CN113138351A - 基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，包括如下步骤：利用各个子模块投入时间对桥臂内各个子模块的电容容值进行间接排序，找到投入时间最短即电容容值最低的子模块；对其电容容值进行监测，并判别监测值是否小于电容容值阈值，决定该子模块电容是否需要更换。本发明在模块化多电平变换器系统应用于中高压场合时，利用子模块投入时间这一特征量，对桥臂内各个子模块的电容容值进行间接排序，只需要对投入时间最短的子模块的电容容值进行监测，即可有效监测桥臂电容状态，简化了传统模块化多电平变换器电容监测方法；不需要改变系统的运行状态，不会影响MMC系统的运行性能，同时在MMC系统运行在任何工况下均能够适用。

Description

基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法
技术领域
本发明属于多电平电力电子变换器领域，具体涉及一种基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法。
背景技术
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)，由多个结构相同的子模块级联构成，可通过调整级联子模块的个数实现电压和功率等级的变化，实现任意电平的输出。相比于其他多电平变换器拓扑结构，MMC具有公共直流母线、不需要多绕组移相变压器、高度模块化，在柔性直流输电、中压电机驱动等领域具有广阔的前景。
可靠性研究是保证MMC系统稳定运行的关键技术之一，MMC系统的故障原因主要包括功率器件故障、电容故障、线路故障、控制器故障以及其他故障。据研究统计电容故障占比30％，是MMC系统的主要故障原因之一。电容故障包括结构性故障和参数性故障，其中，参数性故障为其主要表现。在MMC实际应用中，电解电容凭借其功率密度大、成本低的优势得到了广泛应用。电解电容在使用过程中由于电解液耗损、极板有效面积减小等原因，电容容值会发生改变。通常当电解电容容值低于其额定值的80％时，需要对其进行更换，否则会影响MMC系统的正常运行，严重时甚至会造成MMC系统故障。因此，模块化多电平变换器电容监测对MMC系统的稳定运行至关重要。
针对模块化多电平变换器电容监测问题，常规方法利用桥臂电流，子模块开关函数以及子模块电容电压获取各个子模块电容容值，但该方法需要对桥臂上所有子模块电容进行状态监测，极大地增加了控制系统的计算量，增大了MMC系统的运行成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，利用子模块投入时间这一特征量，对桥臂内各个子模块的电容容值进行间接排序，只需要对投入时间最短的子模块的电容容值进行监测，即可实现有效监测桥臂电容状态，简化了传统模块化多电平变换器电容监测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，包括如下步骤：
S1、采集所需模块化多电平变换器运行数据，桥臂上各个子模块的开关函数Si，桥臂电流iarm；
S2、对桥臂上各个子模块的投入时间ti_in进行计算，首先根据桥臂电流的方向计算特征变量Sw，然后通过
Figure BDA0003029900930000021
计算得到ti_in；
S3、对ti_in进行排序，找到ti_in最小值所对应的子模块SMmin，对子模块SMmin的电容容值进行监测，判别所得到的监测值是否小于电容容值阈值；
S4、若所得到的监测值小于电容容值阈值，则对子模块SMmin的电容进行更换，随后等待一定时间后从S1重新开始监测过程，否则等待一定时间后从S1重新开始监测过程。
进一步的，所述S2中τ为计算开始时刻，T为一个基波周期。
进一步的，所述S3中根据公式
Figure BDA0003029900930000022
测量其电容容值。
进一步的，所述S2中的特征变量Sw根据桥臂电流的方向计算得到，具体如下：若此时桥臂电流大于0，则特征变量Sw值为1；若此时桥臂电流小于0，则特征变量Sw值为0。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，在模块化多电平变换器系统应用于中高压场合时，利用子模块投入时间这一特征量，对桥臂内各个子模块的电容容值进行间接排序，只需要对投入时间最短的子模块的电容容值进行监测，即可实现有效监测桥臂电容状态，大幅度简化了传统电容监测方法，减小了控制系统的计算量；
2、本发明提出的基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，在电容监测方法执行过程中所需要的各个子模块的开关函数、各个子模块的电容电压以及桥臂电流均为模块化多电平变换器稳定运行过程中控制器所必须获得的参数，所以不需要增加额外的硬件成本，同时该方法易于在现有MMC系统中实施，具有较强的实用性；
