CN110749797A - 一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法，通过桥臂数据实时分析单元计算功率模块的电容容值；后台数据库识别某一类数据异常；1)计算该类数据的平均值和标准差，对于偏离数据平均值超过指定倍数标准差的功率模块，认定是异常模块；2)对一个桥臂的所有功率模块的电容容值及光纤通讯误码率等参数，在一个桥臂内进行相互统计比较，找出异常模块；3)对某一个的功率模块的电容容值及光纤通讯误码率等参数，在一个时间范围内进行统计分析，如果发现与时间显著相关，则说明功率模块状态异常；可以通过综合检测各功率模块电容容值及通讯光纤误码率等参数来提前发现功率模块的恶化。

Description

一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法。

背景技术

柔性直流输电具有输出谐波小、功率因数快速可控、没有接入系统短路比限制等优点，近年来在输电领域得到了大量应用。其中，模块化多电平变流器是实现柔性直流输电系统的主要方法之一。模块化多电平拓扑中，一个桥臂由多个功率模块串联而成。为了提高系统可靠性，柔直换流阀桥臂中一般会包括一定比例的冗余功率模块，当桥臂中任何一个或几个功率模块如果出现故障，将闭合对应功率模块中的旁路开关，使得功率模块的输出两端短路，从而不影响桥臂的整体运行。只要桥臂中故障的功率模块在冗余范围内，整个换流阀可以正常运行，从而保障了系统的可靠性。

现有的柔直系统的阀控装置中，实现了对所有功率模块的重要电气量的实时监测，可以在阀控上位机界面上随时观测到当前任意一个功率模块的开关状态、电容电压、以及被旁路功率模块的故障原因等。然而，对于现场操作人员来说，实际上不可能从阀控界面所显示的电气量中发现柔直阀的健康状态异常：所有没有被旁路的模块都正常显示其电压电流情况，而一旦发生故障，功率模块就立刻被旁路了，所以操作人员只能被动地观测换流阀的运行状态。而且实际换流阀中往往包括上千个功率模块，现场操作人员很难有耐心去不停地依次观测所有功率模块的电压电流状态。

由此可见，需要依据平时的运行数据，建立一套换流阀的自动健康状态监控系统，实时监控换流阀的可能故障情况，当可能出现健康问题的功率模块接近冗余极限时，提前进行预警和计划检修，以提高系统的可靠性。

在换流阀计划检修的时候，通常工期很紧，目前的做法是对所有功率模块依次通电进行功能测试、发脉冲测试、旁路测试，工作量很大而且检测不彻底。这需要系统根据平时的运行数据，找出可能有异常的功率单元，让维护人员对其进行详细测试，降低后续运行的隐患。

发明内容

基于我们长期大功率电力电子设备运行的经验和内部总结，大功率电力电子设备所采用的电容一般为薄膜电容，具有自愈的特性。也就是说，当电容因为过压、过热等原因造成局部损坏时，损坏点附近击穿后会局部烧毁，造成电容的容值衰减，但电容依然能够正常工作。本发明提出的一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法，可以通过综合检测各功率模块电容容值及通讯光纤误码率等参数来提前发现功率模块的恶化。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法，包括如下：

