CN112083232B - 一种模块化多电平换流器电容容值监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化多电平换流器电容容值监测方法，所述监测方法包括以下步骤：每时每刻只对一个子模块进行检测，在N_T个基频周期监测周期，计算特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii，监测周期结束后，计算出特征量F_ui和F_ii，进而推算出被测子模块的电容容值。本发明监测方法通过子模块的调制信号，无需子模块精确的开关函数，减少了控制器的通信负担和计算负担，并且对传感器噪声有良好的免疫效果，而且不会对模块化多电平变换器的控制产生负面的影响。

Description

一种模块化多电平换流器电容容值监测方法

技术领域

本发明涉及一种电容容值监测方法，具体是一种模块化多电平换流器电容容值监测方法。

背景技术

相对于传统的两电平和三电平换流器，模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)具有效率高、输出交流电压谐波小、高度模块化等特点，更适用于高电压、大功率的应用场合，在柔性直流输电、中压电机驱动等领域具有广阔的前景。

MMC的可靠运行是该技术研究的关键之一，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。MMC通常包含大量的模块，其中，电容故障占比30％，是MMC故障的主要来源之一。电容故障包括结构性故障和参数性故障，但主要表现为参数性故障。由于电容的引出电极经受长时间大电流的充、放电冲击，出现不同程度的氧化现象，电容的瞬态充、放电电流值大为降低，使电容储电能力下降，电容参数发生变化；另外，伴随着电容运行频率、周围环境温度的变化，电容参数亦会发生一定程度的变化。

在实际MMC应用中，电解电容由于其容量大、成本低、不易短路等特点，在微电网和电机驱动等领域依然有着较多应用。通常，当电解电容参数变化超过一个范围，如C下降为额定值的80％，则判定该电解电容失效，需要对其进行及时更换。如果不能及时监测电容参数的变化，对失效电容进行更换，不仅会影响电容自身的运行性能，而且会影响其他电气元器件的可靠运行，降低MMC整体运行性能，甚至造成MMC系统故障。

目前已有的研究往往需要子模块开关函数进行电容容值监测，但是基于载波移相控制的开关函数的是在FPGA中生成的，并且开关频率较高，而电容容值监测算法是在DSP中实现的，这意味着获得精确的开关函数需要极高的采样频率，这样会带给DSP和FPGA中的通信带来极大的负担，传感器的噪声带来的误差会影响传统的电容容值监测精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器电容容值监测方法，所述监测方法步骤如下：每时每刻只对一个子模块进行检测，在N_T个基频周期监测周期，计算特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii。监测周期结束后，计算出特征量F_ui和F_ii，进而推算出被测子模块的电容容值。容值监测方法通过子模块的调制信号，无需子模块精确的开关函数，减少了控制器的通信负担和计算负担，并且对传感器噪声有良好的免疫效果，而且不会对模块化多电平变换器的控制产生负面的影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种模块化多电平换流器电容容值监测方法，所述容值检测方法包括以下步骤：

S1、采集所需数据，包括采集桥臂电流i_arm、被监测子模块的电容电压u_ci和调制信号y_i；

S2、在监测周期内，对被测子模块计算特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii；

S3、监测周期结束后，根据A_ui、B_ui、A_ii和B_ii计算特征值F_ui和F_ii；

S4、根据特征值F_ui和F_ii推算出被测子模块的电容容值C_i。

进一步地，所述被测子模块特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii的计算方式如下：

P1、根据电容电压锁相角度θ(t)分别计算监测周期的开始和结束；

P2、在监测周期内，根据

分别计算出被测子模块的特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii，

A_ui和B_ui均为第i个子模块电容电压；

A_ii和B_ii均为第i个子模块电容电流。

进一步地，所述特征值F_ui和F_ii的计算方式如下：

根据已求出来的A_ui、B_ui、A_ii和B_ii特征值，通过公式

计算特征值F_ui和F_ii。

进一步地，所述电容容值C_i的计算方法如下：

根据已求出来的F_ui和F_ii特征值，通过公式

ω₀＝2πf

计算出被测子模块的电容容值C_i，

f为交流侧频率。

本发明的有益效果：

1、本发明监测方法避免了采用子模块的开关函数，易于实施，利用子模块的调制信号进行电容容值监测，减小了DSP和FPGA之间的通信负担，降低了DSP的计算负担，效果好；

