CN113162042B - 一种基于频带能量的mmc***中mppf电容器失效评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频带能量的MMC***中MPPF电容器失效评估方法，首先获取待评估电容的电容输出电压；然后使用傅立叶分析对输出电压信号进行频域分析，得到频谱信号；再计算频域信号的功率谱；并对电容器输出电压功率谱的高频域段进行积分得到输出电压高频带能量；根据高频带能量计算电容失效度D；最后根据电容失效度D判断电容是否失效。本发明根据ESR值越大，电容输出电压高频带能量越大的关系，利用MMC中已有电容电压信号进行频带能量分析，得出电容器当前ESR变化情况，进而判断电容器当前失效状态，无需增加额外传感器即可实现电容器失效检测，避免投入额外成本。

Description

一种基于频带能量的MMC***中MPPF电容器失效评估方法

技术领域

本发明涉及电容器状态监测技术领域，具体为一种基于频带能量的MMC***中MPPF电容器失效评估方法。

背景技术

围绕建设低碳经济和构建能源互联网的战略目标，以及面临因经济的迅速发展对电力的需求量日益加剧，可再生能源应运而生。高压直流输电***(High voltage directcurrent transmission，HVDC)由于其传输距离远，***有功损耗小等优点，得到了广泛的应用。根据低碳智能电网的需求，未来大容量电力电子装备的优化设计必须在成本、效率和可靠性等方面进行综合考虑，因此HVDC***的可靠性成为了亟待解决的问题。模块化多电平换流阀作为HVDC***的主要变流器拓扑，其可靠性研究对HVDC***的稳定运行至关重要。

与传统两极电压源型变流器相比，通常用于储能和滤波的大容量直流母线电容器在MMC(Modular Multilevel Converter模块化多电平变流器)中被分布在各个子模块中的小型电容储能器所取代，因此在MMC中电容的体积和重量占了***的很大部分。MPPF(Metallized polypropylene film金属化聚丙烯薄膜)电容以其体积小、交流电流承载能力强、高公差等优点在MMC中被广泛使用。MMC中的高电压应力、大电流应力和交流工况导致的电容器内部核心温度波动都会加速MPPF电容器的老化，最终导致MPPF电容器的失效。电容器故障会给高压直流输电***运行带来很大风险，因此提出一种失效检测方法对MPPF电容器进行当前健康状态进行评估是十分必要的。

MMC主电路拓扑图如图1所示，O点为零电位参考点。MMC由六个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块(Submodule，SM)和一个电抗器L_arm串联而成，每一相的上下桥臂合并成为相单元。每个SM为一个半桥单元，S₁、S₂为IGBT模块，D₁、D₂为反并联二极管，C_SM为子模块直流侧电容；i_arm为桥臂电流，u_SM为子模块输出电压，i_cap为电容器充电电流，u_cap为电容电压，各物理量参考方向如图所示。每个子模块通过连接端口串联接入主电路，桥臂各个子模块输出电压之和等于直流母线电压U_dc。MMC中子模块共有三种工作模式，六个工作状态，对应电容器有两种输出状态，如图2所示。D₁导通或S₁导通时，SM处于切入模式，此时直流侧电容器接入主电路中，通过桥臂电流进行充放电，电容器输出电压为+u_cap；S₂导通或D₂导通时，SM处于切除模式，此时直流侧电容器被隔离，电容两侧电压维持不变，电容器输出电压为0；D₁导通或D₂导通时，SM处于闭锁模式，这种情况属于非正常工作模式，通常用来给电容器预充电或***发生故障时将电容器旁路。

与本发明近似的解决方案[参考文献：孙雨婷.MMC中金属化聚丙烯薄膜电容的状态监测[D].重庆大学,2020]：

将子模块电容器看作阻抗，电容阻抗可由(1)式计算而得，获得阻抗最简单快速的方法就是傅里叶分解来表示电容电压和电流响应。因此，得到任意频率下的阻抗值也就得到了电容值和ESR。

