基于全寿命周期成本模型的固态变压器冗余优化设计研究

《IEEE Transactions on Power Delivery》：Assessing the Benefits of Redundancy in Solid-State Transformers: An Extended Total Cost of Ownership Model

本文针对中压应用场景下的DC-DC固态变压器(SST)，提出了一种扩展的全寿命周期成本(TCO)模型，系统评估了冗余设计对系统可靠性和经济性的影响。研究团队通过建立包含早期失效期、随机失效期和老化失效期的三阶段浴盆曲线可靠性模型，对比分析了2L-FB和3LHB两种子模块配置方案。研究结果表明，尽管冗余设计会增加初始投资成本，但能显著降低因计划外停机导致的损失，使2L-FB拓扑在25年寿命周期内实现TCO降低43%。该研究为功率变换器的可靠性设计与经济性评估提供了重要方法论支撑。

　　

随着能源转型进程的加速，中压电力电子技术在多个关键领域展现出广阔应用前景。从可再生能源并网到全电动船舶、采矿作业电气化，再到现代数据中心供电系统，模块化变换器凭借其出色的电压适应能力和可扩展性，已成为能源基础设施的核心部件。其中，模块化多电平变换器(MMC)在高压直流领域应用成熟，而固态变压器(SST)凭借其输入输出隔离、高功率处理能力和提供辅助电网服务的灵活性，正成为中压应用市场的优选方案。

然而，模块化变换器在带来显著优势的同时，也面临着严峻的可靠性挑战。工业用户调查显示，计划外停机成本可达每小时数千万美元，而功率电子设备故障是导致过程中断、造成收入损失和合同处罚的主要原因。在中压系统中，功率电子变换器已被确认为主要故障源之一，可靠性设计成为推动该技术进一步发展的关键因素。

传统设计方法主要关注故障模式与影响分析(FMEA)和任务剖面测试，通过在组件级别引入适当的设计裕度来提升可靠性。但对于模块化解决方案而言，子模块数量的增加具有双重效应：一方面增加了组件使用量，导致成本上升；另一方面也增强了系统的冗余能力，提高了在组件故障时维持正常运行的能力。这种权衡关系需要通过全寿命周期成本概念来综合评估，不仅要考虑初始投资，还需计算整个寿命周期内的累积成本。

针对这一技术需求，研究人员在《IEEE Transactions on Power Delivery》上发表了题为"Assessing the Benefits of Redundancy in Solid-State Transformers: An Extended Total Cost of Ownership Model"的研究论文。该研究聚焦于中压AC-DC至低压DC应用场景下的两阶段SST系统，特别是其DC-DC阶段的可靠性设计与经济性评估。

研究团队采用了多项关键技术方法：首先建立了包含浴盆曲线三阶段的可靠性模型，通过威布尔分布描述早期失效期、随机失效期和老化失效期；其次开发了考虑折旧效应的TCO分析框架，整合初始投资、运维、维修和停机成本；然后基于实际风电场数据构建任务剖面，采用蒙特卡洛模拟处理参数变异型；最后对比分析了2L-FB和3L-HB两种子模块配置在不同故障严重程度下的性能表现。

可靠性建模方法

研究采用三级可靠性建模方法：组件级、子模块级和变换器级。在组件级，通过威布尔分布建立包含三阶段的浴盆曲线模型，其中早期失效期采用形状参数k<1的威布尔分布，随机失效期采用k=1的指数分布，老化失效期采用k>1的威布尔分布。对于老化失效，研究结合任务剖面进行功率损耗计算和热建模，采用雨流计数算法进行热循环统计，并应用Norris-Landzberg模型和"10开尔文规则"分别评估功率器件和电容器的寿命。

子模块级可靠性通过串联模型计算，假设任一组件故障导致整个子模块失效。变换器级采用负载共享冗余方案，通过K-out-of-N方法计算系统可靠性，其中k为维持系统运行所需的最小子模块数，n为包含冗余模块的总数。系统可用性通过平均无故障时间(MTBF)与平均修复时间(MTTR)的比值进行评估。

TCO模型构建

TCO模型包含初始投资成本和运营成本两大部分。初始投资涵盖电容器、半导体、磁件等组件成本以及安装费用，其中半导体成本基于额定功率估算，电容器成本按存储能量计算，磁件成本通过面积乘积评估。运营成本包括维护成本、停机损失和功率损耗成本，并通过净现值法进行折现处理，以公平比较不同时间点的资金价值。

维护成本模型考虑组件更换费用和技术人员工时费，功率损耗成本通过效率曲线和电价计算，停机损失则基于系统可用性和每小时利润损失确定。该综合模型为评估不同冗余策略的经济性提供了完整框架。

固态变压器架构设计

研究针对MVAC-LVDC应用场景，分析了两阶段SST系统中的DC-DC阶段。该阶段采用输入串联输出并联结构，各子模块基于LLC谐振变换器实现，具备软开关特性。研究比较了传统2L-FB和3L-HB两种初级桥配置，前者为常规解决方案，后者可通过增加电平数减少所需子模块数量，但代价是组件数量增加和成本上升。

案例研究结果

基于荷兰海上风电数据案例研究显示，在组件级可靠性方面，电容器可靠性高于半导体器件，IGBT模块是最脆弱环节。2L-FB子模块的寿命约为3L-HB的2.5倍，这归因于更高的工作电压和热应力。

在低严重度故障场景下，2L-FB和3L-HB拓扑的最优冗余数分别为5和3，2L-FB方案的TCO比3L-HB低42%。与无冗余设计相比，2L-FB和3L-HB的TCO分别降低43%和21%。成本分解表明，计划外停机成本是TCO的主要贡献者，半导体成本在初始投资中占比最高。

高严重度故障场景分析显示，当平均修复时间增至10小时，系统可用性显著降低。最优冗余策略保持不变，但2L-FB方案的TCO优势扩大至49%，与无冗余设计相比，TCO降低幅度分别达到52%和24%。停机成本的进一步增加凸显了最小化停机时间的重要性。

结论与意义

本研究通过建立包含浴盆曲线三阶段的可靠性模型和扩展TCO框架，为固态变压器的冗余设计提供了系统方法论。研究表明，适度冗余投资可显著降低全寿命周期成本，2L-FB拓扑在多数场景下优于3L-HB方案。停机成本是影响设计决策的关键因素，冗余设计的效益高度依赖于故障严重程度和修复效率。

该研究的创新性体现在三方面：首次同时考虑冗余模块数和子模块配置的双重优化；扩展了可靠性模型至完整浴盆曲线；开发了整合折旧和实际任务剖面的综合TCO模型。研究成果对中压功率电子系统的可靠性设计和经济性评估具有重要指导意义，为行业提供了基于量化分析的决策支持工具。