CN114113798A - 一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，涉及柔直换流阀检测领域。本发明在柔直换流阀正常运行模式下，利用柔直换流阀中模块冗余，对待监测子模块下达指令，进入切除模式，屏蔽该子模块电容欠压故障保护逻辑，子模块电容进入放电过程；此时，开始进行放电过程的放电时间常数测量；电容放电至较低电压时，关断震荡电感并联的三极管，进行震荡周期测量；测量完毕后，可通过控制子模块进入投入过程，实现子模块切除后再投入；最后通过K均值聚类算法，最终得出电容容值；本发明有效解决电容容值在线监测方法，避免因电容发生容值失效引起系统跳闸，而引起停电事故，提高柔性直流输电系统运行的灵活性与可靠性。

Description

一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法

技术领域

本发明涉及柔直换流阀检测领域，尤其涉及一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法。

背景技术

基于MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平换流器)的柔性直流输电系统控制灵活，能够实现有功、无功的独立解耦控制，在大规模分布式新能源并网、城市供电、孤岛供电、电网黑启动、多端直流联网、弱系统联网等领域具有很大市场应用前景。目前国内已有多个MMC拓扑结构应用工程。

目前柔性直流输电系统中MMC拓扑结构的换流阀设备均具有容错机制，即配置一定比例的子模块。工程中只要故障子模块被可靠旁路且被旁路子模块个数不超过所设置冗余数，系统能够可靠安全运行。

目前工程中柔直换流阀的电容容值尚无检测，其容值衰减至一定程度(一般认为10％)即认为失效。电容发生失效后，其对换流阀安全稳定运行构成威胁，甚至引起系统跳闸，大大降低了柔性直流输电系统运行的可靠性与可用率。

因此，研究子模块直流电容故障在线检测方法十分必要，具有重大工程实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，以实现电容容值的在线检测目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，包括以下步骤：

1)获得柔直换流阀的冗余子模块数，当冗余子模块数量大于等于1时，则进入下一步；若否，则结束；

2)预先在子模块电路中增加检测电路，并在子模块中控板中增加检测控制模块，检测电路与子模块的电阻串联，电阻、检测电路串联形成的支路与电容并联；检测电路包括电感及与电感并联的开关管T3，检测控制模块控制开关管T3的通断；

3)在柔直换流阀正常运行模式下，利用柔直换流阀中子模块冗余，对待检测子模块下达指令，进入切除模式，屏蔽该子模块电容欠压故障保护逻辑，子模块电容进入放电过程；此时，开始进行放电过程的放电时间常数测量；电容放电至较低设定电压时，关断电感并联的开关管T3，进行震荡周期测量；

4)放电时间常数及震荡周期求得电容容值，判断得到电容是否发生容值衰减失效；

5)测量完毕后，通过控制子模块进入投入过程，实现子模块切除后再投入；

6)对下个或多个模块下达切除指令，转入“检测模块”状态，开始对应模块的容值在线检测；

7)重复步骤3)-6)，进行多次轮换，完成换流阀所有子模块容值检测，针对容值衰减较为严重的，根据判定标准下发指令，闭合旁路开关，旁路故障模块。

柔性直流输电MMC换流阀由三相6个桥臂组成，每个桥臂又由n个功率单元SM和一个相电抗器Larm串联成。其中，每个桥臂上的功率单元SM的个数由工程的电压等级及功率器件等条件决定，不同的工程n的值不同。MMC换流阀内部的功率单元为需要在线检测的子模块；按照是否正在开展电容容值在线检测，划分桥臂内子模块分为“非检测模块”和“检测模块”。

子模块的旁路晶闸管器件与半桥桥口反向连接，机械式旁路开关与旁路晶闸管并联连接。开关管T3可以是三极管等，电感为震荡电感，电阻为均压电阻，电容为直流电容。

本技术方案充分利用原来设备，通过增加检测电路及检测控制模块，即可实现在线检测，减少对电力系统的影响，有效解决了电容容值无法在线检测问题，提高了柔直系统的工程可靠性与可用率。

作为优选技术手段：所述的开关管T3为三极管，三极管的集电极与电感一端电连接，三极管的发射极与电感的另一端电连接，三极管的基极与中控板电连接。在兼顾成本的同时，工作可靠。

作为优选技术手段：所述的开关管T3为IGCT或IEGT。在三极管无法承受设定电压时，则可以采用其他类型的开关管T3，如IGCT、IEGT等。

作为优选技术手段：在步骤3)中，同时对柔直换流阀中每个桥臂1个或多个冗余模块切除，开展子模块电容容值测量，通过轮换完成所有桥臂模块电容容值测量。有效提高工作的可靠性。

作为优选技术手段：在步骤3)，进行检测时，先保持三极管导通状态，开展子模块放电时间常数测量，从而把电容降低至设定范围，然后再关断三极管，进入RLC震荡阶段，开始测量震荡周期。

