一种柔性直流换流阀子模块电容值在线计算方法与流程

本发明涉及柔性直流换流站，具体为一种柔性直流换流阀子模块电容值在线计算方法。

背景技术：

1、在现代电子设备中，模块化多电平换流器(mmc)中的电容被广泛应用于电力电子系统中，用于储存和释放能量，平衡电力系统的电压和电流。然而，在长期运行过程中，由于工作环境中的温度、湿度、电气应力以及频率等因素的影响，mmc中的电容可能会发生老化，导致其性能下降甚至失效。因此，在线监测准确评估mmc电容的老化程度对于维护设备的性能和可靠性至关重要。

2、传统的电容老化检测方法通常通过实验测试和参数分析。一种常见的方法是通过对电容进行离线实验，测量其电容值、损耗因子、等效串联电阻等参数，然后通过对比实验结果与理论模型进行分析判断。然而，这种方法需要停电和拆卸电容，并且费时费力。这种方法需要将电容从电路中取下并停电。此外，该方法需要专业的实验设备和技术人员进行测试，且费时费力，缺乏一种能够监测在运子模块电容值的计算方法。

3、为了克服传统方法的局限性，子模块电容电压排序均衡控制策略解决子模块电容电压在充放电过程中的不平衡问题，再结合换流阀控制系统中子模块电容电压值、桥臂电流值，提出子模块电容值的在线计算方法，能够在线获取子模块电容值。加快子模块老化判断的速度，有效提高柔直换流阀运行稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种柔性直流换流阀子模块电容值在线计算方法。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种柔性直流换流阀子模块电容值在线计算方法，包括以下步骤，

3、步骤1：在桥臂电流在上下两个桥臂上平分以及直流电流在三相之间均分情况下，得出桥臂电流的计算公式，结合子模块充放电状态，得出子模块电容充放电原理公式；

4、步骤2：结合子模块开关函数、mmc的调制比、mmc交流侧相电压函数，推导出桥臂电容电压的表达式；

5、步骤3：根据子模块间的电容电压差异性，导致模块电压的不平衡问题，得到电容电压均衡策略；

6、步骤4：在子模块电容电压均衡策略下，利用充放电中电容器电压、充放电电流以及电容值直接的关系，得到模块电容值在线计算等式。

7、优选地，所述步骤1具体包括，

8、在mmc三相对称正常运行时，由于上下桥臂的阻抗参数基本抑制，所以桥臂电流在上下两个桥臂上平分，同时在任意时刻每相桥臂投入的子模块数量均为恒定值n，每一相的参数也是相同的，因此直流电流在三相之间均分，桥臂电流中的二倍频分量已经被抑制，只存在直流分量和基频分量，故桥臂电流表示为：

9、

10、

11、式中：ia1表示上桥臂电流值，ia2表示下桥臂电流值，id表示直流侧电流值，im表示交流电流的峰值；ω表示基频角频率；表示交流侧功率因数角，t表示随时间变化。

12、优选地，所述步骤2具体包括，

13、当桥臂电流大于0时，子模块电容处于充电状态，电容电压升高；当桥臂电流小于0时，子模块电容处于放电状态，电容电压降低，根据电容充放电的原理可得：

14、

15、

16、式中：cak1表示a相上桥臂的第k个模块的电容值，cak2表示a相下桥臂的第k个模块的电容值；ucak1表示a相上桥臂的第k个模块的电容电压值，ucak2表示a相下桥臂的第k个模块的电容电压值；sa1表示a相上桥臂第k个子模块的开关函数，sa2表示a相下桥臂第k个子模块的开关函数，d表示取导数，t表示随时间变化，如下式所示，式中m为mmc的调制比：

17、

18、

19、忽略换流站内部的损耗，则mmc交流侧的有功功率等于直流侧的功率，即：

20、

21、

22、式中，um表示mmc交流侧相电压的幅值，ud表示直流侧电压，结合上式可得：

23、

24、

25、优选地，所述步骤3具体包括，

26、采用最近电平逼近调制的mmc，采用基于排序算法的电容电压均衡策略实现各子模块电容电压的平衡，在最近电平逼近调制中以及得到了每个控制周期所需投入的子模块个数n，并未指定具体投入的子模块编号，电容电压发生变化的根本原因在于电容流过桥臂电流后进行充放电，为此通过控制各个子模块开通和关断的时间，使电容电压过大的子模块少充电、多放电，使电压过小的子模块少放电、多充电，即可实现电容电压的均衡，因此提出电容电压排序均衡控制，具体地，首先将桥臂上所有子模块的电容电压按大小排序，当桥臂电流大于0时，此时桥臂处于充电状态，投入电容电压最小的n个子模块；反之，桥臂处于放电状态时，投入电容电压最大的n个子模块，该方法使电压较高的子模块放电、电压较小的子模块充电，从而实现桥臂上电容电压的均衡；在mmc运行过程中，子模块电容器不断充放电，利用充放电中电容器电压、充放电电流以及电容值直接的关系即可对子模块电容值进行计算，在子模块电容投入运行的状态下，电容器电压等于反馈到控制系统的子模块电容电压，充放电电流等于同一时间的桥臂电流。

27、优选地，所述步骤4具体包括，

28、对mmc结构和控制的分析可知，子模块电压和桥臂电流对于mmc控制系统为已知信息，且在运行过程中实时更新，因此利用子模块电容电压和桥臂电流在线获取子模块电容值，具体地，利用上、下桥臂电容电压的表达式：

29、

30、

31、

32、式中，un0表示子模块电容电压的初始值。

33、优选地，在子模块电容电压ucak1(ucak2)和桥臂电流id作为实测值已知的情况下，利用上、下桥臂电容电压的表达式，得到子模块电容值在线监测值。

34、本发明提供了一种柔性直流换流阀子模块电容值在线计算方法，具备以下有益效果：

35、本发明利用mmc运行过程中子模块投切原理，利用电容电压均衡策略消除各子模块电容电压之间的偏差，减小电容电压的不平衡度，结合在线监测获取的子模块电容电压、电流和开关频率数据，提出了在线情况下子模块电容电压的等效数学模型。本发明解决了现有技术中无法监测在运子模块电容值的问题，提出的子模块电容电压的在线计算方法，基于现有的在线监测系统的数据，不需要人工挖掘表征电容状态的特征量、不增加额外的监测传感器，可直接实现对子模块实时电容的计算，易于实现。

36、同时，克服了现有在mmc实际运行中，由于投入的模块数在实时发生改变，各个子模块投入的时刻与持续投入的时间长短都存在差异，桥臂电流的大小也在实时发生改变，电容值之间无法确保完全一致，模块电压的不平衡问题。利用电容电压均衡策略，使电容电压过大的子模块少充电、多放电，使电压过小的子模块少放电、多充电，即可实现电容电压的均衡。利用充放电中电容器电压、充放电电流以及电容值直接的关系，提出的子模块电容值的在线计算方法。能够利用子模块电容电压和桥臂电流在线获取子模块电容值，且能够避免mmc的调制策略、mmc子模块数量、运行工况以及桥臂电流畸变对电容值计算。