选取电容电压和电流在傅里叶变换后的基频和二倍频分量进行阻抗计算，计算公式如(2)。

因此，该方案实现MMC***中电容器状态监测的步骤为：获取电容器电压电流信息，进行傅里叶变化得到基频和二倍频下的响应，最后通过(1)式计算得到电容器当前电容值和ESR值。

该文献中的方法主要通过计算电容器的容值来判断金属化薄膜电容器的老化状态，并通过计算ESR值来辅助判断老化状态，然而，金属化薄膜电容器的失效判据通常为容值下降5％，ESR增大两倍.因此，ESR相对于容值有更大的变化范围，监测容值是容易因为环境干扰或传感器误差造成误判，并且，该文献中ESR值通过复杂公式计算得出，对处理器的运算能力提出了较高要求，不适合用于实际工作***中。

另外，现有对电力电容器的状态监测方法基本可分为以下三类：1、外加电路检测法；2、特定信号注入法；3、算法计算法。如图3所示。

1、传感器检测法

在待检测电容的电路中加入传感器检测电容器的电流电压信息，通过计算电容器的阻抗和功率等信息确定当前电容值和ESR值。由于能够实时检测到电容器电气信息，因此此类方法实时性较高，并且精度也较高。然而MMC***中有数量众多的子模块，每个子模块中都含有一个电容，因此若采用此类方法监测电容健康状态，则需要外加大量传感器检测电路，会耗费大量成本，经济实用价值不高。另外，此类方法通常根据电容器在电路中特定工作原理进行计算，因此对MMC***中的电容状态监测可移植性差。

2、特定信号注入法

为避免传感器检测法带来的高额成本，学者提出特定信号注入法。通过向电路中注入某一特定频率的信号，得到电容器在该频率成分下的响应得到当前的电容值和ESR值等信息。然而，这种方法得到的电容器健康信息过于依赖频率，因此存在两个问题：一是由于电容检测是在不同频率点下进行的，因此实验得到的电容ESR信息不能与仿真值对比；二是电容厂商给出的电容器初始值是在120Hz频率点下进行实验得出的，而电容器在不同频率下表现的电容值是不同的，因此特定信号注入法得到的电容值不能与技术手册上给出的初始值进行比较来推断健康状态。

3、特定算法计算

这类方法是目前新兴的电容状态监测方法。通过最小二乘法、卡尔曼滤波法等特定算法对电容器电压电流工况进行处理，计算得出当前电容状态信息。此类方法不需要增加额外成本，实现也较容易，然而由于各类算法都有自身的缺陷，因此目前各种利用算法计算的状态监测法都存在计算量过大、计算过程复杂等缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于频带能量的MMC***中MPPF电容器失效评估方法，通过实时检测电容器输出电压，计算电容电压高频带能量来反应ESR值变化情况，具有成本低，计算简便，应用简单，可移植性强等优点。技术方案如下：

一种基于频带能量的MMC***中MPPF电容器失效评估方法，包括如下步骤：

步骤1：获取待评估电容的电容输出电压；

步骤2：使用傅立叶分析对电容输出电压信号进行频域分析，得到频谱信号ΔV(ω)；

步骤3：计算电容器输出电压频域信号的功率谱P(ω)；

步骤4：对功率谱P(ω)的高频域段进行时间积分得到输出电压高频带能量E(w)；

步骤5：计算电容失效度D：

D＝(E(w)-E₀(w))/ΔE

其中，E₀(w)为初始高频带能量，ΔE为电容器失效时增大的能量；

步骤6：根据电容失效度D判断电容是否失效：若电容失效度D＝1，则电容已失效，否则电容正常。

进一步的，所述步骤1具体包括：

将等效串联电阻、电容和等效串联电感进行串联建立电容器等效模型；则待测电容上压降为电阻、电容和电感上压降之和：

v(t)＝v_ESR(t)+v_C(t)+v_L(t)