步骤一、通过桥臂数据实时分析单元计算功率模块的电容容值；

步骤二、后台数据库识别某一类数据异常；

后台数据库识别某一类数据异常的方法包括以下几种：

1)计算该类数据的平均值和标准差，对于偏离数据平均值超过指定倍数标准差的功率模块，认定是异常模块；

2)对一个桥臂的所有功率模块的电容容值及光纤通讯误码率等参数，在一个桥臂内进行相互统计比较，找出异常模块；

3)对某一个的功率模块的电容容值及光纤通讯误码率等参数，在一个时间范围内进行统计分析，如果发现与时间显著相关，则说明功率模块状态异常；

4)指定特定的时间区间，选择该时间区间中各功率模块的所有数据，按照功率模块编号进行分组；然后用单因素方差分析法找出数据异常的小组，其对应功率模块为异常模块。

进一步地，一种桥臂数据实时分析单元计算功率模块的电容容值的方法是：

从接受到的实时数据中，寻找功率模块被切除的两个时刻t₁、t₂；

计算在t₁、t₂时刻的电容电压采样平均值V_t1、V_t2之差ΔV_t1-t2＝V_t2-V_t1；

计算从t₁到t₂时刻的桥臂电流i_b积分

计算电容容值

进一步地，另一种桥臂数据实时分析单元计算功率模块的电容容值的方法是：

从接受到的实时数据中，寻找功率模块被切除的两个时刻t₁、t₂；

计算在t₁、t₂时刻的电容电压采样平均值V_t1、V_t2之差ΔV_t1-t2＝V_t2-V_t1；

计算从t₁到t₂时刻的桥臂电流i_b积分

统计一段时间的ΔV和Δi数据，用最小二乘法估计电容容值

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法，是基于我们长期大功率电力电子设备运行的经验和内部总结，大功率电力电子设备所采用的电容一般为薄膜电容，具有自愈的特性。也就是说，当电容因为过压、过热等原因造成局部损坏时，损坏点附近击穿后会局部烧毁，造成电容的容值衰减，但电容依然能够正常工作。本发明可以通过综合检测各功率模块电容容值及通讯光纤误码率等参数来提前发现功率模块的恶化。

附图说明

图1为一种典型的全桥功率模块拓扑；

图2为一种典型的半桥功率模块拓扑；

图3为本发明的一种硬件结构的实现方式；

图4为换流阀运行过程中典型的功率模块电流和功率模块电容电压的波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

柔直换流阀一般包括6个桥臂，每个桥臂中包括大量的功率模块，其中有全桥功率模块，如图1所示，和半桥功率模块，如图2所示。为了保证换流阀的可靠性，本发明的健康状态监控系统对每个功率模块进行健康状态监测，依靠各功率模块的特征参数相互进行统计比较、对功率模块的特征参数进行时间相关性分析，找到其中健康状态异常的功率模块，从而可以进行有针对性的检修和维护，提高系统可靠性。本发明的换流阀健康状态监控系统，如图3所示，包括桥臂数据实时分析单元、后台数据库。每一个桥臂数据实时分析单元对应着一个桥臂，它通过光纤通讯从阀控接受该桥臂的所有功率模块的实时数据，具体数据包括：桥臂电流、各功率模块的电容电压、各功率模块的开关状态、各功率模块的电容电压采样结果、各功率模块的通讯误码率。

在此基础上数据实时分析单元对一个桥臂中的所有功率模块，实时计算：模块直流电容的容值，并和通讯误码率合并后，通过现场总线，上送后台数据库。

柔直系统运行过程中，典型的功率模块电流和功率模块电容电压如图4所示。当功率模块处于投入状态时，功率模块的电容电流等于桥臂电流，功率模块的电容电压随着电流而变化，如图4中s1、s2所示；而当功率模块处于切除状态时，功率模块电容电流为0，电容电压保持恒定不变，如图4中t1、t2、t3所示。考虑到柔直换流阀运行中，电磁环境恶劣干扰很大，电容电压的采样误差很大，因此在电容电压保持恒定的阶段，对一段时间的电容电压采样值进行平均，才能得到这段时间的准确电压。设在t1时刻的电容电压平均值为V_t1，t2时刻的电容电压平均值为V_t2，因此首先计算在t1、t2时刻的电容电压采样平均值V_t1、V_t2之差：

ΔV_s1＝ΔV_t1-t2＝V_t2-V_t1

然后计算从t1到t2时刻的桥臂电流i_b积分

根据电容的特性，可以计算电容容值

考虑到基于一个短时间采样结果计算出的电容容值误差较大，不容易在此基础上发现轻微的功率模块健康状态恶化，因此也可以基于多个电容投入状态的采样值进行计算：

首先按照上述方法:

