CN114034934A - 一种hvdc-mmc系统功率模块电容容值在线监测方法 - Google Patents

一种hvdc-mmc系统功率模块电容容值在线监测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114034934A
CN114034934A CN202111374195.2A CN202111374195A CN114034934A CN 114034934 A CN114034934 A CN 114034934A CN 202111374195 A CN202111374195 A CN 202111374195A CN 114034934 A CN114034934 A CN 114034934A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power module
capacitance value
module
capacitor
capacitance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111374195.2A
Other languages
English (en)
Inventor
柳拉勋
何迎飞
杜路路
屈晓伟
纪攀
杨扬
张森
秦健
郝翔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tbea Xi'an Flexible Power T&d Co ltd
TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd
Original Assignee
Tbea Xi'an Flexible Power T&d Co ltd
TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tbea Xi'an Flexible Power T&d Co ltd, TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd filed Critical Tbea Xi'an Flexible Power T&d Co ltd
Priority to CN202111374195.2A priority Critical patent/CN114034934A/zh
Publication of CN114034934A publication Critical patent/CN114034934A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种HVDC‑MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，所述容值在线检测方法包括以下步骤：首先在柔直换流阀运行时对功率模块的换流阀的特征参数桥臂电流Iarm、功率模块的电容电压Uci和IGBT驱动脉冲信息Ti进行采样读取，然后根据读取的特征参数推算出被侧功率模块的电容容值Ci；最后对计算的电容容值Ci进行一阶低通滤波处理滤除计算结果中的噪声,得到最终的电容容值Cfin；本发明监测方法不用增加额外的硬件传感器，并且计算过程简单，减小了处理器的运算负担，而且不会对HVDC‑MMC系统的正常运行产生任何负面影响；可达到主动监测电容老化容值减小、规避柔直系统跳闸风险、提高系统运行可靠性的目的。

