CN108037440B - 柔性直流输电模块化多电平换流器子模块igbt的在线监测方法 - Google Patents

柔性直流输电模块化多电平换流器子模块igbt的在线监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法，包括以下步骤：1)计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE；2)将模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE与正常情况下IGBT通态电阻RCE0进行对比，计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A，再根据模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A评估模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的剩余使用寿命及老化程度，完成柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测，该方法能够实现对监测模块化多电平换流器中IGBT的在线监测。

Description

柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测 方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电系统中设备在线监测领域，涉及一种柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法。
背景技术
柔性直流输电技术在能源领域已经得到越来越多的重视和应用。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是柔性直流输电技术的核心设备，其安全稳定运行对柔性直流输电系统的安全可靠运行具有重要意义。
MMC主要由大量子模块堆叠构成，子模块由IGBT与金属化膜电容器组成，一般工程应用中的MMC子模块数量为几十个甚至上百个。在长时间的功率循环过程中，IGBT内部疲劳逐渐积累，并与外部运行环境等多种因素相互作用，导致功率模块的老化。根据老化原因，可将IGBT的老化分为与封装相关的老化及与芯片相关的老化。封装相关的老化主要是由模块内部各部分接合处材料的热膨胀系数不同导致，在温度变化下接合面会产生机械应力，出现焊接疲劳或者键合线剥离等问题。芯片相关的老化机理主要为磨损机制和电气过应力，正常运行下器件内部损伤的积累和不正常运行时电流或电压冲击、静电放电、闩锁效应等会造成芯片的老化。通过对IGBT老化机理进行深入研究，有助于IGBT状态监测与评估技术方面的研究的开展，以评估IGBT的剩余使用寿命，对于及时更换IGBT具有重要的意义。
正常运行的MMC内部进行着众多电气量的测量，包括桥臂电流、桥臂电压、子模块电压等电气量，实现MMC的控制运行。IGBT功率器件的运行状态会影响MMC系统中相关电气量。IGBT功率器件在其老化失效的过程中产生内部结构的异常，会引起运行特性参数一定趋势的改变，现有的监测方法主要停留在离线监测和理论方面，因此不能实时的评估IGBT的剩余使用寿命及老化程度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法，该方法能够实现对监测模块化多电平换流器中IGBT的在线监测。
为达到上述目的，本发明所述的柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法包括以下步骤：
1)实时采集信号模块化多电平换流器的桥臂电流i、桥臂电压V、各个子模块的投入或切除信号G以及桥臂中各子模块的电容电压VC，再根据模块化多电平换流器的桥臂电流i、桥臂电压V、各个子模块的投入或切除信号G及桥臂中子模块的电容电压VC计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE；
2)将模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE与正常情况下IGBT通态电阻RCE0进行对比，计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A，再根据模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A评估模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的剩余使用寿命及老化程度，完成柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测。
模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A的表达式为：