计算电容投入区间s1的电容电压采样平均值之差ΔV_s1，桥臂电流积分Δi_s1

计算电容投入区间s2的电容电压采样平均值之差ΔV_s2，桥臂电流积分Δi_s2

……

计算电容投入区间sn的电容电压采样平均值之差ΔV_sn，桥臂电流积分Δi_sn

……

然后可以依靠最小二乘法，计算电容的容值为：

另外，本发明中还可以综合考虑功率器件的结温：

为了在功率模块实时数据的基础上计算其中功率器件的结温，首先需要建立其中功率器件的损耗模型，一般采用双脉冲试验方法测试不同电流下的IGBT开关损耗、二极管开关损耗，然后依靠IGBT和二极管器件手册上的管压降—电流曲线得到器件的通态损耗。

在功率模块实际运行过程中：

首先统计一段时间内的IGBT和二极管开关次数，依据每次开通和关断时的桥臂电流值，从上述双脉冲试验结果中插值求出其开关损耗

然后统计这段时间IGBT开通时的桥臂电流和对应的IGBG管压降，然后计算出这段时间的IGBT通态损耗

然后统计这段时间二极管开通时的桥臂电流和对应的二极管压降，然后计算出这段时间的二极管通态损耗

最后将这段时间的IGBT开关损耗、二极管开关损耗、IGBT通态损耗、二极管通态损耗累加，得到这段时间的总损耗，以及这段时间的IGBT损耗功率随时间变化曲线P_IGBT(t)和二极管损耗功率随时间变化曲线P_D(t)

在此基础上，依靠IGBT的热路模型，和二极管的热路模型，可以计算出IGBT的结温T_IGBT和二极管的结温T_D：

设IGBT热路模型的冲击响应为H_IGBT(t)，二极管热路模型的冲击响应为H_D(t)：

T_IGBT(t)＝P_IGBT(t)*H_IGBT(t)

T_D(t)＝P_D(t)*H_D(t)

上式中，“*”代表卷积。

在此基础上数据实时分析单元对一个桥臂中的所有功率模块的模块直流电容的容值，模块中所有功率器件的结温，并和通讯误码率合并后，通过现场总线，上送后台数据库。健康状态监控系统的后台数据库记录桥臂数据实时分析单元上传的电容容值、功率器件结温、光纤通讯误码率数据，并通过统计方法识别数据异常的功率模块，用于现场报警和状态检修。

为了从这些数据中分辨出故障或者可能有健康问题的功率模块，考虑到实际换流阀运行状态千变万化，比如系统的有功功率、无功功率、进水水温、阀厅温度、桥臂中限流电抗的大小、不同阀控硬件的控制延时不同等，通常难以用统一的阈值来表示。比如，对某个轻载的换流阀来说，结温达到80°的功率模块是异常功率模块；而对某个重载运行在夏天高环境温度下的换流阀来说，各功率模块的平均结温可能是95°。考虑到模块化多电平拓扑的特点，本发明采用统计对比的方法，识别健康状态异常的功率模块，具体如下：

如上表所示，考虑到各个健康状态特征的特性不同，对功率器件的结温和损耗，应该在单个桥臂内部进行统计分析比较；功率模块电容的容值、通讯光纤的通讯误码率则应该在整个换流阀内部进行统计比较，也可以将其历史数据拿出来，检测电容容值、通讯误码率有没有随着时间而明显变化，从而可以找出健康状态异常的功率模块。

对功率器件结温来说，它反映了功率模块内部功率器件的损耗和水冷情况，所以与桥臂的当前电流和调制度有关。因此，对同一个桥臂来说，各功率模块的电流完全相同，调制度基本相似，它们的功率器件结温也应该类似。通过统计方法，找出功率器件结温异常的功率模块，通常表明了它的健康状态异常。值得注意的是，由于功率器件结温与当前的桥臂电流和调制度有关，因此跨越桥臂在整个换流阀内部进行统计比较就没有意义了，因为在系统不平衡运行期间，各桥臂的电流和调制度可能差别很大。当然，对功率模块来说，将功率器件结温的历史曲线拿出来，看功率器件结温有没有明显的时间相关性，就更没有意义了，因为换流阀的运行工况随时间而变。