作为优选技术手段：在步骤5)中，在完成电容容值测量后，导通三极管，旁路电感，然后通过控制子模块的开关器件开关，实现子模块进入正常投切。

作为优选技术手段：在步骤3)中，分别测量t1、t2、t3三个时刻电容电压U1、U2和U3，然后电容持续放电，降低电容电压，然后在t4时刻关断T3，进入震荡周期测量阶段，通过检测电容电压变化率为0的时刻，记录t5、t6、t7；然后导通开关管T3，使能电容欠压故障检测逻辑，控制“检测模块”进行投切，转变为“非检测模块”；

对于RC回路而言，其电容电压与时间关系可表示为：

其中R为已知，通过t1、t2、t3三个时刻电容电压U1、U2和U3，可计算得到C；

对于RLC震荡回路而言，电阻R会导致其震荡幅值越来越小，但不影响其震荡周期，其震荡周期为：

通过记录t5、t6、t7三个时刻，计算得到周期T，而电感L已知，通过上式即可求出电容容值C；

测到多个电容容值后，通过K均值聚类算法，最终得出电容容值，然后上传至阀控，报告给运检人员。为提高准确性，还可以增加采集时间点数量。

有益效果：本技术方案充分利用原来设备，通过增加检测电路及检测控制模块，即可实现在线检测，减少对电力系统的影响，有效解决了电容容值无法在线检测问题，提高了柔直系统的工程可靠性与可用率。

附图说明

图1是本发明的柔性直流输电MMC换流阀拓扑结构图。

图2是本发明的子模块电容测量回路拓扑结构图。

图3是本发明的子模块电容容值测量时典型电容两端电压曲线示意图。

图4是本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，柔性直流输电MMC换流阀由三相6个桥臂组成，每个桥臂又由n个功率单元SM和一个相电抗器Larm串联成。其中，每个桥臂上的功率单元SM的个数由工程的电压等级及功率器件等条件决定，不同的工程n的值不同。MMC换流阀内部的功率单元为需要在线检测的子模块；按照是否正在开展电容容值在线检测，划分桥臂内子模块分为“非检测模块”和“检测模块”。

如图2所示，子模块的旁路晶闸管器件与半桥桥口反向连接，机械式旁路开关与旁路晶闸管并联连接；其还包括2个IGBT，分别为T1和T2,T1和T2的门极与中控板相连。在本进行检测前在需要检测的子模块电路中增加检测电路，并在子模块中控板中增加检测控制模块，检测电路与子模块的电阻串联，电阻、检测电路串联形成的支路与电容并联；检测电路包括电感及与电感并联的开关管T3，检测控制模块控制开关管T3的通断，开关管T3可以是三极管等，电感为震荡电感，电阻为均压电阻，电容为直流电容。

按照是否正在开展电容容值在线检测，划分桥臂内模块为“非检测模块”和“检测模块”。

对于非检测模块，保持三极管处于导通状态，参与子模块的正常均压排序与投切，含有电容容值测量结构的柔性直流输电MMC换流阀级控制策略及子模块投入切除策略较优化前无差别。不同之处在于，对于“检测模块”，下达切除指令，在未完成电容容值测量前，始终保持切除状态。对于“检测模块”，如图2所示，控制T2导通，保持T1关断，屏蔽电容欠压故障检测逻辑，进入切除状态。

具体的，柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，包括以下步骤：

1)获得柔直换流阀的冗余子模块数，当冗余子模块数量大于等于1时，则进入下一步；若否，则结束；

2)预先在子模块电路中增加检测电路，并在子模块中控板中增加检测控制模块，检测电路与子模块的电阻串联，电阻、检测电路串联形成的支路与电容并联；检测电路包括电感及与电感并联的三极管，检测控制模块控制开关管T3的通断；

3)在柔直换流阀正常运行模式下，利用柔直换流阀中子模块冗余，对待检测子模块下达指令，进入切除模式，屏蔽该子模块电容欠压故障保护逻辑，子模块电容进入放电过程；此时，开始进行放电过程的放电时间常数测量；电容放电至较低设定电压时，关断电感并联的开关管T3，进行震荡周期测量；

4)放电时间常数及震荡周期求得电容容值，判断得到电容是否发生容值衰减失效；

5)测量完毕后，通过控制子模块进入投入过程，实现子模块切除后再投入。通常电容电压达到350V以上，高压取能电源即可正常工作，只需在电容电压降低至350V以上时，及时下达投入指令，恢复子模块电容欠压故障保护逻辑，即可仍然保持对子模块的投切控制；

6)对下个或多个模块下达切除指令，转入“检测模块”状态，开始对应模块的容值在线检测；

7)重复步骤3)-6)，进行多次轮换，完成换流阀所有子模块容值检测，针对容值衰减较为严重的，根据判定标准下发指令，闭合旁路开关，旁路故障模块。

流程也可如图4所示。

按需要三极管可替换为IGCT、IEGT等。

为提高工作的效率：在步骤3)中，同时对柔直换流阀中每个桥臂多个冗余模块切除，开展子模块电容容值测量，通过轮换完成所有桥臂模块电容容值测量；进行检测时，先保持三极管导通状态，开展子模块放电时间常数测量，从而把电容降低至设定范围，然后再关断三极管，进入RLC震荡阶段，开始测量震荡周期。

