柔性直流输电系统MMC子模块关键元件同步在线监测方法技术方案

本发明专利技术涉及柔性直流输电系统MMC子模块关键元件同步在线监测方法，包括以下步骤：步骤S1:构建MMC‑HVDC系统；步骤S2:通过配置传感器获取桥臂电压、电流和子模块电容电压；步骤S3:构建子模块IGBT、二极管和电容器在线监测数学模型；步骤S4:通过卡尔曼滤波算法在线获取IGBT、二极管通态电压偏置、二极管通态电阻和电容器电容值；步骤S5:根据IGBT通态电压偏置、IGBT通态电阻，计算估计IGBT通态电压,并分别计算通态电压和通态电阻；步骤S6:根据得到的IGBT、二极管的通态电压、二极管通态电阻和电容器电容值，与设定参数阈值相比，对子模块进行老化识别和剩余寿命估计。本发明专利技术能够实现对监测MMC中半导体器件和电容器的同步在线监测。

Synchronous on-line monitoring method of key components in MMC sub module of flexible DC transmission system

【技术实现步骤摘要】
柔性直流输电系统MMC子模块关键元件同步在线监测方法
本专利技术涉及模块化多电平换流器监测领域，具体涉及柔性直流输电系统MMC子模块关键元件同步在线监测方法。
技术介绍
模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)近年来在柔性直流输电技术中得到了广泛的应用和发展，其可靠性关系到整个柔性直流输电系统的安全稳定运行。MMC的每个桥臂是由多个子模块级联而成，数量庞大，子模块中各器件的性能好坏决定换流器是否正常运行。MMC子模块所采用的的IGBT模块长期工作在热循环冲击下导致材料疲劳和老化，比如铝引线、焊接层断裂或脱落；子模块中的电容器通常采用金属化膜电容器，金属化膜电容器具有高可靠性、自愈性强和高储能密度等优势，但由于这种自愈性，使得电容值在运行过程中逐渐减少，加速了电容器的老化，当电容值下降量超过一定界限时，电容器的性能便急剧恶化，介质损耗迅速上升，电容值也迅速衰减，电容值过低将给换流器运行带来隐患，甚至会发生爆炸。因此，监测各个子模块中和电容器的状态参数，用以判断子模块器件老化程度，对MMC系统的可靠运行有重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性直流输电系统MMC子模块关键元件同步在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1:构建MMC-HVDC系统；/n步骤S2:通过配置传感器获取桥臂电压、电流和子模块电容电压；/n步骤S3:构建子模块IGBT、二极管和电容器在线监测数学模型；/n步骤S4:通过卡尔曼滤波算法在线获取IGBT通态电压偏置、二极管通态电压偏置、IGBT通态电阻、二极管通态电阻和电容器电容值；/n步骤S5:根据IGBT通态电压偏置、二极管通态电压偏置、IGBT通态电阻和二极管通态电阻，分别计算IGBT通态电压和二极管通态电压；/n步骤S6:根据得到的IGBT通态电压、二极管通态电压、IGBT通态电阻、...

【技术特征摘要】
1.一种柔性直流输电系统MMC子模块关键元件同步在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:构建MMC-HVDC系统；
步骤S2:通过配置传感器获取桥臂电压、电流和子模块电容电压；
步骤S3:构建子模块IGBT、二极管和电容器在线监测数学模型；
步骤S4:通过卡尔曼滤波算法在线获取IGBT通态电压偏置、二极管通态电压偏置、IGBT通态电阻、二极管通态电阻和电容器电容值；
步骤S5:根据IGBT通态电压偏置、二极管通态电压偏置、IGBT通态电阻和二极管通态电阻，分别计算IGBT通态电压和二极管通态电压；
步骤S6:根据得到的IGBT通态电压、二极管通态电压、IGBT通态电阻、二极管通态电阻和电容器电容值，与设定参数阈值相比，对子模块进行老化识别和剩余寿命估计。


2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统MMC子模块关键元件同步在线监测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：所述MMC的每个桥臂上配置n+2个传感器：其中电压传感器有n+1个，即n个子模块电容器上各加一电压传感器测电容电压UCx，以及桥臂上一个电压传感器测桥臂电压US；电流传感器一个，用以测量桥臂电流ipj。


3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统模块化多电平换流器子模块关键元件在线监测方法，其特征在于，所述子模块IGBT、二极管数学模型构建具体如下：
子模块中，IGBT和二极管的通态电压可近似线性表示如下：
UT＝UT0+iT·rT(1)
UD＝UD0+iD·rD(2)
其中，UT、UD分别为IGBT和二极管导通时的端电压，以开关器件导通方向为电压参考方向；iT为IGBT集电极电流，iD为二极管电流，UT0、UD0为通态电压偏置(On-statevoltagebias)；rT、rD为通态电阻；
设Sx、Sx1、Sx2、Sx3和Sx4表示第x个子模块的工作状态：Sx表示给T1的开关信号，开通信号为1，关断信号为0；Sx1、Sx2、Sx3和Sx4分别表示子模块中T1、T2、D1和D2的导通状态；
桥臂上第x个子模块的端电压如下式表示：
Usmx＝SxUCx-Sx1UT1x+Sx2UT2x+Sx3UD1x-Sx4UD2x(3)
而一个桥臂由n个子模块级联而成，故桥臂电压可以由桥臂上所有子模块端电压求和得到：



其中，Us(ti)为ti时刻的桥臂电压，将式(4)移项：



由式(1)、(2)可知，第x个子模块上IGBT和二极管的通态电压为：
UT1x(ti)＝UT1x0(ti)-ipj(ti)·rT1x(ti)(6)
UT2x(ti)＝UT2x0(ti)+ipj(ti)·rT2x(ti)(7)
UD1x(ti)＝UD1x0(ti)+ipj(ti)·rD1x(ti)(8)
UD2x(ti)＝UD2x0(ti)-ipj(ti)·rD2x(ti)(9)
其中，UT1x0(ti)、UT2x0(ti)、UD1x0(ti)、UD2x0(ti)表示该子模块对应元件的通态电压偏置，rT1x(ti)、rT2x(ti)、rD1x(ti)、rD2x(ti)则表示通态电阻；将式(6)～(9)代入式(5)并写成矩阵形式：



写成矩阵形式：



其中，UT1s0(ti)、UT2s0(ti)、UD1s0(ti)、UD2s0(ti)分别表示ti时刻桥臂上所有子模块两个IGBT即T1、T2和二极管D1、D2的通态电压，rT1s(ti)、rT2s(ti)、rD1s(ti)、rD2s(ti)表示ti时刻桥臂上所有子模块两个IGBT即T1、T2和二极管D1、D2的通态电阻，均为n维列向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑文迪，许启东，邵振国，周腾龙，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35