CN111665393B - 一种mmc子模块电容容值和esr值在线监测方法及装置 - Google Patents

一种mmc子模块电容容值和esr值在线监测方法及装置 Download PDF

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CN111665393B CN202010410249.5A CN202010410249A CN111665393B CN 111665393 B CN111665393 B CN 111665393B CN 202010410249 A CN202010410249 A CN 202010410249A CN 111665393 B CN111665393 B CN 111665393B
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Abstract

本发明提供了一种MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法及装置，对MMC系统一个工频周期内四个特定相位的电容电压进行采样，根据采样所得到的四个电容电压值，初步计算得到MMC子模块电容的容值和ESR值，对前述初步计算得到的电容容值和ESR值进行反馈修正得到最终的电容容值和ESR值的监测结果。本发明所提供方法能够实现对MMC子模块运行时的电容容值和ESR值在线监测，无需中断MMC系统运行和改变MMC系统的控制，计算过程简单，结果准确，极大提高了子模块容值和ESR值检测的高效性和经济性。

Description

一种MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法及装置
技术领域
本发明涉及状态监测技术领域，特别是涉及一种模块化多电平变流器(MMC)子模块电容容值和电容等效串联电阻(ESR)值在线监测方法及装置。
背景技术
研究表明，MMC系统中，子模块电容是所有器件中可靠性最低、失效率最高的器件。电容作为子模块的电源，一旦失效，单个子模块的输出乃至整个系统的输出都将受影响，这将严重危害到系统的正常运行。因此，对子模块电容进行状态监测成为预防电容失效性故障的必要措施。
容值和ESR值是表征电容健康状态参数的重要参数。对于电解电容，其容值减小到初始容值的80％，或者ESR值增加为初始值的2～3倍，即认定电容失效；对于薄膜电容，其容值减小到初始容值的95％，或者ESR值增加为初始值的2～3倍，即认定电容失效。
现阶段对MMC子模块电容容值和ESR值的监测方法分为两类：离线监测和在线监测。(1)离线监测方法需要在系统停机的状态下，利用专业测量仪器(如数字电桥、LCR表等)对电容的容值和ESR值进行测量，并且需要将电容从系统中分离以避免系统中其他元器件对测量的干扰；需要停机测量、需要从系统中取下电容，是离线方法最为显著的缺点。(2)在线监测方法即在系统运行的情况下实现电容容值和ESR值的测量，相比于离线监测方法更能够反应待测器件在实际工况条件应力场作用下的实际状态，更符合实际。已有电容容值的在线监测方法主要包括：1)使用电容的充电电荷量和电容的电压增量之比得到电容容值，但这种方法需要获取子模块开关状态以及桥臂电流得到流经电容的电流，进一步通过积分运算得到电容的充电电荷量，其中积分运算会消耗大量计算资源；2)使用高通滤波器提取电容电压和电流中的二倍频成分，计算其有效值之比得到电容的低频阻抗，以此估计出电容容值，这种方法需要额外的硬件设计，增加了成本，使监测过程复杂化。已有电容ESR值的监测方法包括：1)通过电容的损耗功率和流经电容的电流有效值平方之比得到电容的ESR值，这种方法对于电容损耗功率的计算基于理想情况，忽略了功率半导体的损耗功率，因此会引入较大误差；2)使用高通滤波器提取电容电压和电流中的高频(比如开关频率)成分，计算其有效值之比得到ESR值，这种方法需要额外的硬件设计，增加了成本，使监测过程复杂化。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种带有反馈修正结构的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法和装置，能够实现子模块电容容值和ESR值的在线监测，同时计算方法简单，无需对硬件设计做任何的更改。
根据本发明第一方面，提供一种MMC子模块中电容容值和电容ESR值在线监测方法，包括：
对采用PWM调制的MMC系统中待测子模块的电容电压进行开关周期平均滤波；