Figure BDA0001513361110000031
当A越小，则说明对应IGBT的剩余使用寿命越长，且对应IGBT的老化程度越小。
当A大于等于15％，则说明对应的IGBT已经老化，且需要进行更换。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法在具体操作时，通过实时采集信号模块化多电平换流器的桥臂电流i、桥臂电压V、各个子模块的投入或切除信号G以及桥臂中各子模块的电容电压VC，以计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE，再根据模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A评估模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的剩余使用寿命及老化程度，从而实现对IGBT的在线监测，操作简单、方便，避免离线监测带来的各种问题，同时本发明在使用时，不影响模块化多电平换流器的正常运行，并且不需要在现有已经投入运行的柔性直流输电工程中添加传感器，监测成本较低，具有较为广阔的应用空间。
附图说明
图1为实施例一中模块化多电平换流器的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法包括以下步骤：
1)实时采集信号模块化多电平换流器的桥臂电流i、桥臂电压V、各个子模块的投入或切除信号G以及桥臂中各子模块的电容电压VC，再根据模块化多电平换流器的桥臂电流i、桥臂电压V、各个子模块的投入或切除信号G及桥臂中子模块的电容电压VC计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE；
2)将模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE与正常情况下IGBT通态电阻RCE0进行对比，计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A，再根据模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A评估模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的剩余使用寿命及老化程度，完成柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测。
模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A的表达式为：
Figure BDA0001513361110000041
当A接近0％时，则认为对应IGBT工作状态良好，剩余使用寿命较长；当A小于且接近15％时，则认为对应IGBT老化程度严重，接近老化，剩余使用寿命较短；当A等于大于15％，则认为对应IGBT已经老化，需要进行更换。
实施例一
参考图1，设模块化多电平换流器桥臂由四个子模块组成，每个子模块中包括上IGBT及下IGBT，模块化多电平换流器桥臂的桥臂电压为V，各子模块的电容电压分别为VC1、VC2、VC3及VC4；各IGBT的通态电阻分别为RCE1、RCE2、RCE3、RCE4、RCE5、RCE6、RCE7及RCE8，各子模块中两个二极管的通态电阻分别为RD1、RD2、RD3、RD4、RD5、RD6、RD7及RD8，各IGBT的投入或切除信号依次为G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7及G8；
第k个IGBT的投入或切除信号为Gk，Gk表达式为：
Figure BDA0001513361110000051
各子模块中两个IGBT互补导通，每个子模块在正常运行过程中有四种状态，即当上IGBT导通，下IGBT关断时，电流流经与上IGBT相连接的二极管；当上IGBT导通，下IGBT关闭，电流流经上IGBT；当上IGBT关断，下IGBT导通，电流流经与下IGBT连接的二极管；上IGBT关断，下IGBT导通，电流流经下IGBT；
图1示例中的四个子模组成的桥臂正常运行时，则有2×24＝32个运行状态，可以构建32个方程，有4×4＝16个变量。
则当电流方向与图1所示电流方向相同时，则有：
i×(RCE2+RCE4+RCE6+RCE8)+VL＝V
i×(RD1+RCE4+RCE6+RCE8)+VC1+VL＝V
i×(RCE2+RD3+RCE6+RCE8)+VC2+VL＝V
i×(RCE2+RCE4+RD5+RCE8)+VC3+VL＝V
i×(RCE2+RCE4+RCE6+RD7)+VC4+VL＝V
i×(RD1+RD3+RCE6+RCE8)+VC1+VC2+VL＝V
i×(RD1+RCE4+RD5+RCE8)+VC1+VC3+VL＝V
i×(RD1+RCE4+RCE6+RD7)+VC1+VC4+VL＝V