在对一组数据，比如某个桥臂在某一时刻的所有功率模块的功率器件结温进行统计分析时，可以采用计算出其整体平均值和标准差，并规定与平均值差异大于特定倍数(典型为3-4倍)标准差的数据为异常数据。上述对一个桥臂内的功率器件损耗、结温进行统计分析、对换流阀中的所有功率模块的电容容值进行统计分析、对换流阀中所有功率模块的通讯误码率进行统计分析时，可以采用这种方法。

对多组数据，比如在一个星期中，每个功率模块都可以得到一组器件损耗随时间变化的数据，一个桥臂上就有了数百组数据，可以采用简单的t检验、或者复杂一点的单因素方差分析找出异常的功率模块。上述对一个桥臂在一段时间内的功率器件损耗、结温曲线进行统计分析可以采用这种方法。

而对一组历史数据，比如电容容值在最近一年的变化数据，可以采用回归分析判断电容容值是否明显随着时间而变化，所有电容容值明显随着时间而变化的功率模块属于健康状态异常。上述对某一个功率模块的电容容值、某一个功率模块的光纤通讯误码率进行时间相关性分析，可以采用这种方法。如果某个功率模块的电容容值或光纤通讯误码率明显随时间而变化，说明该功率模块健康状态恶化了。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (3)

1.一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法，其特征在于：

步骤一、通过桥臂数据实时分析单元计算功率模块的电容容值；

步骤二、后台数据库识别某一类数据异常；

后台数据库识别某一类数据异常的方法包括以下几种：

1)计算该类数据的平均值和标准差，对于偏离数据平均值超过指定倍数标准差的功率模块，认定是异常模块；

2)对一个桥臂的所有功率模块的电容容值及光纤通讯误码率等参数，在一个桥臂内进行相互统计比较，找出异常模块；

3)对某一个的功率模块的电容容值及光纤通讯误码率等参数，在一个时间范围内进行统计分析，如果发现与时间显著相关，则说明功率模块状态异常；

4)指定特定的时间区间，选择该时间区间中各功率模块的所有数据，按照功率模块编号进行分组；然后用单因素方差分析法找出数据异常的小组，其对应功率模块为异常模块。

2.根据权利要求1所述的一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法，其特征在于：

桥臂数据实时分析单元计算功率模块的电容容值的方法是：

从接受到的实时数据中，寻找功率模块被切除的两个时刻t₁、t₂；

计算在t₁、t₂时刻的电容电压采样平均值V_t1、V_t2之差ΔV_t1-t2＝V_t2-V_t1；

计算从t₁到t₂时刻的桥臂电流i_b积分

计算电容容值

3.根据权利要求1所述的一种通过电容状态判断换流阀功率模块异常的方法，其特征在于：

桥臂数据实时分析单元计算功率模块的电容容值的方法是：

从接受到的实时数据中，寻找功率模块被切除的两个时刻t₁、t₂；

设在t1时刻的电容电压平均值为V_t1，t2时刻的电容电压平均值为V_t2，因此首先计算在t1、t2时刻的电容电压采样平均值V_t1、V_t2之差：

ΔV_s1＝ΔV_t1-t2＝V_t2-V_t1

然后计算从t1到t2时刻的桥臂电流i_b积分

考虑到基于一个短时间采样结果计算出的电容容值误差较大，不容易在此基础上发现轻微的功率模块健康状态恶化，因此也可以基于多个电容投入状态的采样值进行计算：

首先按照上述方法统计一段时间的ΔV和Δi数据，如下：

计算电容投入区间s1的电容电压采样平均值之差ΔV_s1，桥臂电流积分Δi_s1

计算电容投入区间s2的电容电压采样平均值之差ΔV_s2，桥臂电流积分Δi_s2

……

计算电容投入区间sn的电容电压采样平均值之差ΔV_sn，桥臂电流积分Δi_sn

……

然后可以依靠最小二乘法，计算电容的容值为：

。

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