模块化多电平换流器的子模块状态监测方法和装置与流程

本发明涉及一种对模块化多电平（mmc）换流器中的子模块进行状态监测方法和装置。

背景技术

柔性直流输电采用电压源换流器，可以独立调节有功和无功的传输、提高交流系统的输电能力，易于构成多端直流输电系统，在可再生能源的发电并网、孤岛城市供电以及交流系统互联等应用领域，具有明显的竞争力。

目前使用模块化多电平（mmc）换流器技术的柔性直流技术有了广泛应用，mmc换流器的特点为使用若干具有相同或相似拓扑的子模块串联组成单个桥臂，从而实现电压和容量的扩展。其中冗余子模块的故障并不会影响整个系统的运行，但是子模块个体存在差异性，每个子模块中的主要部件igbt和电容承受的电流和电压会有所不同，长此以往导致子模块的故障几率会有所不同。

因此，针对基于模块化多电平（mmc）换流器的柔性直流输电系统中的子模块，需要进行故障状态监测，来为柔性直流系统的运行检修提供辅助信息。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够监测子模块的故障状态，从而为柔性直流系统的运行检修提供辅助信息的模块化多电平换流器的子模块状态监测方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模块化多电平换流器的子模块状态监测方法，用于监测模块化多电平换流器中的多个子模块的状态，所述模块化多电平换流器的子模块状态监测方法为：分别实时监测各个所述子模块中电容容值的变化情况，从而根据所述子模块中电容容值的变化情况来监测各个所述子模块的故障状态。

监测所述子模块中电容容值的变化情况的方法为：在每个采样周期中，根据当前采样周期和上一采样周期时所述子模块中的开关管状态和桥臂电流方向判断所述电容的充放电状态；当所述电容开始充电时检测所述电容的初始电压，当所述电容退出充电时检测所述的电容的终止电压；在所述电容的充电过程中，检测各个所述采样周期中的桥臂电流，从而根据所述采样周期以及各个所述采样周期中的所述桥臂电流而累加得到所述电容的充电电量，再根据所述充电电量、所述初始电压、所述终止电压计算得到所述电容的容值；根据多次计算出的所述电容的容值判断其变化情况。

判断所述电容的充放电状态的方法为：设定判断条件为所述子模块中的开关管关断以及所述桥臂电流方向为充电方向；若当前采样周期满足所述判断条件而上一采样周期不满足所述判断条件，则所述电容在当前采样周期开始充电；若当前采样周期满足所述判断条件且上一采样周期也满足所述判断条件，则判断所述电容在当前采样周期持续充电；若当前采样周期不满足所述判断条件而上一采样周期满足所述判断条件，则所述电容在当前采样周期退出充电。

在所述电容开始充电的采样周期中，根据sum=sum1=i0*t计算所述电容的充电电量sum，其中sum1为所述电容开始充电的采样周期时的累计充电电量，i0为所述容开始充电的采样周期中的桥臂电流，t为采样周期；在所述电容充电的第n个采样周期中，n为大于1的整数，根据sum=sumn=sumn-1+in*t计算所述电容的充电电量sum，其中sumn为所述电容从开始充电至第n个采样周期时的累计充电电量，in为第n个采样周期中的桥臂电流。

根据c=sum/(u1-u0)计算所述电容的容值c，其中，sum为所述电容的充电电量，u0为所述初始电压，u1为所述终止电压。

循环对各个所述子模块进行所述电容容值的计算。

当所述电容开始充电时记录充电开始时间，当所述电容退出充电时记录充电退出时间。

根据计算得到所述电容的容值描绘所述电容的容值随时间变化的曲线来监测所述子模块中电容容值的变化情况。

本发明还提供一种模块化多电平换流器的子模块状态监测装置，包括与所述子模块相通信而采集状态参数的采集模块、与所述采集模块相连接并依据所述状态参数来实现对所述子模块中电容容值的监测并获得监测结果的处理器、与所述处理器相连接而基于所述监测结果标示各所述子模块的标示模块。

所述采集模块包括采集所述子模块中开关管状态的状态采集器、采集所述子模块中桥臂电流方向和大小的电流采集器、采集所述子模块中所述电容开始充电时的初始电压和退出充电时的终止电压的电压采集器。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够对子模块的故障状态进行全面监测，从而为柔性直流系统的运行检修提供辅助信息，提高柔性直流系统检修工作的针对性，提高柔性直流系统的可靠性，对基于mmc的柔性直流系统的工程应用具有重要意义。

