CN109921614B - 一种基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法，所述方法包括以下步骤：利用特征量I_{1m_i}对一个桥臂上所有子模块的电容容值进行间接排序、利用特征量K_i对一个桥臂上所有子模块的ESR基频分量进行间接排序、对一个桥臂上最大的等效串联电阻值进行测量、对一个桥臂上最小的电容容值进行测量。该方法通过寻找两个特征量，对一个桥臂上所有电容的C与ESR分别进行间接的排序，只对桥臂上最小的C所对应的子模块与最大的ESR所对应的子模块进行电容状态监测，从而保证有效监测桥臂上的失效电容，同时又能简化监测算法。

Description

一种基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法

技术领域

本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，具体涉及一种基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法。

背景技术

相对于传统的两电平和三电平换流器，模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)具有效率高、输出交流电压谐波小、高度模块化等特点，更适用于高电压、大功率的应用场合，在柔性直流输电、中压电机驱动等领域具有广阔的前景。

MMC的可靠运行是该技术研究的关键之一，MMC的故障来源主要包括功率半导体器件故障、电容故障、布线及终端故障以及其他故障。MMC通常包含大量的模块，其中，电容故障占比30％，是MMC故障的主要来源之一。电容故障包括结构性故障和参数性故障，但主要表现为参数性故障。由于电容的引出电极经受长时间大电流的充、放电冲击，出现不同程度的氧化现象，电容的瞬态充、放电电流值大为降低，使电容储电能力下降，电容参数发生变化；另外，伴随着电容运行频率、周围环境温度的变化，电容参数亦会发生一定程度的变化。

在实际MMC应用中，电解电容由于其容量大、成本低、不易短路等特点，在微电网和电机驱动等领域依然有着较多应用。电解电容通常可以看作是一个理想电容(Capacitance，C)串联一个等效串联电阻(Equivalent Series Resistor，ESR)。通常，当电解电容参数变化超过一个范围(如C下降为额定值的80％或者ESR上升为额定值的两倍时)，则判定该电解电容失效，需要对其进行及时更换。如果不能及时监测电容参数的变化，对失效电容进行更换，不仅会影响电容自身的运行性能，而且会影响其他电气元器件的可靠运行，降低MMC整体运行性能，甚至造成MMC系统故障。目前已有的研究均将电容视为理想元件而忽略了ESR的存在，而通常电解电容中的ESR达到mF级别，不可忽略。而且，ESR的上升通常比C的下降更为明显，故通过监测ESR的上升能够更及时地检测出失效电容，并对其进行更换，以保证MMC系统的可靠运行。

发明内容

本发明正是针对以上问题，提出一种模块化多电平换流器电容状态监测方法，包括对电容ESR以及C同时进行监测。该方法通过寻找两个特征量，对一个桥臂上所有电容的C与ESR分别进行间接的排序，只对桥臂上最小的C所对应的子模块与最大的ESR所对应的子模块进行电容状态监测，从而保证有效监测桥臂上的失效电容，同时又能简化监测算法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：利用特征量I_{1m_i}对一个桥臂上所有子模块的电容容值进行间接排序、利用特征量K_i对一个桥臂上所有子模块的ESR基频分量进行间接排序、对一个桥臂上最大的等效串联电阻值进行测量、对一个桥臂上最小的电容容值进行测量，具体步骤如下，

(1)采集所需数据，采集桥臂电流i_arm，桥臂上各个子模块的电容电压u_ci以及开关函数S_i；

(2)对桥臂电容容值进行监测，并判别监测值是否达到失效标准(通常电容值下降20％则判定失效)；

(3)对桥臂电容等效串联电阻值进行监测，并判别监测值是否达到失效标准(通常等效串联电阻值上升到初始值的两倍则判定失效)；

(4)若达到失效标准，则对相应的电容进行更换，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始监测过程；否则，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始监测过程。