其中，v_ESR(t)为等效串联电阻产生的压降，v_C(t)电容部分压降，v_L(t)为等效串联电感上的压降；

定义损耗角正切值为ESR与电容阻抗的比例：

其中，ESR为待测电容的等效串联电阻值，ω₀为工作角频率，取2*π*50；C为待测电容的电容值；

忽略等效串联电感的影响，则电容输出电压表达如下：

其中，ΔV(t)为等效串联电阻产生的压降，反映为电容电压的增量；i_arm为桥臂电流；θ(t-t₀)为t₀时刻的阶跃信号，t₀为电容充电开始时刻；v_c(t₀)为t₀时刻的电容部分压降。

更进一步的，步骤5中对电容电压的增量进行频域分析，得到高频带能量表达式如下：

其中，i_ac为流经电容器的电流；ω为角频率自变量；δ为介质损耗角；T为积分时间。

本发明的有益效果是：

1)本发明根据ESR值越大，电容输出电压高频带能量越大的关系，利用MMC中已有电容电压信号进行频带能量分析，得出电容器当前ESR变化情况，进而判断电容器当前失效状态。

2)本发明无需增加额外传感器即可实现电容器失效检测，避免投入额外成本，且该方法可以实现电容器ESR值实时检测，适用于大部分开关电路中的电容器健康状态检测，普适性较强。

3)本发明建立了基于电容输出电压高频带能量的失效检测模型，该模型能够实时检测电容器输出电压高频带能量，反映电容ESR值的变化，定性分析了高频带能量与电容失效度之间的关系。

4)本发明算法简单，易于实践，可为大容量电力电子设备中电容器的健康管理提供基础。

附图说明

图1为MMC主电路及子模块拓扑图。

图2为子模块六种工作状态图。

图3为金属化薄膜电容器状态监测研究方法。

图4为MMC***中电容电压与桥臂电流。

图5为电容器等效电路图。

图6为电容器在不同ESR下输出电压波形。

图7为电容容值降低时输出电压功率谱。

图8为电容ESR增大时输出电压功率谱。

图9为ESR增大和容值降低后电容电压高频带能量。

图10为电容器在线失效检测流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。MMC***中电容器电流电压如图4所示，触发信号为1时电容器随着桥臂电流方向充电或放电，电压升高或降低，触发信号为0时电容器处于切出状态，电压保持不变。桥臂电流流经电容器，包含直流分量和交流分量，因此电容电压也为直流分量与交流分量的叠加。

电容器的等效电路图如图5所示，电路分析中常认为电容器等效模型为等效串联电阻、电容和等效串联电感串联而成，电容上压降为电阻、电容和电感上压降之和，如式(3)所示。δ为损耗角，定义损耗角正切值为ESR与电容阻抗的比例，如(4)所示。

v(t)＝v_ESR(t)+v_C(t)+v_L(t) (3)

在MATLAB/Simulink中搭建MMC仿真平台，得到电容器ESR值增大后输出波形如图6所示。波形所示为电容分别串联0.01Ω、0.03Ω和0.05Ω电阻以模拟增大后的ESR的输出波形，可以看到，与健康状态下电容的输出电压相比，ESR增大不会影响电容输出电压的低频部分，但会在电容充电瞬间带来较大阶跃量，即产生了高频谐波。阶跃量产生原因分析如下：

若电容在t₀时刻开始充电，则在很短时间内流过电容的电流如下：

其中，θ(t)为t₀时刻的阶跃信号。

忽略等效串联电感的影响，则电容输出电压可表达如下：

可以看到，电容处于健康状态下电容失效导致ESR急剧增大后时，由等效串联电阻产生的压降便不可忽略。MPPF电容器ESR值增大后会引起输出电压高频分量增加，因此可以利用MPPF电容器输出电压高频分量检测ESR值的变化，从而实现对MPPF电容器的失效检测。

MMC***中子模块投入切除由当前桥臂所有子模块电容电压顺序决定，因此电容器充放电时间并不确定，给电容电压的时域分析带来了难度。若使用傅立叶分析对电压进行频域分析，则由上述描述可知，ESR的增大会给电容输出电压高频段几乎每个频率点都带来微小增量，若以此为特征量对电容器失效状态进行监测，则很容易受到环境扰动导致测量结果产生误差。因此本发明使用电容输出电压高频带能量作为特征量来对电容器进行失效检测。信号的频域表达式和其频带能量之间的关系如(7)所示：

