CN108152623B - 一种模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法，包括以下步骤：获取模块化多电平换流器中任一桥臂的第k个子模块的电容电压V_Ck及该桥臂的电流i，设该第k个子模块的投入或切除信号为S_k；2)计算所述第k个子模块的电容电流i_c，再计算所述第k个子模块的电容值C；3)计算所述第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％或剩余电容值百分比C％；4)根据计算得到的第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％或剩余电容值百分比C％评估该第k个子模块中电容器的剩余使用寿命，完成模块化多电平换流器子模块电容的在线监测，该方法能够实现对模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测。

Description

一种模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法

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，涉及一种模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法。

背景技术

基于MMC的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，是新一代高压直流输电技术。

MMC子模块由大量的IGBT与金属化聚丙烯薄膜电容器(MPPF-Caps)组成的子模块构成。电容在长期运行过程中，内部疲劳逐渐积累并有外部运行环境多种因素影响，会逐渐老化。金属化薄膜电容的老化机理主要包括自愈电介质击穿，电介质膜的热收缩导致连接不稳定，蒸发金属氧化引起的电极面积减少，电介质膜击穿等。MPPF-Caps的最重要的可靠性是其自愈能力，在MPPF-Cap中局部弱点处的初始介质击穿造成的损伤将被清除，电容器恢复其全部能力，除了可忽略的电容值的减小。随着这些孤立的弱点的增加，电容器的电容值逐渐减小，最终到达寿命的终结。

电容老化会造成电容值的减小和等效串联电阻(Equivalent SeriesResistance，ESR)的增大，当电容值或ESR达到了阈值，会出现电容降解速度明显加快或者系统不能正常工作的情况。根据电容值或ESR变化程度，能够分析电容老化程度和寿命估计，判断电容是否失效。根据其老化机理，研究提出MPPF-Caps的电容值是监测电容器老化程度的特性参数，并提出电容值衰减5％为此种电容失效的标准。此外，MPPF-Caps本身具有非常小的ESR，并且在老化过程中其ESR增大不明显，使得ESR这一特性参数不合适作为MPPF-Caps老化的监测参量。

针对电容老化的监测，现有研究提出三类主要监测方法，分别为基于电容纹波电流、基于电路模型和基于数据和高级算法的方法，其对硬件的依赖性依次降低，同时对软件的依赖性依次升高。现有的监测方法主要停留在离线监测和理论方面，实现高压系统中在线监测的实际应用，有待更深入的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法，该方法能够实现对模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测。

为达到上述目的，本发明所述的模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法包括以下步骤：

1)获取模块化多电平换流器中任一桥臂的第k个子模块的电容电压V_Ck及该桥臂的电流i，设该第k个子模块的投入或切除信号为S_k；当该第k个子模块投入时，S_k＝1；当该第k个子模块切除时，S_k＝0；

2)根据所述桥臂的电流i及第k个子模块的投入或切除信号S_k计算所述第k个子模块的电容电流i_c，再根据所述第k个子模块的电容电流i_c及第k个子模块的电容电压V_Ck计算所述第k个子模块的电容值C；

3)设所述第k个子模块中电容器的电容额定值为C₀，根据所述第k个子模块的电容值C及第k个子模块中电容器的电容额定值C₀计算所述第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％或剩余电容值百分比C％；

4)根据步骤3)计算得到的第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％或剩余电容值百分比C％评估该第k个子模块中电容器的剩余使用寿命，完成模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测。

步骤1)中S_k的表达式为：

步骤2)中第k个子模块的电容电流i_c为：

i_c＝i×S_k (2)。

步骤2)中第k个子模块的电容值C为：

步骤3)中第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％为：

步骤3)中第k个子模块中电容器的剩余电容值百分比C％为：

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法在具体操作时，通过获取模块化多电平换流器中任一桥臂的第k个子模块的电容电压V_Ck及该桥臂的电流i，以计算第k个子模块的电容值C，再根据第k个子模块的电容值C计算第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％或剩余电容值百分比C％，以判断所述第k个子模块中电容器的剩余使用寿命，从而实现模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测，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，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。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法包括以下步骤：

1)获取模块化多电平换流器中任一桥臂的第k个子模块的电容电压V_Ck及该桥臂的电流i，设该第k个子模块的投入或切除信号为S_k；当该第k个子模块投入时，S_k＝1；当该第k个子模块切除时，S_k＝0；

2)根据所述桥臂的电流i及第k个子模块的投入或切除信号S_k计算所述第k个子模块的电容电流i_c，再根据所述第k个子模块的电容电流i_c及第k个子模块的电容电压V_Ck计算所述第k个子模块的电容值C；

3)设所述第k个子模块中电容器的电容额定值为C₀，根据所述第k个子模块的电容值C及第k个子模块中电容器的电容额定值C₀计算所述第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％或剩余电容值百分比C％；

4)根据步骤3)计算得到的第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％或剩余电容值百分比C％评估该第k个子模块中电容器的剩余使用寿命，完成模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测。

步骤1)中S_k的表达式为：

步骤2)中第k个子模块的电容电流i_c为：

i_c＝i×S_k (2)。

步骤2)中第k个子模块的电容值C为：

步骤3)中第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％为：

步骤3)中第k个子模块中电容器的剩余电容值百分比C％为：

当第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％接近0％，则认为该电容器的工作状态良好，剩余使用寿命较长；当第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％接近5％，则认为该电容器的老化程度严重，剩余使用寿命较少；第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比ΔC％大于5％，则认为电容器已经失效，需要进行更换。

当第k个子模块中电容器的剩余电容值百分比C％接近100％，表明该电容器的工作状态良好，剩余使用寿命较长；当第k个子模块中电容器的剩余电容值百分比C％略高于95％，则认为该电容器老化程度严重，剩余使用寿命较少；当第k个子模块中电容器的剩余电容值百分比C％低于95％，则认为该电容器已经失效，需要进行更换。

Claims (3)

1.一种模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取模块化多电平换流器中任一桥臂的第k个子模块的电容电压V_Ck及该桥臂的电流i，设该第k个子模块的投入或切除信号为S_k；当该第k个子模块投入时，S_k＝1；当该第k个子模块切除时，S_k＝0；

2)根据所述桥臂的电流i及第k个子模块的投入或切除信号S_k计算所述第k个子模块的电容电流i_c，再根据所述第k个子模块的电容电流i_c及第k个子模块的电容电压V_Ck计算所述第k个子模块的电容值C；

3)设所述第k个子模块中电容器的电容额定值为C₀，根据所述第k个子模块的电容值C及第k个子模块中电容器的电容额定值C₀计算所述第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比△C％或剩余电容值百分比C％；

4)根据步骤3)计算得到的第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比△C％或剩余电容值百分比C％评估该第k个子模块中电容器的剩余使用寿命，完成模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测；

步骤2)中第k个子模块的电容电流i_c为：

i_c＝i×S_k (2)

步骤2)中第k个子模块的电容值C为：

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法，其特征在于，步骤3)中第k个子模块中电容器的电容值衰减百分比△C％为：

3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块电容器的在线监测方法，其特征在于，步骤3)中第k个子模块中电容器的剩余电容值百分比C％为：