作为本发明的一种改进，所述步骤(2)所述桥臂电容容值监测，具体如下，首先，根据CVC(Characteristic Variables Calculation)模块计算各个子模块的特征变量I_{1m_i}。其次，对I_{1m_i}(i＝1,2,…,n)进行排序，寻找其最小值所对应的子模块，记为SM_C；利用特征量I_{1m_i}对桥臂上所有子模块电容容值进行排序，I_{1m_i}是桥臂上第i个子模块电容电流i_ci的基频分量幅值，其值随着电容容值的减小而减小，即I_{1m_i}最小值所对应的子模块，其电容容值也最小；最后，对SM_C进行电容状态监测，利用传统电容容值测量方法

测量其电容容值，并判断该值是否达到失效标准，通常认为C低于初始值的80％电解电容失效。

作为本发明的一种改进，所述步骤(3)桥臂电容等效串联电阻值监测，具体如下，首先，根据CVC模块计算各个子模块的特征变量K_i，其次，对K_i(i＝1,2,…,n)进行排序，寻找其最大值所对应的子模块，记为SM_ESR，利用特征量K_i对桥臂上所有子模块电容等效串联电阻值排序，特征量K_i随着等效串联电阻值的增大而增大，即K_i最大值所对应的子模块，其等效串联电阻值也最大；最后，对SM_ESR进行电容状态监测，利用传统等效串联电阻值测量方法测量其ESR，并判断该值是否达到失效标准，通常认为ESR达到初始值的两倍电解电容失效。

作为本发明的一种改进，所述步骤(2)及步骤(3)中的CVC模块，其功能为计算各个子模块的特征变量I_{1m_i}以及K_i，根据桥臂电流以及开关函数S_i得到桥臂上第i个子模块的电容电流，根据电容电流计算其基波幅值I_{1m_i}；根据桥臂电流、各子模块电容电压以及开关函数计算各个子模块的特征变量K_i。

作为本发明的一种改进，所述特征量K_i通过

计算得到，其中，W_i为一个基波周期内第i个子模块的电容能量变化量，本发明尤其适用于子模块数目众多的MMC系统，与传统的电容状态监测方法相比，其能显著减小电容状态监测算法的计算量。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、该算法同时监测电容的ESR和C，实用价值高；

电解电容由于其容量大、成本低等特点，仍然广泛应用于MMC的一些领域，比如电机驱动，微电网等。随着电解电容老化，ESR上升，C下降，通常当ESR或者C一方达到失效标准，则判定电容失效。实际上，ESR上升的速度要比C下降的速度快得多。当ESR达到失效标准而C尚未达到失效标准时，现有的状态监测算法无法判别出电容失效。而本发明不仅监测了桥臂上的电容容值C，还监测了桥臂上电容的ESR，可以更准确、更及时地判别出失效电容。另外，现有的MMC电容状态监测算法将电容视为理想电容，本发明考虑到了电容中等效串联电阻的存在，更具有实际意义，这也是本发明与现有MMC电容状态监测算法的本质区别。

2、该算法简单，计算量小，易于理解和实施：

MMC拓扑采用级联式的结构，包含有大量电容。传统的电容监测算法需要对一个桥臂上的所有子模块电容进行状态监测，计算量极大。本发明通过特征量I_{1m_i}和K_i，对桥臂上的所有子模块电容的ESR与C分别进行间接排序，只监测一个桥臂上的最大ESR与最小C，大大减小了电容状态监测算法的计算量。

3、本发明的电容状态监测算法不需要对硬件电路做任何改动，易于理解和实施。

4、本发明的电容状态监测算法无需在系统中引入环流，不会改变系统的输出特性。

附图说明

图1是三相MMC及子模块拓扑结构图；

图2是本发明所提出的方法具体实施的流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍该技术方案。

实施方式1：本发明针对电容发生电容参数性故障的问题，提出了适用于MMC的电容状态监测方法，其中MMC拓扑结构由六个桥臂组成，如图1所示，每个桥臂上包含了n个相同的子模块(Submodule，SM)以及一个桥臂电感L_s，子模块采用半桥结构，每个子模块由两个功率开关T₁、T₂，两个二极管D₁、D₂和一个直流电容组成，电容电压平衡方法为：根据桥臂参考电压与载波比较得到一个桥臂上需要投入的子模块个数为j，对所有电容电压排序，当桥臂电流大于0，投入电容电压最低的j个子模块，当桥臂电流小于0，投入电容电压最高的j个子模块。

