近年来,柔性直流输电和静止同步补偿器技术得到了快速的发展。其中,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)克服了两电平换流器开关频率高、损耗大的缺陷,实现高品质的电压输出、具有优良的控制特性,得到了学术界和工业界的广泛认可。由于安装环境温度和功率任务剖面的影响,MMC在不同的应用场合下可靠性发生变化。此外,用于柔直的MMC具有大量的子模块(Sub-module,SM)和紧凑的布局,这加剧了器件的热应力。MMC寿命与可靠性评估是保证换流器安全、稳定和经济运行的基础。因此,本文基于失效物理学预测子模块各元件寿命,并考虑子模块寿命相关性评估MMC系统整体的可靠性。本文展开的研究工作有:(1)根据MMC的工作原理计算每个半导体元件的电流应力,即绝缘栅双极晶体管模块(insulated-gate bipolar transistor modules,IGBTs)中的IGBT及二极管;用热等效网络计算元件的结温,并用有限元仿真软件ANSYS加以验证。运用雨流计数法提取低频热循环;提出用RC等效网络计算IGBTs基频热循环。用解析寿命模型和损伤模型估计每个元件的累积损伤及寿命。(2)提出一种基于物理失效分析MMC子模块直流支撑电容寿命评估方法。该方法根据MMC任务剖面解析计算直流支撑电容的电热应力,评估电容器寿命;考虑电容器在不同并联状态的疲劳度差异,利用序贯蒙特卡罗方法模拟电容器组失效传导的状态转移过程,量化失效传导的影响。算例表明:环境温度剖面、功率传输剖面和失效传导机制影响子模块电容器组的寿命;子模块寿命在不同任务剖面下受到IGBT模块或直流支撑电容的制约。(3)MMC的可靠性由元件寿命分布和换流器结构决定。通过抽样获得威布尔分布参数,建立寿命预测和可靠性评估的纽带,并用Copula函数评估含有冗余子模块的MMC系统可靠性。本文考虑子模块冗余和寿命相关性,提出计算MMC可靠性的新理论;揭示子模块寿命相关性影响MMC可靠性的物理原因。