对上述分析对电容电压的增量进行频域分析，可以得到其频带能量表达式如(8)所示：

可以看到，MPPF失效后ESR急剧增大会导致电容输出电压的高频谐波增加，高频能量会随着ESR的增大而增大。电容失效过程中电容值下降和ESR增加同时发生，因此，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型分别对电容容值降低和ESR增大条件下电容输出电压高频带能量进行，输出电压功率谱分析结果如图7，8所示。可以看到，电容器ESR增大时，电容输出电压功率明显出现分层现象，输出功率随着ESR的增大而增大；而容值降低时，输出功率很小且几乎不受容值影响。对电容器输出电压功率高频带进行积分得到输出电压高频带能量，分析结果如图9所示。电压高频带能量随着ESR的增大明显增大，而容值降低后对高频带能量的影响可以忽略不计。因此，监测电容输出电压高频带能量可以有效反映电容器失效状态。MPPF电容失效检测流程如图10所示，具体过程如下：

步骤1：获取待评估电容的电容输出电压；电容输出电压表达式如式(6)所示。

步骤2：使用傅立叶分析对电容输出电压信号进行频域分析，得到频谱信号ΔV(ω)。

步骤3：计算电容器输出电压频域信号的功率谱P(ω)。

步骤4：对功率谱P(ω)的高频域段进行时间积分得到输出电压高频带能量E(w)；输出电压高频带能量表达式如式(8)所示。

步骤5：计算电容失效度D。

D＝(E(w)-E₀(w))/ΔE

其中，E₀(w)为初始高频带能量，ΔE为电容器失效时增大的能量。

步骤6：根据电容失效度D判断电容是否失效：若电容失效度D＝1，则电容已失效，否则电容正常。

Claims (3)

1.一种基于频带能量的MMC***中MPPF电容器失效评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取待评估MPPF电容器的电容输出电压，所述MPPF电容器为金属化聚丙烯薄膜电容；

步骤2：使用傅立叶分析对电容输出电压信号进行频域分析，得到频谱信号ΔV(ω)；

步骤3：计算电容器输出电压频域信号的功率谱P(ω)；

步骤4：对功率谱P(ω)的高频域段进行时间积分得到输出电压高频带能量E(w)；

步骤5：计算电容失效度D：

D＝(E(w)-E₀(w))/ΔE

其中，E₀(w)为初始高频带能量，是电容在健康状态下的高频带能量；ΔE为电容器失效时增大的能量；

步骤6：根据电容失效度D判断电容是否失效：若电容失效度D＝1，则电容已失效，否则电容正常。

2.根据权利要求1所述的基于频带能量的MMC***中MPPF电容器失效评估方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

将等效串联电阻、电容和等效串联电感进行串联建立电容器等效模型；则待测电容上压降为电阻、电容和电感上压降之和：

v(t)＝v_ESR(t)+v_C(t)+v_L(t)

其中，v_ESR(t)为等效串联电阻产生的压降，v_C(t)电容部分压降，v_L(t)为等效串联电感上的压降；

定义损耗角正切值为ESR与电容阻抗的比例：

其中，ESR为待测电容的等效串联电阻值，ω₀为工作角频率，取2*π*50；C为待测电容的电容值；

忽略等效串联电感的影响，则电容输出电压表达如下：

其中，i_arm为桥臂电流；θ(t-t₀)为t₀时刻的阶跃信号，t₀为电容充电开始时刻；v_c(t₀)为t₀时刻的电容部分压降。

3.根据权利要求2所述的基于频带能量的MMC***中MPPF电容器失效评估方法，其特征在于，步骤4中对电容电压的增量进行频域分析，得到高频带能量表达式如下：

其中，i_ac为流经电容器的电流；ω为角频率自变量；δ为介质损耗角；T为积分时间。

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