对开关周期平均滤波后的电容电压进行采样，得到MMC系统一个工频周期内四个特定相位时刻的待测子模块电容电压值uc1、uc2、uc3、uc4，其中，四个特定时刻分别为：ωt＝2kπ，
Figure BDA0002492875850000021
ωt＝2kπ+π，
Figure BDA0002492875850000022
k＝1,2,3…，表示第k个工频周期内的0、
Figure BDA0002492875850000023
π和
Figure BDA0002492875850000024
相位时刻；
根据采样所得到的四个电容电压值，计算得到MMC子模块电容的容值和ESR值，其中：
容值C的计算公式为：
Figure BDA0002492875850000025
ESR值的计算公式为：
Figure BDA0002492875850000026
上述公式中：
Δuc31＝uc3-uc1
Δuc42＝uc4-uc2
常数a和b：
Figure BDA0002492875850000031
Figure BDA0002492875850000032
其中：
Ug：MMC交流侧输出电压峰值，通过对MMC交流输出端口电压进行检测获取；
Ig：MMC交流侧输出电流峰值，通过对MMC交流输出端口电流进行检测获取；
Udc：MMC系统直流侧母线电压，通过对MMC直流侧母线电压采样获取；
Idc：MMC系统直流侧母线电流，通过对MMC直流侧母线电流采样获取；
Larm，Rarm：MMC系统桥臂电感及其寄生电阻；
Lg，Rg：MMC系统电网侧连接电感及其寄生电阻；
Lf，Rf：MMC系统等效滤波电感和电阻，
Figure BDA0002492875850000033
m：MMC系统调制比，
Figure BDA0002492875850000034
ω：MMC系统角频率，ω＝2πf0(f0＝50Hz)；
Figure BDA0002492875850000035
MMC系统功率因数角，
Figure BDA0002492875850000036
将上述初步计算得到的电容容值和ESR值、流经待测子模块的桥臂电流iarm和待测子模块电容电压平衡控制器的输出Sunb作为反馈修正模块的输入，反馈修正模块的输出uc,unb为待测子模块电容电压的补偿项，其中，
Figure BDA0002492875850000037
对反馈补偿后的电容电压u'c重复S2～S3所述采样计算过程，所得电容容值和ESR值为反馈修正后的监测值，也即待测MMC子模块电容的容值和ESR值监测结果。
可选地，所述开关周期平均滤波处理，利用如下公式：
uc,avg＝uc,onD+uc,off(1-D)
其中：uc,avg为MMC子模块电容电压采样值开关周期滤波后的值，uc,on为MMC子模块载波谷值处电容电压采样值，uc,off为MMC子模块载波峰值处电容电压采样值，D为采样时刻当前开关周期的占空比。
可选地，所述对开关周期平均滤波后的电容电压进行采样，其中，对MMC系统中待测子模块的电容电压采样频率为MMC待测子模块载波频率的两倍，一个载波周期内，在MMC子模块载波峰值和谷值处分别对电容电压进行采样。
根据本发明第二方面，提供一种MMC子模块电容容值和ESR值在线监测装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行上述MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明提出的MMC子模块电容容值和ESR值监测方法和装置，监测过程在MMC系统正常运行时进行，不会改变或者停止系统的运行状态，是一种实时在线的状态监测方法和装置，只需利用四个电容电压值即可计算出MMC子模块电容容值和ESR值，计算公式简单，容值和ESR值计算结果与数字电桥，或专用LCR仪表的测量结果相差5％以内，ESR值计算结果与数字电桥，或专用LCR仪表的测量结果相差10％以内，监测结果准确。而且无需对系统硬件设计做任何更改，简化了监测过程，降低了成本。
附图说明
图1为本发明一实施例中的监测过程结构框图；
图2为本发明一实施例中的监测过程采样的一个工频周期内四个特定相位的电容电压值的示意图；
图3为本发明的一实施例中的子模块电容器的等效模型；
图4为本发明的一实施例中的MMC单相结构示意图；
图5为本发明的一实施例中的MMC的一种子模块结构示意图；
图6为本发明的一实施例中的MMC子模块电容电压采样示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明一优选实施例中，提供一种MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，仅需采用一个工频周期内四个特定相位的电容电压值，即可以实时计算出待测电容容值和ESR值。容值和ESR值监测过程在MMC系统正常运行时进行，不会改变或者停止系统的运行状态，是一种实时在线的状态监测方法。