在步骤5)中，在完成电容容值测量后，导通三极管，旁路电感，然后通过控制子模块的开关器件开关T1、T2，实现子模块进入正常投切。

如图3所示，在步骤3)中，分别测量t1、t2、t3三个时刻电容电压U1、U2和U3，然后电容持续放电，降低电容电压，然后在t4时刻关断T3，进入震荡周期测量阶段，通过检测电容电压变化率为0的时刻，记录t5、t6、t7；然后导通开关管T3，使能电容欠压故障检测逻辑，控制“检测模块”进行投切，转变为“非检测模块”；

对于RC回路而言，其电容电压与时间关系可表示为：

其中R为已知，通过t1、t2、t3三个时刻电容电压U1、U2和U3，可计算得到C；

对于RLC震荡回路而言，电阻R会导致其震荡幅值越来越小，但不影响其震荡周期，其震荡周期为：

通过记录t5、t6、t7三个时刻，计算得到周期T，而电感L已知，通过上式即可求出电容容值C；

通过上述两个过程分别可测到多个电容容值，通过K均值聚类算法，最终得出电容容值，然后上传至阀控，报告给运检人员。为提高准确性，还可以增加采集时间点数量。

上述过程可针对单个或多个模块同时开展，具体数目可根据现有冗余数量进行确定。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)获得柔直换流阀的冗余子模块数，当冗余子模块数量大于等于1时，则进入下一步；若否，则结束；

2)预先在子模块电路中增加检测电路，并在子模块中控板中增加检测控制模块，检测电路与子模块的电阻串联，电阻、检测电路串联形成的支路与电容并联；检测电路包括电感及与电感并联的开关管T3，检测控制模块控制开关管T3的通断；

3)在柔直换流阀正常运行模式下，利用柔直换流阀中子模块冗余，对待检测子模块下达指令，进入切除模式，屏蔽该子模块电容欠压故障保护逻辑，子模块电容进入放电过程；此时，开始进行放电过程的放电时间常数测量；电容放电至较低设定电压时，关断电感并联的开关管T3，进行震荡周期测量；

4)放电时间常数及震荡周期求得电容容值，判断得到电容是否发生容值衰减失效；

5)测量完毕后，通过控制子模块进入投入过程，实现子模块切除后再投入；

6)对下个或多个模块下达切除指令，转入“检测模块”状态，开始对应模块的容值在线检测；

7)重复步骤3)-6)，进行多次轮换，完成换流阀所有子模块容值检测，针对容值衰减较为严重的，根据判定标准下发指令，闭合旁路开关，旁路故障模块。

2.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，其特征在于：所述的开关管T3为三极管，三极管的集电极与电感一端电连接，三极管的发射极与电感的另一端电连接，三极管的基极与中控板电连接。

3.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，其特征在于：所述的开关管T3为IGCT或IEGT。

4.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，其特征在于：在步骤3)中，同时对柔直换流阀中每个桥臂1个或多个冗余模块切除，开展子模块电容容值测量，通过轮换完成所有桥臂模块电容容值测量。

5.根据权利要求2所述的一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，其特征在于：在步骤3)，进行检测时，先保持三极管导通状态，开展子模块放电时间常数测量，从而把电容降低至设定范围，然后再关断三极管，进入RLC震荡阶段，开始测量震荡周期。

6.根据权利要求5所述的一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，其特征在于：在步骤5)中，在完成电容容值测量后，导通三极管，旁路电感，然后通过控制子模块的开关器件开关，实现子模块进入正常投切。

7.根据权利要求1所述的一种柔直换流阀子模块直流电容故障在线检测方法，其特征在于：在步骤3)中，分别测量t1、t2、t3三个时刻电容电压U1、U2和U3，然后电容持续放电，降低电容电压，然后在t4时刻关断T3，进入震荡周期测量阶段，通过检测电容电压变化率为0的时刻，记录t5、t6、t7；然后导通开关管T3，使能电容欠压故障检测逻辑，控制“检测模块”进行投切，转变为“非检测模块”；

对于RC回路而言，其电容电压与时间关系可表示为：

其中R为已知，通过t1、t2、t3三个时刻电容电压U1、U2和U3，可计算得到C；

对于RLC震荡回路而言，电阻R会导致其震荡幅值越来越小，但不影响其震荡周期，其震荡周期为：

通过记录t5、t6、t7三个时刻，计算得到周期T，而电感L已知，通过上式即可求出电容容值C；

测到多个电容容值后，通过K均值聚类算法，最终得出电容容值，然后上传至阀控，报告给运检人员。

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