Description

一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，涉及一种电容容值监测方法，具体是一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法。
背景技术
近年来，高压直流输电模块化多电平换流器(HVDC-MMC)因为它具有显著的技术优势在世界范围内得到了快速发展。功率模块是MMC最基本的构成单元，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，其中电容故障占比30％，是MMC故障的主要来源之一，随着换流阀的长期运行，电容会逐渐老化，老化失效会引发柔直系统的安全问题，因此开展HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测研究具有重要工程意义。
目前HVDC-MMC系统功率模块电容容值监测研究已得到相关学者的关注，但是基于注入纹波电流来监测功率模块电容值的方法需要额外增加检测纹波电流的传感器且无法实现换流阀运行时对电容的在线监测，故无法应用推广到实际柔直换流阀工程中。也有学者专家提出了一种采用自适应滤波器或卡尔曼滤波器的柔性直流输电模块电容器电容值的在线获取方法，但是采用的自适应滤波器或卡尔曼滤波器处理算法复杂、太占处理器资源，难以实现对柔直换流阀成千上万个模块电容容值的监测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，采用每个处理器的中断周期对功率模块进行检测，根据换流阀之前已检测到的模块电压值Uci、桥臂电流值Iarm、驱动脉冲信号Ti推算出功率模块的电容容值Ci；然后采用简化的一阶低通滤波器滤除计算结果的噪声,得到最终的电容容值Cfin；该方法既不需要额外增加检测装置，简化的滤波处理也有效减小了处理器的负担，能够快速实现对柔直换流阀实际工程中模块电容容值的在线监测。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，包括以下步骤：
S1、柔直换流阀运行时，对功率模块的特征参数进行采样，特征参数包括柔直换流阀桥臂电流值Iarm，功率模块的电容电压Uci和IGBT驱动脉冲信息Ti；
S2、在处理器的监测周期Tm内，对被测的功率模块计算模块电容电压变化值ΔUci；
S3、在监测周期Tm结束后，根据模块电压变化值ΔUci、桥臂电流值Iarm、监测周期Tm推算出被测功率模块的电容容值Ci；
S4、对步骤S3计算出的电容容值Ci，采用一阶低通滤波器的传递函数来滤除计算结果的噪声,得到最终的电容容值Cfin；
S5、对步骤S4得到的电容容值Cfin进一步离散化数字处理，完成监测。
所述步骤S2中被测功率模块的模块电压变化值ΔUci＝Uci(k)-Uci(k-1)，即k时刻电容电压值减去上一周期k-1时刻电容电压值。
所述步骤S3中电容容值Ci的计算方法如下：
P1功率模块为半桥模块，模块电容充电时，根据步骤S2中计算出来的功率模块电压变化值ΔUci及桥臂电流值Iarm和监测周期Tm，通过公式(1)在线计算出被测功率模块的电容容值Ci；
P2功率模块为全桥模块，模块正投入电容充电或模块负投入电容充电时，根据步骤S2中计算出来的功率模块电压变化值ΔUci及桥臂电流值Iarm和监测周期Tm，通过公式(1)在线计算出被测功率模块的电容容值Ci；
P1和P2中的被测功率模块电容容值Ci计算公式为：
Figure BDA0003363244260000031
所述步骤S4中一阶低通滤波器的传递函数为：
Figure BDA0003363244260000032
Figure BDA0003363244260000033
其中Wc为一阶低通滤波的截止角频率，fc为一阶低通滤波截止频率。
所述步骤S5的具体方法为：对一阶低通滤波器的传递函数
Figure BDA0003363244260000034
采用双线性变换
Figure BDA0003363244260000035
T＝1/fk，其中T为离散采样周期，fk为离散化采样频率，对G(s)离散化后得到：
Figure BDA0003363244260000036
其中
Figure BDA0003363244260000037
离散化采样频率和截止频率确定后K1和K2即可计算出具体值。
所述步骤S4得到的电容容值Cfin，离散处理后得到最终的电容容值Cfin(k)等于电容容值的离散信号Ci(k)乘以S5中一阶低通滤波器离散化处理信号G(z)，即：
Figure BDA0003363244260000041
可以推算出：
Cfin(k)＝Cfin(k-1)*K1+Ci(k)*K2+Ci(k-1)*K2。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
1、本发明监测方法不用增加额外的硬件传感器，根据换流阀之前已检测到的模块电压值Uci、桥臂电流值Iarm、驱动脉冲信号Ti即可推算出功率模块的电容容值Ci；
2、本发明监测方法采用简化的一阶低通滤波器得到最终的电容容值Cfin，有效减小了处理器的负担，实现了柔直换流阀实际工程中模块电容容值的在线监测。
3、本发明监测方法无需在系统中引入额外的控制，不改变系统的输出特性。
综上，本发明具有方法简单，占用资源少，易推广应用于柔直换流阀成千上万个模块电容容值的监测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柔性直流输电系统换流阀拓扑图。
图2为本发明实施例提供的半桥模块充电图。
图3为本发明实施例提供的全桥模块正投入充电图。
图4为本发明实施例提供的全桥模块负投入充电图。
图5为本发明实施例提供的模块电容容值在线监测流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。
实施例
本发明针对电容发生电容容值下降的问题，提出了适用于MMC的电容容值监测方法，其中MMC拓扑结构由六个桥臂组成，如图1至图4所示，每个桥臂上包含了模块数目相同的功率模块(Submodule，SM)及一个桥臂电感Ls，功率模块采用半桥结构或全桥结构或全半桥混合结构，半桥模块包括2个功率开关T1、T2，2个二极管D1、D2和1个直流电容，全桥模块包括4个功率开关T1、T2、T3、T4，4个二极管D1、D2、D3、D4和1个直流电容，电容电压平衡方法为：
对各个桥臂的所有模块电压进行检测及排序，根据桥臂电流的方向判断功率模块电容充电还是放电，在功率模块电容充电时将模块电压高的半桥模块T2管导通、全桥模块T2和T4管导通使其被软旁路掉，将模块电压低的半桥模块T1管导通、全桥模块T1和T4管导通使其被投入充电；在功率模块电容放电时将模块电压低的半桥模块T2管导通、全桥模块T2和T4管导通使其被软旁路掉，将模块电压高的半桥模块T1管导通、全桥模块T1和T4管导通使其被投入放电，实现各个桥臂的模块电容电压平衡。
如图5所示，一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，具体步骤如下：
S1、柔直换流阀运行时，对功率模块的特征参数进行采样，特征参数包括换流阀桥臂电流值Iarm，功率模块的电容电压Uci和IGBT驱动脉冲信息Ti；
S2、在处理器的监测周期Tm内，对被测的功率模块计算模块电容电压变化值ΔUci；
S3、在监测周期Tm结束后，根据模块电压变化值ΔUci、桥臂电流值Iarm、监测周期Tm推算出被测功率模块的电容容值Ci；
S4、对步骤S3计算出的电容容值Ci，采用一阶低通滤波器的传递函数来滤除计算结果的噪声,得到最终的电容容值Cfin；
S5、对步骤S4得到的电容容值Cfin进一步离散化数字处理，完成监测。
所述步骤S2中被测功率模块的模块电压变化值ΔUci＝Uci(k)-Uci(k-1)，即k时刻电容电压值减去上一周期k-1时刻电容电压值。
所述步骤S3中电容容值Ci的计算方法如下：
P1功率模块为半桥模块，T1管导通、T2管关断模块电容充电时，根据计算出来的ΔUci、检测的桥臂电流Iarm和监测周期Tm，通过公式(1)在线计算出被测功率模块的电容容值Ci；
P2功率模块为全桥模块，T1、T4管导通T2、T3管关断模块正投入电容充电或T2、T3管导通T1、T4管关断模块负投入电容充电时，根据计算出来的ΔUci、检测的桥臂电流Iarm和监测周期Tm，通过公式(1)在线计算出被测功率模块的电容容值Ci；
P1和P2中的被测功率模块电容容值Ci计算公式为：
Figure BDA0003363244260000071
步骤S4计算出的电容容值Ci进行低通滤波处理后，得到最终的电容容值Cfin，为了应对成百上千个模块电容容值的滤波处理，采用一阶低通滤波器来滤除计算结果的噪声；
所述步骤S4中一阶低通滤波器的传递函数为：
Figure BDA0003363244260000072
Figure BDA0003363244260000073
其中Wc为一阶低通滤波的截止角频率，fc为一阶低通滤波截止频率。
所述步骤S5的具体方法为：对一阶低通滤波器传递函数
Figure BDA0003363244260000074
采用双线性变换:
Figure BDA0003363244260000075
其中fk为离散化采样频率，对G(s)离散化后得到：
Figure BDA0003363244260000076
其中
Figure BDA0003363244260000077
Figure BDA0003363244260000078
离散化采样频率和截止频率确定后K1和K2即可计算出具体值。
所述步骤S4得到的电容容值Cfin，离散处理后得到最终的电容容值Cfin(k)等于电容容值的离散信号Ci(k)乘以一阶低通滤波器离散化处理信号G(z)，即：
Figure BDA0003363244260000079
可以推算出：
Cfin(k)＝Cfin(k-1)*K1+Ci(k)*K2+Ci(k-1)*K2。
本发明监测方法不用增加额外的硬件传感器，根据换流阀之前已检测到的模块电压值Uci、桥臂电流值Iarm、驱动脉冲信号Ti即可推算出功率模块的电容容值Ci；
本发明监测方法采用简化的一阶低通滤波器得到最终的电容容值Cfin，有效减小了处理器的负担，实现了对柔直换流阀实际工程中模块电容容值的在线监测。
本发明监测方法无需在系统中引入额外的控制，不改变系统的输出特性。
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 (6)