图3为本发明的一实施例中的子模块电容器的等效模型；模型将实际电容等效为一个理想电容和一个理想电阻的串联组合。图4为本发明的一实施例中的MMC单相结构示意图；现有的MMC单相结构包括MMC上下桥臂、交流侧输出电感、交流侧输出电阻、交流电源、直流电源，其中每个桥臂均由n个子模块组成。图5为本发明的一实施例中的MMC的一种子模块结构示意图；子模块结构为半桥结构，母线电容采用图3所示的电容等效模型。以下实施例对采用PWM调制的MMC系统中待测子模块的电容电压进行特定时刻采样，实时计算得到MMC子模块电容的容值和ESR值。
参照图1所示，具体的，该优选实施例的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，对MMC子模块电容电压进行开关周期平均滤波；对开关周期平均滤波后的电容电压进行采样；然后根据采集的电容电压值，实时计算得到MMC子模块电容的容值和ESR值；其中：一个工频周期内，采集四个特定相位的电容电压值，四个特定相位分别为：ωt＝2kπ，
Figure BDA0002492875850000051
ωt＝2kπ+π，
Figure BDA0002492875850000052
k＝1,2,3…，表示第k个工频周期内的0、
Figure BDA0002492875850000053
π和
Figure BDA0002492875850000054
相位时刻；对应的四个电容电压值为，uc1，uc2，uc3，uc4。具体的，第k个工频周期内的0相位时刻是指：第k个工频周期MMC系统交流侧输出正弦电压相位为0的时刻；第k个工频周期内的
Figure BDA0002492875850000055
相位时刻是指：第k个工频周期MMC系统交流侧输出正弦电压相位为
Figure BDA0002492875850000061
的时刻；第k个工频周期内的π相位时刻是指：第k个工频周期MMC系统交流侧输出正弦电压相位为π的时刻；所述第k个工频周期内的
Figure BDA0002492875850000062
相位时刻是指：第k个工频周期MMC系统交流侧输出正弦电压相位为
Figure BDA0002492875850000063
的时刻。如图6所示，为本发明的一实施例中的MMC子模块电容电压采样示意图，在载波峰值处采样，得到在子模块上管关断时的电容电压uc,off，在载波谷值处采样，得到在子模块上管导通时的电容电压uc,on。
根据上述采集的电容电压值，实时计算得到MMC子模块电容的容值和ESR值，其中：
容值C的计算公式为：
Figure BDA0002492875850000064
ESR值的计算公式为：
Figure BDA0002492875850000065
上述公式中：
Δuc31＝uc3-uc1
Δuc42＝uc4-uc2
常数a和b：
Figure BDA0002492875850000066
Figure BDA0002492875850000067
Ug：交流侧输出电压峰值，通过对MMC交流输出端口电压进行峰值检测获取；
Ig：交流侧输出电流峰值，通过对MMC交流输出端口电流进行峰值检测获取；
Udc：直流侧母线电压，通过对MMC直流侧母线电压采样获取；
Idc：直流侧母线电流，通过对MMC直流侧母线电流采样获取；
Larm，Rarm：MMC桥臂电感及其寄生电阻；
Lg，Rg：MMC网侧连接电感及其寄生电阻；
Lf，Rf：等效滤波电感和电阻，
Figure BDA0002492875850000071
m：调制比，
Figure BDA0002492875850000072
ω：系统角频率，ω＝2πf0(f0＝50Hz)；
Figure BDA0002492875850000073
系统功率因数角，
Figure BDA0002492875850000074
将上述初步计算得到的电容容值和ESR值、流经待测子模块的桥臂电流iarm和待测子模块电容电压平衡控制器的输出Sunb作为反馈修正模块的输入，反馈修正模块的输出uc,unb为待测子模块电容电压的补偿项，并有，
Figure BDA0002492875850000075
其中，取模运算是为了避免积分运算结果溢出，Umod选取数据寄存器存储范围内的值。
对反馈补偿后的电容电压u'c重复S2～S3所述采样计算过程，所得电容容值和ESR值为反馈修正后的监测值，也即待测MMC子模块电容的容值和ESR值监测结果。