附图说明

附图1为本发明的模块化多电平换流器的子模块状态监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

模块化多电平换流器中包括多个子模块，子模块中储能电容的容值存在的差异，会使每个igbt和电容承受的电流和电压不同，长此以往，导致子模块的故障几率有所不同，而储能电容一般使用带自恢复能力的金属氧化膜电容，随着被击穿后自动恢复，容值也会出现变化。因此，监测储能电容的容值变化情况既可以进而判断出子模块的状态是否出现异常。

基于此，可以采用以下模块化多电平换流器的子模块状态监测方法来监测模块化多电平换流器中的多个子模块的状态。该模块化多电平换流器的子模块状态监测方法为：分别实时监测各个子模块中电容容值的变化情况，从而根据子模块中电容容值的变化情况来监测各个子模块的故障状态。

如附图1所示，监测子模块中电容容值的变化情况的方法为：预设采样周期t，在每个采样周期中，判断子模块中电容的充放电状态，从而根据电容的充电过程来计算电容容值。具体的，根据当前采样周期和上一采样周期时子模块中的开关管（模块下管）状态和桥臂电流方向判断电容的充放电状态。即：设定判断条件为子模块中的开关管关断以及桥臂电流方向为充电方向。若当前采样周期满足判断条件而上一采样周期不满足判断条件，则电容在当前采样周期开始充电；若当前采样周期满足判断条件且上一采样周期也满足判断条件，则判断电容在当前采样周期持续充电；若当前采样周期不满足判断条件而上一采样周期满足判断条件，则电容在当前采样周期退出充电。当判断出电容开始充电时，需要检测电容的初始电压u0，而当判断出电容退出充电时，需要监测电容的终止电压u1。而在在电容的充电过程中的各个采样周期中，即由开始充电至退出充电的过程中，则需要检测各个采样周期中的桥臂电流，从而根据采样周期以及各个采样周期中的桥臂电流而累加得到电容的充电电量。

具体的，在电容开始充电的那个采样周期，即电容充电的第1个采样周期中，根据sum=sum1=i0*t计算电容的充电电量sum，其中sum1为电容开始充电的采样周期时的累计充电电量，i0为容开始充电的采样周期中的桥臂电流，t为采样周期。在电容充电的第n个采样周期中，n为大于1的整数，则根据sum=sumn=sumn-1+in*t计算电容的充电电量sum，其中sumn为电容从开始充电至第n个采样周期时的累计充电电量，in为第n个采样周期中的桥臂电流。这样直至电容退出充电，就可以累计计算出整个充电过程中电容的充电电量sum，即至电容的最后一个充电周期得到的累计充电电量即为整个充电过程中电容的充电电量sum。然后，再根据整个充电过程中电容的充电电量sum、初始电压u0、终止电压u1计算得到电容的容值c，即根据c=sum/(u1-u0)计算电容的容值c。每次计算出电容容值c后将对应的充电电量sum清零以便下次计算。则对于同一个子模块，多次计算出其电容后，即可根据多次计算出的电容的容值判断其变化情况，从而测子模块的故障状态，当某个子模块的电容容值出现异常变化时，则表明该子模块的故障可能性提高。

由于每个子模块均需要监测电容容值的变化，因此，可以采用循环方式来对各个子模块进行电容容值的计算，即依次循环对各个子模块进行充放电状态判断，并在退出充电后计算其容值。

此外，当电容开始充电时，还可以记录充电开始时间t0，当电容退出充电时，记录充电退出时间t1。

还可以对各个子模块分别根据计算得到电容的容值描绘电容的容值随时间变化的曲线来监测子模块中电容容值的变化情况，比一组电容容值数据更加直观地体现电容容值的变化情况。

以上模块化多电平换流器的子模块状态监测方法通过模块化多电平换流器的子模块状态监测装置来实现。该模块化多电平换流器的子模块状态监测装置包括：采集模块、处理器和标示模块。

采集模块与子模块相通信而采集状态参数，它包括采集子模块中开关管状态的状态采集器、采集子模块中桥臂电流方向和大小的电流采集器、采集子模块中电容开始充电时的初始电压和退出充电时的终止电压的电压采集器。

处理器与采集模块相连接，用于依据状态参数来实现对子模块中电容容值的监测并获得监测结果，即上述方法流程在处理器中编程实现。

标示模块与处理器相连接，用于基于监测结果标示各子模块的故障状态。

上述模块化多电平换流器的子模块状态监测装置可以集成在模块化多电平（mmc）换流器中。

本发明通过对子模块电容容值变化的实时监测，能够筛选出具有较高故障可能性的子模块，从而提高柔性直流系统检修工作的针对性，提高柔性直流系统的可靠性，对基于mmc的柔性直流系统的工程应用具有重要意义。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。