3、本发明提出的基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，不需要改变系统的运行状态，例如引入环流，因此，不会影响MMC系统的运行性能，同时在MMC系统运行在任何工况下均能够适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的三相MMC拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例的子模块拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例的整体方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明针对模块化多电平变换器电容监测的问题，提出了一种基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，其中三相MMC及子模块的拓扑结构如图1、图2所示，其中三相MMC由六个桥臂构成，每个桥臂包含了n个拓扑结构相同的子模块(Submodule，SM)以及一个桥臂电感Larm；子模块为半桥结构，由两个功率二极管D1、D2，两个功率开关T1、T2以及一个直流电容C组成。为了保证MMC的稳定运行，需要对MMC系统的电容电压进行平衡控制，电容电压平衡方法为：首先，将桥臂电压参考波与载波进行比较得到桥臂内所需要投入的子模块个数non；其次，对桥臂内子模块电容电压进行排序；最后，判断当前桥臂电流，若桥臂电流大于0，则投入电容电压最低的non个子模块，若桥臂电流小于0，则投入电容电压最高的non个子模块。
如图3所示，一种基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，包括：利用各个子模块投入时间对桥臂内各个子模块的电容容值进行间接排序，找到投入时间最短即电容容值最低的子模块；对其电容容值进行监测，并判别监测值是否小于电容容值阈值，决定该子模块电容是否需要更换。具体包括以下步骤：
S1、采集所需模块化多电平变换器运行数据，桥臂上各个子模块的开关函数Si，桥臂电流iarm；
S2、对桥臂上各个子模块的投入时间ti_in进行计算，首先根据桥臂电流的方向计算特征变量Sw，然后通过
Figure BDA0003029900930000051
计算得到ti_in，其中，τ为计算开始时刻，T为一个基波周期；
S3、对ti_in进行排序，找到ti_in最小值所对应的子模块SMmin，对子模块SMmin的电容容值进行监测，根据公式
Figure BDA0003029900930000052
测量其电容容值，并判别所得到的监测值是否小于电容容值阈值(电解电容的阈值设置为电容值的80％)，其中uci为子模块电容电压；
S4、若所得到的监测值小于电容容值阈值，则对子模块SMmin的电容进行更换，随后等待一定时间后从S1重新开始监测过程，否则等待一定时间后从S1重新开始监测过程。
其中S2中的特征变量Sw根据桥臂电流的方向计算得到，具体如下，若此时桥臂电流大于0，则特征变量Sw值为1；若此时桥臂电流小于0，则特征变量Sw值为0。
本发明尤其适用于MMC系统子模块数量较多的情况，与常规模块化多电平变换器电容监测方法相比，本发明能够大幅度减小控制系统的计算量，同时，本发明的电容监测方法不需要增加额外的硬件成本，易于在现有MMC系统中实施，且适用于MMC系统运行在任何工况下。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采集所需模块化多电平变换器运行数据，桥臂上各个子模块的开关函数Si，桥臂电流iarm；
S2、对桥臂上各个子模块的投入时间ti_in进行计算，先根据桥臂电流的方向计算特征变量Sw，再通过
Figure FDA0003029900920000011
计算得到ti_in；
S3、对ti_in进行排序，找到ti_in最小值所对应的子模块SMmin，对子模块SMmin的电容容值进行监测，判别所得到的监测值是否小于电容容值阈值；
S4、若所得到的监测值小于电容容值阈值，则对子模块SMmin的电容进行更换，随后等待后从S1重新开始监测过程，否则等待后从S1重新开始监测过程。
2.根据权利要求1所述的基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，其特征在于，所述S2中τ为计算开始时刻，T为一个基波周期。
3.根据权利要求2所述的基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，其特征在于，所述S2中的特征变量Sw根据桥臂电流的方向计算得到，具体如下：若此时桥臂电流大于0，则特征变量Sw值为1；若此时桥臂电流小于0，则特征变量Sw值为0。
4.根据权利要求1所述的基于子模块投入时间的模块化多电平变换器电容监测方法，其特征在于，所述S3中根据公式
Figure FDA0003029900920000012
测量其电容容值。
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