i×(RCE2+RD3+RD5+RCE8)+VC2+VC3+VL＝V
i×(RCE2+RD3+RCE6+RD7)+VC2+VC4+VL＝V
i×(RCE2+RCE4+RD5+RD7)+VC3+VC4+VL＝V
i×(RD1+RD3+RD5+RCE8)+VC1+VC2+VC3+VL＝V
i×(RD1+RD3+RCE6+RD7)+VC1+VC2+VC4+VL＝V
i×(RD1+RCE4+RD5+RD7)+VC1+VC3+VC4+VL＝V
i×(RCE2+RD3+RD5+RD7)+VC2+VC3+VC4+VL＝V
i×(RD1+RD3+RD5+RD7)+VC1+VC2+VC3+VC4+VL＝V
当电流方向与图1所示电流方向相反时，则有16个方程，即
i×(RD2+RD4+RD6+RD8)+VL＝V
i×(RCE1+RD4+RD6+RD8)+VC1+VL＝V
i×(RD2+RCE3+RD6+RD8)+VC2+VL V
i×(RD2+RD4+RCE5+RD8)+VC3+VL＝V
i×(RD2+RD4+RD6+RCE7)+VC4+VL＝V
i×(RCE1+RCE3+RD6+RD8)+VC1+VC2+VL＝V
i×(RCE1+RD4+RCE5+RD8)+VC1+VC3+VL＝V
i×(RCE1+RD4+RD6+RCE7)+VC1+VC4+VL＝V
i×(RD2+RCE3+RCE5+RD8)+VC2+VC3+VL＝V
i×(RD2+RCE3+RD6+RCE7)+VC2+VC4+VL＝V
i×(RD2+RD4+RCE5+RCE7)+VC3+VC4+VL＝V
i×(RCE1+RCE3+RCE5+RD8)+VC1+VC2+VC3+VL＝V
i×(RCE1+RCE3+RD6+RCE7)+VC1+VC2+VC4+VL＝V
i×(RCE1+RD4+RCE5+RCE7)+VC1+VC3+VC4+VL＝V
i×(RD2+RCE3+RCE5+RCE7)+VC2+VC3+VC4+VL＝V
i×(RCE1+RCE3+RCE5+RCE7)+VC1+VC2+VC3+VC4+VL＝V
设桥臂电流id方向逻辑表达式为：
Figure BDA0001513361110000071
则上述32个方程改写为：
当id＝1时，则有
G1·(RD1+VC1/i)+G2·RCE2+G3·(RD3+VC2/i)+G4·RCE4+G5·(RD5+VC3/i)
+G6·RCE6+G7·(RD7+VC4/i)+G8·RCE8＝(V-VL)/i (3)
当id＝0时，则有
G1·(RCE1+VC1/i)+G2·RD2+G3·(RCE3+VC2/i)+G4·RD4+G5·(RCE5+VC3/i
)+G6·RD6+G7·(RCE7+VC4/i)+G8·RD8＝(V-VL)/i (4)
得八个IGBT的通态电阻RCE1～RCE8。
然后根据八个IGBT的通态电阻RCE1～RCE8的增大百分比A评估模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的剩余使用寿命及老化程度。

Claims (4)

1.一种柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)实时采集信号模块化多电平换流器的桥臂电流i、桥臂电压V、各个子模块的投入或切除信号G以及桥臂中各子模块的电容电压VC，再根据模块化多电平换流器的桥臂电流i、桥臂电压V、各个子模块的投入或切除信号G及桥臂中子模块的电容电压VC计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE；
2)将模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的通态电阻RCE与正常情况下IGBT通态电阻RCE0进行对比，计算模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A，再根据模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A评估模块化多电平换流器桥臂中各IGBT的剩余使用寿命及老化程度，完成柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测；
设模块化多电平换流器桥臂由四个子模块组成，每个子模块中包括上IGBT及下IGBT，模块化多电平换流器桥臂的桥臂电压为V，各子模块的电容电压分别为VC1、VC2、VC3及VC4；各IGBT的通态电阻分别为RCE1、RCE2、RCE3、RCE4、RCE5、RCE6、RCE7及RCE8，各子模块中两个二极管的通态电阻分别为RD1、RD2、RD3、RD4、RD5、RD6、RD7及RD8，各IGBT的投入或切除信号依次为G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7及G8；
第k个IGBT的投入或切除信号为Gk，Gk表达式为：
Figure FDA0002393013510000011