1.一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、柔直换流阀运行时，对功率模块的特征参数进行采样，特征参数包括柔直换流阀桥臂电流值Iarm，功率模块的电容电压Uci和IGBT驱动脉冲信息Ti；
S2、在处理器的监测周期Tm内，对被测的功率模块计算模块电容电压变化值ΔUci；
S3、在监测周期Tm结束后，根据模块电压变化值ΔUci、桥臂电流值Iarm、监测周期Tm推算出被测功率模块的电容容值Ci；
S4、对步骤S3计算出的电容容值Ci，采用一阶低通滤波器的传递函数来滤除计算结果的噪声,得到最终的电容容值Cfin；
S5、对步骤S4得到的电容容值Cfin进一步离散化数字处理，完成监测。
2.根据权利要求1所述的一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，其特征在于，所述步骤S2中被测功率模块的模块电压变化值ΔUci＝Uci(k)-Uci(k-1)，即k时刻电容电压值减去上一周期k-1时刻电容电压值。
3.根据权利要求1所述的一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，其特征在于，所述步骤S3中电容容值Ci的计算方法如下：
P1功率模块为半桥模块，模块电容充电时，根据步骤S2中计算出来的功率模块电压变化值ΔUci及桥臂电流值Iarm和监测周期Tm，通过公式(1)在线计算出被测功率模块的电容容值Ci；
P2功率模块为全桥模块，模块正投入电容充电或模块负投入电容充电时，根据步骤S2中计算出来的功率模块电压变化值ΔUci及桥臂电流值Iarm和监测周期Tm，通过公式(1)在线计算出被测功率模块的电容容值Ci；
P1和P2中的被测功率模块电容容值Ci计算公式为：
Figure FDA0003363244250000021
4.根据权利要求1所述的一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，其特征在于，所述步骤S4中一阶低通滤波器的传递函数为：
Figure FDA0003363244250000022
Ti＝1/Wc＝1/(2*π*fc)，其中Wc为一阶低通滤波的截止角频率，fc为一阶低通滤波截止频率。
5.根据权利要求1所述的一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，其特征在于，所述步骤S5的具体方法为：对一阶低通滤波器的传递函数
Figure FDA0003363244250000023
采用双线性变换
Figure FDA0003363244250000024
T＝1/fk，其中T为离散采样周期，fk为离散化采样频率，对G(s)离散化后得到：
Figure FDA0003363244250000025
其中
Figure FDA0003363244250000026
离散化采样频率和截止频率确定后K1和K2即可计算出具体值。
6.根据权利要求1所述的一种HVDC-MMC系统功率模块电容容值在线监测方法，其特征在于，所述步骤S4得到的电容容值Cfin，离散处理后得到最终的电容容值Cfin(k)等于电容容值的离散信号Ci(k)乘以一阶低通滤波器离散化处理信号G(z)，即：
Figure FDA0003363244250000031
Figure FDA0003363244250000032
可以推算出：
Cfin(k)＝Cfin(k-1)*K1+Ci(k)*K2+Ci(k-1)*K2。
CN202111374195.2A 2021-11-19 2021-11-19 一种hvdc-mmc系统功率模块电容容值在线监测方法 Pending CN114034934A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111374195.2A CN114034934A (zh) 2021-11-19 2021-11-19 一种hvdc-mmc系统功率模块电容容值在线监测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111374195.2A CN114034934A (zh) 2021-11-19 2021-11-19 一种hvdc-mmc系统功率模块电容容值在线监测方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114034934A true CN114034934A (zh) 2022-02-11