上述实施例中，对MMC子模块电容电压进行采样，采样频率为MMC子模块载波频率的两倍，一个载波周期内，在MMC子模块载波峰值和谷值处分别对电容电压进行采样。
在一优选实施例中，电容电压通过电压传感器、调理电路之后通过模数转换装置进行采样转换，模数转换装置包括数字信号处理器，或者模拟采样芯片(IC)。
在一优选实施例中，电容电压采样值的开关周期滤波、容值的计算公式、以及常数a和b的计算，通过包括数字信号处理器或FPGA在内的芯片、运算电路或软件实现。
在一优选实施例中，常数a和b的计算式中，Ig、Udc、Idc、m、ω、
Figure BDA0002492875850000076
各变量通过实时检测得到，Lf、Rf通过专业测量设备或估测方法得到。
本发明上述实施例可以用于对MMC子模块直流侧电容的容值和ESR值，或电容组的总容值和总ESR值进行在线监测，监测过程在MMC系统正常运行时进行，不会改变或者停止系统的运行状态。进一步的，当MMC子模块电容容值和ESR值的实时在线监测结果位于电容容值和ESR值预设范围内时，确定电容处于正常状态，否则判定失效，对子模块电容进行维护更换；电容容值和ESR值预设范围依据电容手册给出的参数确定。
本发明上述实施例所提供方法，只需利用四个电容电压值即可计算出MMC子模块电容容值和ESR值，可以实现对MMC子模块电容容值和ESR值的在线监测，无需改变MMC系统的硬件设计，计算过程简单，结果准确，极大的提高了容值和ESR值检测的高效性和经济性。
在本发明另外的实施例中，为了提高计算结果的准确性，对上述实施例监测计算结果进行滤波算法处理，可以使结果更加平滑，滤波算法可以使用但不限于滑动平均滤波、最小均方自适应滤波(LMS)等滤波算法。
本发明上述实施例中电容电压的采样、开关周期滤波、容值和ESR值计算、计算结果滤波处理等可以基于数字信号处理器(DSP)或其他处理器、等效模拟、数字电路，或其他等效的软、硬件方式实现，检测结果利用上位机、外接显示器等方式实时输出显示。
本发明上述实施例的方法，可以用于MMC子模块直流端电容(组)的容值和ESR值的状态监测，监测过程在MMC系统正常运行时进行，不会改变或者停止系统的运行状态，是一种实时在线的状态监测方法。
本发明上述实施例的方法，监测过程利用一个工频周期内四个特定相位的电容电压值通过容值和ESR值计算公式实现，监测过程仅需对电容电压进行采样，无需对MMC系统硬件设计做任何改变，计算过程简单，结果准确，极大的提高了容值和ESR值检测的高效性和经济性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种MMC子模块中电容容值和ESR值在线监测方法，包括：
S1，对采用PWM调制的MMC系统中待测子模块的电容电压进行开关周期平均滤波；
S2，对开关周期平均滤波后的电容电压进行采样，得到MMC系统一个工频周期内四个特定相位时刻的待测子模块电容电压值uc1、uc2、uc3、uc4，其中，四个特定时刻分别为：ωt＝2kπ，
Figure FDA0003076492590000011
ωt＝2kπ+π，
Figure FDA0003076492590000012
k＝1,2,3…，表示电容电压第k个工频周期内的0、
Figure FDA0003076492590000013
π和
Figure FDA0003076492590000014
相位时刻；
S3，根据采样所得到的四个电容电压值，计算得到MMC子模块电容的初始容值和ESR值，其中：
初始容值C的计算公式为：
Figure FDA0003076492590000015
ESR值的计算公式为：
Figure FDA0003076492590000016
上述公式中：
Δuc31＝uc3-uc1
Δuc42＝uc4-uc2
常数a和b：
Figure FDA0003076492590000017
Figure FDA0003076492590000018
其中：
Ug：MMC交流侧输出电压峰值，通过对MMC交流输出端口电压进行检测获取；
Ig：MMC交流侧输出电流峰值，通过对MMC交流输出端口电流进行检测获取；
Udc：MMC系统直流侧母线电压，通过对MMC直流侧母线电压采样获取；
Idc：MMC系统直流侧母线电流，通过对MMC直流侧母线电流采样获取；
Larm，Rarm：MMC系统桥臂电感及其寄生电阻；
Lg，Rg：MMC系统电网侧连接电感及其寄生电阻；
Lf，Rf：MMC系统等效滤波电感和电阻，
Figure FDA0003076492590000021
m：MMC系统调制比，
Figure FDA0003076492590000022
ω：MMC系统角频率，ω＝2πf0(f0＝50Hz)；
