CN114264885B - 一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，包括：基于最近电平法对换流阀进行控制，在控制过程中检测换流阀中各个模块的投切动作；每次投切动作后，根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，在每个分组中按照模块的电容电压进行实时的模块排序；记录任意两次投切动作的时间间隔，分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化，若排序变化满足预设老化条件，则发出电容老化告警。本发明在最近电平法的基础思路上，通过对模块进行分组排序，实现对电容器老化情况的在线监测与告警，计算过程不影响原换流阀系统运行和控制，方法本身具备一定的广泛适应性。

Description

一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法。

背景技术

换流阀是现有新能源输电系统必备的特种电力电子变换设备，根据电能变换要求的不同，目前常见的电路拓扑包括基于模块化多电平变换器(modular multilevelconverter，MMC)的电路，常用于柔直工程，以及基于模块化多电平矩阵变换器(modularmultilevel matrix converter，M3C)的电路，用于低频输电交交换频变换器。在高压应用领域，随着换流阀中模块数量的增加，设备成本较高，并且对运维方面也提出了较高的要求。

换流阀中的各个模块大量使用电容，电容寿命是电力电子设备使用寿命受限制的主要因素，因此各个模块中电容的性能直接影响着换流阀本身的运行特性。由于换流阀长期在谐波较大、温度加高的环境中工作，其模块中的电容极易出现老化，导致其电容值减小、等效串联电阻值增大。与开路和短路故障不同，老化是一个参数缓慢变化的过程，不会给系统带来瞬间参数的突变，对电压、电流波形的影响不明显，因此现有的对电容器短路和开路的故障诊断方法并不适用于电容老化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，包括：

基于最近电平法对换流阀进行控制，在控制过程中检测换流阀中各个模块的投切动作；

每次投切动作后，根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，在每个分组中按照模块的电容电压进行实时的模块排序；

记录任意两次投切动作的时间间隔，分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化，若排序变化满足预设老化条件，则发出电容老化告警。

可选的，所述换流阀的拓扑包含至少一条换流链，每条换流链包含至少一个依次串联连接的模块。

可选的，所述分组的个数与模块的运行状态的种类个数相同。

可选的，所述根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，包括：

当模块的运行状态分为两类时，将串联侧输出电平为1的模块划分到第一分组，将串联侧输出电平为0的模块划分到第二分组。

可选的，所述根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，包括：

当模块的运行状态分为三类时，将串联侧输出电平为1的模块划分到第一分组，将串联侧输出电平为0的模块划分到第二分组，将串联侧输出电平为-1的模块划分到第三分组。

可选的，所述任意两次投切动作的时间间隔大于等于换流阀的基础控制周期的2倍。

可选的，所述分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化，若排序变化满足预设老化条件，则发出电容老化告警，包括：

在时间间隔内，实时记录待测模块所在分组前后相邻的两个模块的预设序号；

分别累加排序在待测模块前和后的两个模块的预设序号出现次数，确定待测模块前的最多出现次数F以及待测模块后的最多出现次数G，并记录F和G对应模块的预设序号；

分别将F和G与时间间隔内的投切总次数相除，若相除结果均小于预设阈值，则判定排序变化满足预设老化条件，发出电容老化告警。

可选的，所述换流阀模块电容在线监测方法还包括，在分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化之前，记录任意两次投切动作的时间间隔，根据时间间隔内待测模块的电容电压和电容电流，计算待测模块的电容值，若所述电容值和排序变化均满足预设老化条件，则发出电容老化告警。

可选的，所述记录任意两次投切动作的时间间隔，根据时间间隔内待测模块的电容电压和电容电流，计算待测模块的电容值，包括：

计算时间间隔T内待测模块的电容电流的平均值Iavg；

计算待测模块在时间间隔T首尾两端对应的投切动作时电容电压的差值dU；

计算待测模块的电容值为C＝Iavg×T/dU。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明在最近电平法(NLM)的基础思路上，针对目前广泛应用NLM算法的多模块换流阀，通过对模块进行分组排序，提供了两种判断电容老化情况的执行思路，可以直接计算模块电容电压，也可以间接通过排序变化逻辑，并结合两种判断结果实现对电容器老化情况的在线监测与告警。计算过程不影响原换流阀系统运行和控制，方法本身具备一定的广泛适应性，除应用NLM算法的MMC和M3C电路，也可以用于应用NLM算法的SVG、串补、UPFC、DPFC等其他多种多模块换流阀的电容老化情况在线监测，可以提高多模块换流阀子模块容值监测的高效性和经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。