如图2所示，一种基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法，包括：利用特征量I_{1m_i}对一个桥臂上所有子模块的电容容值进行间接排序、利用特征量K_i对一个桥臂上所有子模块的ESR基频分量进行间接排序、对一个桥臂上最大的等效串联电阻值进行测量、对一个桥臂上最小的电容容值进行测量。具体包括以下步骤：

(1)采集桥臂电流i_arm，桥臂上各个子模块的电容电压u_ci以及开关函数S_i；

(2)桥臂电容容值监测。首先，根据CVC(Characteristic VariablesCalculation)模块计算各个子模块的特征变量I_{1m_i}。其次，对I_{1m_i}(i＝1,2,…,n)进行排序，寻找其最小值所对应的子模块，记为SM_C。最后，对SM_C进行电容状态监测，利用传统电容容值测量方法

测量其电容容值，并判断该值是否达到失效标准(通常认为C低于初始值的80％电解电容失效)。

(3)桥臂电容等效串联电阻值监测。首先，根据CVC模块计算各个子模块的特征变量K_i。其次，对K_i(i＝1,2,…,n)进行排序，寻找其最大值所对应的子模块，记为SM_ESR。最后，对SM_ESR进行电容状态监测，利用传统等效串联电阻值测量方法测量其ESR，并判断该值是否达到失效标准(通常认为ESR达到初始值的两倍电解电容失效)。

(4)若达到失效标准，则对相应的电容进行更换，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始监测过程；否则，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始监测过程。

其中，步骤2及步骤3中的CVC模块，其功能为计算各个子模块的特征变量I_{1m_i}以及K_i，其具体特征为：根据桥臂电流以及开关函数S_i得到桥臂上第i个子模块的电容电流，根据电容电流计算其基波幅值I_{1m_i}；根据桥臂电流、各子模块电容电压以及开关函数计算各个子模块的特征变量K_i。特征量K_i通过

计算得到，其中，W_i为一个基波周期内第i个子模块的电容能量变化量。

本发明尤其适用于子模块数目众多的MMC系统，与传统的电容状态监测方法相比，其能显著减小电容状态监测算法的计算量。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采集所需数据，采集桥臂电流i_arm，桥臂上各个子模块的电容电压u_ci以及开关函数S_i；

(2)对桥臂电容容值进行监测，并判别监测值是否达到失效标准(通常电容值下降20％则判定失效)；

(3)对桥臂电容等效串联电阻值进行监测，并判别监测值是否达到失效标准(通常等效串联电阻值上升到初始值的两倍则判定失效)；

(4)若达到失效标准，则对相应的电容进行更换，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始监测过程；否则，在等待一个时间间隔(如10分钟)后从步骤(1)重新开始监测过程；

所述步骤(2)桥臂电容容值监测，具体如下，首先，根据CVC(CharacteristicVariables Calculation)模块计算各个子模块的特征变量一I_{1m_i}；其次，对I_{1m_i}(i＝1,2,…,n)进行排序，寻找其最小值所对应的子模块，记为SM_C；最后，对SM_C进行电容状态监测，利用传统电容容值测量方法

测量其电容容值，并判断该值是否达到失效标准。

2.根据权利要求1所述的基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法，其特征在于，所述步骤(3)桥臂电容等效串联电阻值监测，具体如下，首先，根据CVC模块计算各个子模块的特征变量二K_i；其次，对K_i(i＝1,2,…,n)进行排序，寻找其最大值所对应的子模块，记为SM_ESR；最后，对SM_ESR进行电容状态监测，利用传统等效串联电阻值测量方法测量其ESR，并判断该值是否达到失效标准。

3.根据权利要求1所述的基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法，其特征在于，所述步骤(2)及步骤(3)中的CVC模块，其功能为计算各个子模块的特征变量一I_{1m_i}以及特征变量二K_i，根据桥臂电流以及开关函数S_i得到桥臂上第i个子模块的电容电流，特征变量一I_{1m_i}；根据桥臂电流、各子模块电容电压以及开关函数计算各个子模块的特征变量二K_i。

4.根据权利要求3所述的基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法，其特征在于，所述特征变量二K_i通过

计算得到，其中，W_i为一个基波周期内第i个子模块的电容能量变化量。

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