Figure FDA0003076492590000023
MMC系统功率因数角，
Figure FDA0003076492590000024
S4，将初步计算得到的电容初始容值和ESR值、流经待测子模块的桥臂电流iarm和待测子模块电容电压平衡控制器的输出信号作为反馈修正模块的输入信号，反馈修正模块的输出信号为待测子模块电容电压的补偿项，并有，
Figure FDA0003076492590000025
其中，uc,unb为反馈修正模块的输出信号，Sb为子模块电容电压平衡控制器的输出信号，Umod为取模运算的模值；
对反馈补偿后的电容电压u'c重复S2～S3所述采样计算过程，所得电容容值和ESR值为反馈修正后的监测值，也即待测MMC子模块电容的容值和ESR值监测结果。
2.根据权利要求1所述的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，所述开关周期平均滤波处理，利用如下公式：
uc,avg＝uc,onD+uc,off(1-D)
其中：uc,avg为MMC子模块电容电压采样值开关周期滤波后的值，uc,on为MMC子模块载波谷值处电容电压采样值，uc,off为MMC子模块载波峰值处电容电压采样值，D为采样时刻当前开关周期的占空比。
3.根据权利要求2所述的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，其特征在于：所述对开关周期平均滤波后的电容电压进行采样，其中，
对MMC系统中待测子模块的电容电压采样频率为MMC待测子模块载波频率的两倍，一个载波周期内，在MMC子模块载波峰值和谷值处分别对电容电压进行采样。
4.根据权利要求3所述的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，其特征在于：所述电容电压通过电压传感器、调理电路之后通过模数转换装置进行采样转换，所述模数转换装置包括，数字信号处理器，或者模拟采样芯片(IC)。
5.根据权利要求1所述的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，其特征在于：
第k个工频周期内的0相位时刻是指：第k个工频周期MMC系统交流侧输出正弦电压相位为0的时刻；
第k个工频周期内的
Figure FDA0003076492590000031
相位时刻是指：第k个工频周期MMC系统交流侧输出正弦电压相位为
Figure FDA0003076492590000032
的时刻；
第k个工频周期内的π相位时刻是指：第k个工频周期MMC系统交流侧输出正弦电压相位为π的时刻；
第k个工频周期内的
Figure FDA0003076492590000033
相位时刻是指：第k个工频周期MMC系统交流侧输出正弦电压相位为
Figure FDA0003076492590000034
的时刻。
6.根据权利要求1所述的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，其特征在于，电容电压采样值的开关周期平均滤波、容值和ESR值的计算公式、以及常数a和b的计算，通过包括数字信号处理器或FPGA在内的芯片、运算电路或软件实现。
7.根据权利要求1所述的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，其特征在于，所述常数a和b的计算式中，Ig、Udc、Idc、m、ω、
Figure FDA0003076492590000035
各变量通过实时检测得到，Lf，Rf通过测量设备或估测方法得到。
8.根据权利要求1-7任一项所述的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，其特征在于，所述方法对MMC子模块直流侧电容的容值和ESR值，或电容组的总容值和总ESR值进行在线监测。
9.根据权利要求8所述的MMC子模块电容容值和ESR值在线监测方法，其特征在于，当MMC子模块电容容值和ESR值的实时在线监测结果位于电容容值和ESR值预设范围内时，确定电容处于正常状态，否则判定失效，对子模块电容进行维护更换；所述电容容值和ESR值预设范围依据电容手册给出的参数确定。
10.一种MMC子模块电容容值和ESR值在线监测装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时可用于执行权利要求1-9任一所述的方法。
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