应当理解，在本发明中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。

取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

实施例一

如图1所示，本实施例提出了一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，包括：

S1：基于最近电平法对换流阀进行控制，在控制过程中检测换流阀中各个模块的投切动作；

S2：每次投切动作后，根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，在每个分组中按照模块的电容电压进行实时的模块排序；

S3：记录任意两次投切动作的时间间隔，分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化，若排序变化满足预设老化条件，则发出电容老化告警。

最近电平法(nearest level modulation，NLM)是一种适合高电平数换流器的阶梯波调制策略，其基本控制思路是通过投切模块的个数，控制换流阀总体输出最接近理想效果的交流电压。在投切过程中，NLM算法通常基于模块的电容电压排序来确定模块的投切顺序，例如，当需要投入一个模块时，NLM算法会在尚未投入的模块中选择当前电容电压最高的模块投入。

本实施例在NLM算法的基础上，通过分析模块进行分组排序的情况，实现电容老化的判断，同时为了进一步提高老化监测的准确性，结合了模块电容电压的直接计算结果，判断是否发出电容老化告警。

在本实施例中，所述换流阀为模块化多电平变换器或模块化多电平矩阵变换器中的一种变换器，上述两种变换器的拓扑均包括至少一条换流链，每条换流链包含至少一个依次串联连接的模块，每个模块中均包含电容。

基于上述拓扑结构，基于最近电平法对换流阀进行控制，在控制过程中检测换流阀中各个模块的投切动作，而这些投切动作可能引起模块的运行状态发生变化，本实施例根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，其中，所述分组的个数与模块的运行状态的种类个数相同，即若有N种运行状态，则将模块按照运行状态分为第一分组、第二分组、…、第N分组，每个分组中模块的运行状态相同。

例如，当模块的运行状态分为两类时，状态A为模块串联侧输出1电平，状态B为模块串联侧输出0电平，将串联侧输出电平为1的模块划分到第一分组，将串联侧输出电平为0的模块划分到第二分组。再例如，当模块的运行状态分为三类时，状态A为模块串联侧输出1电平，状态B为模块串联侧输出0电平，状态C为模块串联侧输出-1电平，将串联侧输出电平为1的模块划分到第一分组，将串联侧输出电平为0的模块划分到第二分组，将串联侧输出电平为-1的模块划分到第三分组。

分组完毕后，对于每个分组，按照模块的电容电压进行实时的模块排序，本实施例中电容电压越大，排序越靠前。

基于上述排序分组机制，首先记录任意两次投切动作的时间间隔，为了保证分析数据的全面性，本实施例中所述任意两次投切动作的时间间隔大于等于换流阀的基础控制周期的2倍。然后再分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化，判断模模块中的电容是否老化，具体包括：

在时间间隔内，实时记录待测模块所在分组前后相邻的两个模块的预设序号；

分别累加排序在待测模块前和后的两个模块的预设序号出现次数，确定待测模块前的最多出现次数F以及待测模块后的最多出现次数G，并记录F和G对应模块的预设序号；

分别将F和G与时间间隔内的投切总次数相除，若相除结果均小于预设阈值，则判定排序变化满足预设老化条件，发出电容老化告警。

由于每次分组内均按照电容电压的大小进行排序，因此当模块中的电容未出现老化故障时，每个分组中模块的排序相对固定，由此可见，对于某一个待测模块，即使其由于投切动作切换到其他分组，其前后相邻的两个模块也是相对固定的。因此，时间间隔内的投切总次数一定时，若F和G小到一定程度，可以分析处待测模块在分组中的排序变动较频繁，表示待测模块的电容电压发生异常波动，进而视为其电容老化。

本实施例针对多模块换流阀控制策略出发，在模块数目愈加增多的情况下，基于NLM算法的分组排序思路，实现换流阀的模块电容老化在线监测的功能。

实施例二

实施例二与实施例一的区别在于，在执行S3之前，还包括：

根据时间间隔内待测模块的电容电压和电容电流，计算待测模块的电容值，将电容值与排序变化结合分析是否满足预设老化条件，若满足则发出电容老化告警。所述电容值的具体计算过程包括：