各子模块中两个IGBT互补导通，每个子模块在正常运行过程中有四种状态，即上IGBT导通，下IGBT关断时，电流流经与上IGBT相并联的二极管；上IGBT导通，下IGBT关闭，电流流经上IGBT；上IGBT关断，下IGBT导通，电流流经与下IGBT相并联的二极管；上IGBT关断，下IGBT导通，电流流经下IGBT；
当四个子模组成的桥臂正常运行时，则有2×24＝32个运行状态，可以构建32个方程，有4×4＝16个变量；
当桥臂电流给电容器充电时，有：
i×(RCE2+RCE4+RCE6+RCE8)+VL＝V
i×(RD1+RCE4+RCE6+RCE8)+VC1+VL＝V
i×(RCE2+RD3+RCE6+RCE8)+VC2+VL＝V
i×(RCE2+RCE4+RD5+RCE8)+VC3+VL＝V
i×(RCE2+RCE4+RCE6+RD7)+VC4+VL＝V
i×(RD1+RD3+RCE6+RCE8)+VC1+VC2+VL＝V
i×(RD1+RCE4+RD5+RCE8)+VC1+VC3+VL＝V
i×(RD1+RCE4+RCE6+RD7)+VC1+VC4+VL＝V
i×(RCE2+RD3+RD5+RCE8)+VC2+VC3+VL＝V
i×(RCE2+RD3+RCE6+RD7)+VC2+VC4+VL＝V
i×(RCE2+RCE4+RD5+RD7)+VC3+VC4+VL＝V
i×(RD1+RD3+RD5+RCE8)+VC1+VC2+VC3+VL＝V
i×(RD1+RD3+RCE6+RD7)+VC1+VC2+VC4+VL＝V
i×(RD1+RCE4+RD5+RD7)+VC1+VC3+VC4+VL＝V
i×(RCE2+RD3+RD5+RD7)+VC2+VC3+VC4+VL＝V
i×(RD1+RD3+RD5+RD7)+VC1+VC2+VC3+VC4+VL＝V
当桥臂电流使电容器放电时，有另外16个方程，即
i×(RD2+RD4+RD6+RD8)+VL＝V
i×(RCE1+RD4+RD6+RD8)+VC1+VL＝V
i×(RD2+RCE3+RD6+RD8)+VC2+VL V
i×(RD2+RD4+RCE5+RD8)+VC3+VL＝V
i×(RD2+RD4+RD6+RCE7)+VC4+VL＝V
i×(RCE1+RCE3+RD6+RD8)+VC1+VC2+VL＝V
i×(RCE1+RD4+RCE5+RD8)+VC1+VC3+VL＝V
i×(RCE1+RD4+RD6+RCE7)+VC1+VC4+VL＝V
i×(RD2+RCE3+RCE5+RD8)+VC2+VC3+VL＝V
i×(RD2+RCE3+RD6+RCE7)+VC2+VC4+VL＝V
i×(RD2+RD4+RCE5+RCE7)+VC3+VC4+VL＝V
i×(RCE1+RCE3+RCE5+RD8)+VC1+VC2+VC3+VL＝V
i×(RCE1+RCE3+RD6+RCE7)+VC1+VC2+VC4+VL＝V
i×(RCE1+RD4+RCE5+RCE7)+VC1+VC3+VC4+VL＝V
i×(RD2+RCE3+RCE5+RCE7)+VC2+VC3+VC4+VL＝V
i×(RCE1+RCE3+RCE5+RCE7)+VC1+VC2+VC3+VC4+VL＝V
其中i和VL均为负值。
设桥臂电流id方向逻辑表达式为：
Figure FDA0002393013510000031
则上述32个方程改写为：
当id＝1时，则有
G1·(RD1+VC1/i)+G2·RCE2+G3·(RD3+VC2/i)+G4·RCE4+G5·(RD5+VC3/i)+G6·RCE6+G7·(RD7+VC4/i)+G8·RCE8＝(V-VL)/i (3)
当id＝0时，则有
G1·(RCE1+VC1/i)+G2·RD2+G3·(RCE3+VC2/i)+G4·RD4+G5·(RCE5+VC3/i)+G6·RD6+G7·(RCE7+VC4/i)+G8·RD8＝(V-VL)/i (4)
解方程组(3)可得八个IGBT的通态电阻RCE2，RCE4，RCE6和RCE8；
解方程组(4)可得八个IGBT的通态电阻RCE1，RCE3，RCE5和RCE7。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法，其特征在于，模块化多电平换流器桥臂中各IGBT通态电阻RCE的增大百分比A的表达式为：
Figure FDA0002393013510000041
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法，其特征在于，当A越小，则说明对应IGBT的剩余使用寿命越长，且对应IGBT的老化程度越小。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电模块化多电平换流器子模块IGBT的在线监测方法，其特征在于，当A大于等于15％，则说明对应的IGBT已经老化，且需要进行更换。
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