2、本发明监测方法在子模块电容容值监测过程中，特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii均是通过积分得到，电流传感器和电压传感器的噪声在积分过程中被削弱，使得该算法对传感器噪声免疫，电容容值测量精度高；

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。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明三相MMC结构示意图；

图2是本发明子模块拓扑结构示意图；

图3是本发明实施流程示意图。

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。

实施例1

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、图2所示，每个桥臂上包含了n个相同的子模块(Submodule，SM)及一个桥臂电感L_s，子模块采用半桥结构，子模块包括2个功率开关T₁、T₂，2个二极管D₁、D₂和1个直流电容，电容电压平衡方法为：

根据桥臂电流、子模块电容电压和桥臂子模块平均电容电压的差值Δu_ci生成补偿分量，当桥臂电流大于0，补偿分量和Δu_ci成反比；当桥臂电流小于0，补偿分量和Δu_ci成正比；

将补偿分量叠加在桥臂参考电压上，得到子模块的调制信号，子模块的调制信号与载波比较，得到子模块的开关函数，子模块电容电压在开关函数的控制下保持平衡。

一种模块化多电平换流器电容容值监测方法

如图3所示，为了实现上述目的，监测方法步骤如下：

S1、采集所需数据，包括采集桥臂电流i_arm、被监测子模块的电容电压u_ci和被监测子模块的调制信号y_i；

S2、在监测周期内，对被测子模块计算特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii；

S3、监测周期结束后，根据A_ui、B_ui、A_ii和B_ii计算特征值F_ui和F_ii；

S4、根据特征值F_ui和F_ii推算出被测子模块的电容容值C_i。

被测子模块特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii的计算方式如下：

P1、根据电容电压锁相角度θ(t)分别计算监测周期的开始和结束；

P2、在监测周期内，根据

分别计算出被测子模块的特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii，

A_ui和B_ui均为第i个子模块电容电压；

A_ii和B_ii均为第i个子模块电容电流。

特征值F_ui和F_ii的计算方式如下：根据已求出来的A_ui、B_ui、A_ii和B_ii特征值，通过公式

计算特征值F_ui和F_ii。

电容容值C_i的计算方法如下：根据已求出来的F_ui和F_ii特征值，通过公式

ω₀＝2πf

计算出被测子模块的电容容值C_i，

f为交流侧频率。

本发明监测方法适用于基于载波移相的模块化多电平变换器系统，与传统的电容状态监测方法相比，减小DSP和FPGA的通信负担，效果显著，减少DSP的计算负担，并且对传感器噪声免疫，使得电容监测的结果具有很高的精度。

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 (1)

1.一种模块化多电平换流器电容容值监测方法，其特征在于，所述容值检测方法包括以下步骤：

S1、采集所需数据，包括采集桥臂电流i_arm、被监测子模块的电容电压u_ci和调制信号y_i；

S2、在监测周期内，对被测子模块计算特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii；

S3、监测周期结束后，根据A_ui、B_ui、A_ii和B_ii计算特征值F_ui和F_ii；

S4、根据特征值F_ui和F_ii推算出被测子模块的电容容值C_i；

所述被测子模块特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii的计算方式如下：

P1、根据电容电压锁相角度θ(t)分别计算监测周期的开始和结束；

P2、在监测周期内，根据

分别计算出被测子模块的特征值A_ui、B_ui、A_ii和B_ii；

所述特征值F_ui和F_ii的计算方式如下：

根据已求出来的A_ui、B_ui、A_ii和B_ii特征值，通过公式

计算特征值F_ui和F_ii；

所述电容容值C_i的计算方法如下：

根据已求出来的F_ui和F_ii特征值，通过公式

ω₀＝2πf

计算出被测子模块的电容容值C_i；

所述A_ui和B_ui均为第i个子模块电容电压，A_ii和B_ii均为第i个子模块电容电流；

所述f为交流侧频率。

Images