计算时间间隔T内待测模块的电容电流的平均值Iavg；

计算待测模块在时间间隔T首尾两端对应的投切动作时电容电压的差值dU，即dU＝dU₁-dU₂，其中dU₁为时间间隔首端对应的投切动作时的电容电压，dU₂为时间间隔末端对应的投切动作时的电容电压；

计算待测模块的电容值为C＝Iavg×T/dU。

为了在线监测电容老化，本实施例提出了直接判断和间接判断两种监测逻辑。在实际应用中，直接判断和间接判断中的任意一种监测逻辑均可独立实现电容的老化监测，而本实施例为了进一步提高老化监测的准确性，将两种检测逻辑结合，决定是否需要进行电容老化告警。对于直接判断，本实施例根据时间间隔内待测模块的电容电压和电容电流，计算待测模块的电容值，具体计算过程包括：

计算时间间隔T内待测模块所在的换流链处的电流平均值Iavg；

根据待测模块在两次投切动作时的电容电压，计算电容插值dU；

计算待测模块的电容值为C＝Iavg×T/dU。

在本实施例中，若F和G与时间间隔内的投切总次数相除的结果均小于第一预设阈值，同时上述电容值C小于第二于预设阈值，则判定待测模块满足预设老化条件，进而发出电容老化告警。

本实施例针对多模块换流阀控制策略出发，在模块数目愈加增多的情况下，基于NLM算法的分组排序思路，并在其基础上结合电容值的直接测算结果加以改进，实现换流阀的模块电容老化在线监测的功能，能够进一步提高监测结果的准确性。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，其特征在于，包括：

基于最近电平法对换流阀进行控制，在控制过程中检测换流阀中各个模块的投切动作；

每次投切动作后，根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，在每个分组中按照模块的电容电压进行实时的模块排序；

记录任意两次投切动作的时间间隔，分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化，若排序变化满足预设老化条件，则发出电容老化告警;

所述分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化，若排序变化满足预设老化条件，则发出电容老化告警，包括：

在时间间隔内，实时记录待测模块所在分组前后相邻的两个模块的预设序号；

分别累加排序在待测模块前和后的两个模块的预设序号出现次数，确定待测模块前的最多出现次数F以及待测模块后的最多出现次数G，并记录F和G对应模块的预设序号；

分别将F和G与时间间隔内的投切总次数相除，若相除结果均小于预设阈值，则判定排序变化满足预设老化条件，发出电容老化告警。

2.根据权利要求1所述的一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，其特征在于，所述换流阀的拓扑包含至少一条换流链，每条换流链包含至少一个依次串联连接的模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，其特征在于，所述分组的个数与模块的运行状态的种类个数相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，其特征在于，所述根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，包括：

当模块的运行状态分为两类时，将串联侧输出电平为1的模块划分到第一分组，将串联侧输出电平为0的模块划分到第二分组。

5.根据权利要求1所述的一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，其特征在于，所述根据模块的运行状态，将所有模块划分为若干个分组，包括：

当模块的运行状态分为三类时，将串联侧输出电平为1的模块划分到第一分组，将串联侧输出电平为0的模块划分到第二分组，将串联侧输出电平为-1的模块划分到第三分组。

6.根据权利要求1所述的一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，其特征在于，所述任意两次投切动作的时间间隔大于等于换流阀的基础控制周期的2倍。

7.根据权利要求1所述的一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，其特征在于，所述换流阀模块电容在线监测方法还包括，在分析时间间隔内待测模块在分组中前后相邻两个模块的排序变化之前，根据时间间隔内待测模块的电容电压和电容电流，计算待测模块的电容值，将电容值与排序变化结合分析是否满足预设老化条件，若满足则发出电容老化告警；

其中，将电容值与排序变化结合分析是否满足预设老化条件，若满足则发出电容老化告警包括：

若F和G与时间间隔内的投切总次数相除的结果均小于第一预设阈值，同时上述电容值C小于第二于预设阈值，则判定待测模块满足预设老化条件，进而发出电容老化告警。

8.根据权利要求7所述的一种基于排序算法的换流阀模块电容在线监测方法，其特征在于，所述根据时间间隔内待测模块的电容电压和电容电流，计算待测模块的电容值，包括：

计算时间间隔T内待测模块的电容电流的平均值Iavg；

计算待测模块在时间间隔T首尾两端对应的投切动作时电容电压的差值dU；

计算待测模块的电容值为。