显著快于未开展模块化的逆变电源可靠度1。由图4容易得到，当IGBT故障率约为0.045时，M8型可靠度2M8开始小于M4型可靠度2M4；当IGBT故障率约为0.055时，M8型可靠度2M8开始小于未开展模块化的逆变电源可靠度1；当IGBT故障率约为0.065时，M4型可靠度2M8开始小于未开展模块化的逆变电源可靠度1。综上，主逆变电源模块化程度应基于单个模块的故障率水平（或可靠性水平）。当单个模块故障率较低时，较高的模块化水平可提高主逆变电源的任务可靠度；但当单个模块故障率较高时，较高的模块化水平反而会导致逆变电源的任务可靠度降低。

逆变电源开展模块化设计需充分考虑逆变模块的可靠性水平，必要时通过可靠性强化试验暴露逆变模块的薄弱环节，提高逆变模块的可靠性水平，保证主逆变电源任务可靠度满足型号要求。