Family

ID=80144925

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111374195.2A Pending CN114034934A (zh) 2021-11-19 2021-11-19 一种hvdc-mmc系统功率模块电容容值在线监测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114034934A (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101553480B1 (ko) * 2014-08-05 2015-09-16 영남대학교 산학협력단 모듈형 다단 컨버터의 서브 모듈 커패시터 용량 추정 시스템 및 그 방법
CN109188144A (zh) * 2018-09-21 2019-01-11 武汉大学 一种模块化多电平换流器子模块电容老化在线监测方法
CN110658389A (zh) * 2019-09-30 2020-01-07 国网福建省电力有限公司 一种模块化多电平换流器的子模块电容器容量辨识方法
CN110995045A (zh) * 2019-12-27 2020-04-10 电子科技大学 一种加入低通滤波器的逆变器系统及其改进的控制方法
CN110995036A (zh) * 2019-11-12 2020-04-10 东南大学 基于全桥子模块的模块化多电平换流器的电容监测方法
CN111490753A (zh) * 2020-04-27 2020-08-04 沈阳科网通信息技术有限公司 旋转设备特征信号采集用低通滤波器的设计方法
CN112083232A (zh) * 2020-08-31 2020-12-15 东南大学 一种模块化多电平换流器电容容值监测方法
CN113138351A (zh) * 2021-04-20 2021-07-20 东南大学 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

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101553480B1 (ko) * 2014-08-05 2015-09-16 영남대학교 산학협력단 모듈형 다단 컨버터의 서브 모듈 커패시터 용량 추정 시스템 및 그 방법
CN109188144A (zh) * 2018-09-21 2019-01-11 武汉大学 一种模块化多电平换流器子模块电容老化在线监测方法
CN110658389A (zh) * 2019-09-30 2020-01-07 国网福建省电力有限公司 一种模块化多电平换流器的子模块电容器容量辨识方法
CN110995036A (zh) * 2019-11-12 2020-04-10 东南大学 基于全桥子模块的模块化多电平换流器的电容监测方法
CN110995045A (zh) * 2019-12-27 2020-04-10 电子科技大学 一种加入低通滤波器的逆变器系统及其改进的控制方法
CN111490753A (zh) * 2020-04-27 2020-08-04 沈阳科网通信息技术有限公司 旋转设备特征信号采集用低通滤波器的设计方法
CN112083232A (zh) * 2020-08-31 2020-12-15 东南大学 一种模块化多电平换流器电容容值监测方法
CN113138351A (zh) * 2021-04-20 2021-07-20 东南大学 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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
潘亮，等: "柔性直流输电用子模块电容器电容值在线获取方法", 《西安交通大学学报》, vol. 53, no. 6, pages 317 - 318 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110133538B (zh) 一种anpc三电平逆变器开路故障诊断方法及实验平台
CN106885966A (zh) 一种mmc功率器件开路故障诊断方法
CN109459618B (zh) 电动汽车电驱动系统直流母线电容的准在线容值检测方法
CN111665393B (zh) 一种mmc子模块电容容值和esr值在线监测方法及装置
US9748866B2 (en) Power conversion apparatus and control method for power conversion apparatus when an instantaneous voltage drop has occurred in a power system
CN109921614B (zh) 一种基于排序的模块化多电平换流器电容状态监测方法
CN110110461A (zh) 基于卡尔曼滤波算法的mmc中igbt参数估计方法
CN114172443B (zh) 一种永磁电机驱动系统电流传感器故障在线诊断方法
CN111679226B (zh) 一种mmc子模块开关管开路故障诊断与定位方法
CN111551819B (zh) 一种微电网故障检测方法、装置及存储介质
CN109039199B (zh) 一种用于eps控制器母线电流估算方法及系统
CN112710922B (zh) 一种双有源桥dc-dc变换器的开路故障诊断方法
WO2021078083A1 (zh) 一种T-type三相四线整流器开路故障实时检测方法
CN111722073B (zh) Mmc子模块电容esr值在线监测方法及装置
CN114034934A (zh) 一种hvdc-mmc系统功率模块电容容值在线监测方法
CN111983508A (zh) T-type三相四线整流器故障实时检测与定位方法、系统
CN114545133B (zh) 一种基于电流检测的单相级联h桥整流器的故障诊断方法
CN113504435B (zh) 三电平逆变器开路故障诊断方法及系统
JP6604230B2 (ja) 電力変換装置および地絡検出方法
JP4946642B2 (ja) 高調波電流補償装置
CN114035119B (zh) 三电平Buck-Boost变流器直流电容与功率器件开路故障检测方法
CN114002621B (zh) 一种mmc子模块的故障分级诊断定位方法及系统
CN113328646B (zh) 模块化多电平逆变器控制方法及系统
CN114002615B (zh) 一种变流器接地故障的诊断方法及装置
CN117092554B (zh) 逆变器耦合故障分析方法、装置、电子设备及存储介质

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination