潘亮,陳世瑛,張健,劉源,劉琛碩,汲勝昌,祝令瑜

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安;2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院,510080,廣州;3.國網(wǎng)西安供電公司,710000,西安)

基于模塊化多電平換流器(MMC)的柔性直流輸電(HVDC)具有顯著的技術優(yōu)勢,在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展[1]。子模塊是MMC最基本的構成單元,也是最重要的關鍵組件,其運行狀態(tài)直接關系到整個換流器甚至是整個柔性直流輸電系統(tǒng)的運行安全。子模塊中的IGBT,電容等元件在實際運行過程中會逐漸老化,對系統(tǒng)安全運行帶來隱患[2]。MMC子模塊中的電容器普遍采用金屬化膜電容器(MPPF-Cap),金屬化膜電容器具有自愈性性能優(yōu)良、運行可靠性高的優(yōu)點,但在運行過程中會逐漸老化,電容值會不斷減少[3-5],當電容值衰減5%時可視為器件失效[6-7]。由于金屬化膜電容器的電容減少速度會隨著老化程度的增加而增加,電容值過低不僅會加速老化,甚至還會引起爆炸等嚴重事故,因此開展MMC子模塊電容值在線監(jiān)測技術研究具有重要工程意義。

MMC子模塊電容器狀態(tài)監(jiān)測研究已得到相關學者的關注。2013年,Yun-Jae等人提出通過注入紋波電流來監(jiān)測子模塊電容值的方法[8],該方法是首先在環(huán)流回路中注入一個可控的交流電流來引起電容上的紋波電壓,在測量時先用帶通濾波器濾出所注入電流頻率的紋波電壓和紋波電流,再通過最小二乘法(RLS)用電壓電流值來計算子模塊電容。這種方法能排除其他頻率電壓電流的影響,測量精度也達到了1%左右,但需要增加額外的裝置,不能很好的滿足金屬化膜電容器在線狀態(tài)監(jiān)測的需求。2015年,Newcastle大學的Abushafa等人提出了另一種監(jiān)測子模塊電容器電容值的方法[9],然后利用卡爾曼濾波器(KF)濾波得到一條收斂的電容值曲線,最后得到的電容值誤差波動保持在1%以內(nèi),但其驗證過程中沒有考慮測量精度的影響,且不同的運行環(huán)境和測量環(huán)境會對這種方法的收斂速度和測量精度造成較大影響。

本文借鑒前人的研究成果,提出了一種基于自適應濾波器的MMC子模塊電容器在線監(jiān)測方法。在利用MMC的橋臂電流和子模塊電壓計算出子模塊電容值之后,利用自適應濾波器進行濾波,不僅擁有更好的適用性,而且得到了更穩(wěn)定、更精確的監(jiān)測結果。同時,本文在利用仿真數(shù)據(jù)計算電容值時考慮到了工程應用時子模塊電壓和橋臂電流的測量誤差。此外,本文最后通過實際工程的閥段級實驗平臺實測數(shù)據(jù)對所提算法進行了進一步驗證。

1 MMC的運行結構及控制原理

三相MMC的基本結構[10]如圖1所示,圖1a為整體結構圖,每相由上下2個橋臂構成,每個橋臂由N個子模塊和一個橋臂電感組成。圖1b為單個子模塊的結構示意圖,其中D1和D2為其反并聯(lián)的二極管,C代表子模塊電容器,即需要監(jiān)測的電容器模塊,S1和S2分別是IGBT1和IGBT2的驅(qū)動邏輯信號。根據(jù)IGBT的導通狀態(tài)和子模塊電流的流向可以把子模塊的工作狀態(tài)分為以下3種[11]。

(a)結構總圖

(b)單個子模塊結構圖圖1 三相MMC的基本結構示意圖

(1)狀態(tài)1。S1=S2=0均關斷,此時根據(jù)電流流向不同,工作模式可分為模式1和模式2,分別用于MMC啟動時向電容器供電和模塊故障時將子模塊電容旁路。

(2)狀態(tài)2。S1=1,S2=0,工作模式根據(jù)電流流向分為模式2和模式3,這種狀態(tài)由稱為投入狀態(tài),此時電容器一直投入運行,不同模式下電容器處于充電或放電狀態(tài)。

(3)狀態(tài)3。S1=0,S2=1,此時子模塊工作模式處于模式5和模式6,這2種模式下電容器均處于旁路狀態(tài)。

MMC子模塊不同的工作狀態(tài)及工作模式如圖2所示。

(a)模式1

(b)模式2

(c)模式3

(d)模式4

(e)模式5

(f)模式6

在MMC運行過程中,因為直流側電壓是由多個子模塊的電容電壓串聯(lián)維持,所以對于每個子模塊上的電容電壓的平衡控制非常重要。本文采用傳統(tǒng)的排序算法[11-12]來維持各個子模塊電容電壓的平衡。首先根據(jù)調(diào)制信號得到2個橋臂中應處于投入狀態(tài)和切除狀態(tài)的子模塊的數(shù)量,再對監(jiān)測到的子模塊電容電壓值進行排序,然后根據(jù)橋臂電流的方向確定此時投入的子模塊中電容器的充電或放電狀態(tài),最后投入合適的子模塊。如果電流方向會對子模塊電容器充電,則選擇投入子模塊電容器電壓較低的子模塊;如果電流方向會造成子模塊電容放電,則選擇投入子模塊電容器電壓較高的子模塊。如此,通過每一次的調(diào)整可以減小各個子模塊的電壓波動。

2 子模塊電容值在線計算方法

MMC子模塊電容器的狀態(tài)監(jiān)測通過監(jiān)測電容器電容值實現(xiàn)。本文將通過MMC控制系統(tǒng)已監(jiān)測的電氣量(橋臂電流和子模塊電容器電壓)計算MMC子模塊電容器電容值,實現(xiàn)MMC子模塊的在線監(jiān)測,不需要額外添加傳感器。

2.1 電容值計算原理

在MMC運行過程中,子模塊電容器不斷充放電。利用充放電中電容器電壓、充放電電流以及電容值直接的關系即可對子模塊電容值進行計算。在子模塊電容投入運行的狀態(tài)下,電容器電壓等于反饋到控制系統(tǒng)的子模塊電容電壓,充放電電流等于同一時間的橋臂電流。從前文對MMC結構和控制的分析可知,子模塊電壓和橋臂電流對于MMC控制系統(tǒng)為已知信息,且在運行過程中實時更新,因此利用子模塊電容電壓和橋臂電流在線獲取子模塊電容值的方法是可行的。對于特定的子模塊,橋臂電流和子模塊電容電壓的關系滿足

(1)

式中:i為橋臂電流;C為子模塊電容值;U為子模塊電容電壓值;UESR為電容等效串聯(lián)電阻(ESR)的電壓。

MMC子模塊中的電容器采用的是金屬化膜電容器,其等效串聯(lián)電阻是mΩ量級,由于實際等效串聯(lián)電阻上的電壓UESR僅占子模塊電壓U的0.1%,因此,等效串聯(lián)電阻在電容值計算過程中可以忽略。

在實際運行過程中,由于采集的信號是離散的,所以需要對式(1)進行離散化處理,在忽略掉等效串聯(lián)電阻上的電壓后進行計算,得到子模塊電容值C的計算公式如下

(2)

式中:Δt為測量系統(tǒng)的測量周期;U(t-1)、i(t-1)為上一時刻的電壓、電流值;U(t)、i(t)為此時刻的電壓、電流值。

電容值的計算基于單個電容器的電壓和電流,因此MMC的調(diào)制策略、子模塊電容電壓平衡策略以及MMC子模塊數(shù)量對電容值計算沒有影響,由運行工況等因素造成的橋臂電流畸變對電容值計算也沒有影響。本文所提電容值計算方法具有較高的適應性。

在MMC的運行過程中,電容器經(jīng)常處于旁路狀態(tài),而由上式計算電容值需要子模塊處于投入狀態(tài),即第2節(jié)所述狀態(tài)2的電容器充放電模式。判斷子模塊處于投入狀態(tài)的方法有以下2種。

(1)使用門極控制信號S(t)。根據(jù)第2節(jié)的分析,運行過程中,子模塊只有處于投入狀態(tài)的時候,電容器才被接入電路中進行正常的充放電,此狀態(tài)下門極信號S1(t)=1,S2(t)=0;在切除狀態(tài)下,門極信號S1(t)=0,S2(t)=1。所以,計算時首先需要根據(jù)S1(t)=1或S2(t)=0的判據(jù)判斷當前時刻數(shù)據(jù)是否為子模塊投入狀態(tài)的連續(xù)時間段內(nèi)測量的信號,并在子模塊投入狀態(tài)的連續(xù)時間段上利用公式(2)計算電容值。

(2)利用電容電壓的波動情況進行判斷。計算需在子模塊投入狀態(tài)的連續(xù)時間段上進行,此狀態(tài)子模塊電容器處于充電或放電模式,子模塊電容器電壓均會有變化,而子模塊處于切除狀態(tài)時電容器電壓幾乎不變。因此,通過計算數(shù)個連續(xù)的子模塊電容器電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的差值,即可判斷子模塊是否處于投入狀態(tài)。

2.2 計算精度與自適應濾波

實際測量過程中,由于電壓電流的測量誤差和離散過程中的量化誤差等因素的影響,使得計算出的電容值呈現(xiàn)波動的情況。由于電容值衰減5%即可認為設備失效,當計算結果本身的不確定度超過1%時,用其判斷子模塊電容器老化程度的可靠性大大降低。所以,減小計算值的誤差、提高電容值計算精度對于MMC子模塊電容器狀態(tài)監(jiān)測十分重要。

本文采取自適應濾波的方法對子模塊電容值的原始計算結果進行處理。自適應濾波器具有強的適應性,其優(yōu)點在于不需要預先知道噪聲信號的頻率特性,而且參數(shù)是不斷自適應,自動加以調(diào)整改變的[13-14]。對于MMC子模塊中計算得到的電容值而言,其噪聲干擾往往是多方面的,而且噪聲特性也難以得知,所以應用這種自適應濾波的方式最為適合。

自適應濾波器的原理流程圖如圖3所示。原始信號首先進入濾波結構進行第一次迭代,然后對輸出結果進行性能評估,本文的評估方法采取的是LMS算法[15]。根據(jù)評估的誤差改變?yōu)V波器自身的濾波器系數(shù),然后進入下一步迭代,直到得到最終的濾波結果。

圖3 自適應濾波器原理圖

本文選取的是基于LMS算法的經(jīng)典的自適應濾波器,具體運算流程如下。

(1)濾波輸出

y(n)=ωT(n)x(n)

(3)

式中:ω(n)為自適應濾波濾波器的濾波系數(shù),是一個m維的向量,m是自適應濾波器的系數(shù)個數(shù),該值太小會使得濾波結果不夠精確,太大則會導致計算時間較長,收斂速度慢[16],在本次仿真中選取為50;x(n)為原始電容值,波動較大;y(n)為濾波后的電容值,由不斷調(diào)整的濾波系數(shù)進行修正。

(2)誤差信號

e(n)=d(n)-y(n)

(4)

式中:e(n)為誤差信號,用于調(diào)節(jié)濾波器的濾波系數(shù)。通過參數(shù)的不斷調(diào)節(jié),最終可以獲得理想的濾波效果。

(3)濾波器系數(shù)更新

ω(n+1)=ω(n)+βe(n)x(n)

(5)

3 仿真驗證

為了驗證本文所提子模塊電容值在線獲取方法的各項性能,本文利用Simulink平臺搭建了一個三相9電平的MMC仿真模型。模型采用NLM調(diào)制策略[17-18],模型電容電壓平衡控制方法采取經(jīng)典的電容排序的方法。仿真時選取的各個電氣元件參數(shù)如表1所示。

表1 仿真選取元件的參數(shù)

仿真得到的輸出相電壓結果如圖4所示。由圖4可見,輸出電壓為標準的階梯波。在運行過程中測量得到的橋臂電流和子模塊電壓如圖5、圖6所示。為了模擬工程實際,將橋臂電流和子模塊電壓測量值測量不確定度均設置為1%。

圖4 仿真模型輸出電壓

圖5 仿真模型橋臂電流

圖6 仿真模型子模塊電壓

圖7 濾波前仿真計算的子模塊電容

由橋臂電流、子模塊電壓以及子模塊的控制信號G(t)可以測量出一系列的子模塊電容值,結果如圖7所示。由圖7可見,未進行濾波時其誤差過大,無法作為判斷電容器老化的判據(jù),所以對其進行濾波非常重要。

利用自適應濾波器對圖7中的計算電容值進行濾波,所得到的最終結果如圖8所示。

圖8 濾波后仿真計算的子模塊電容

圖9 濾波后仿真計算的電容誤差值

對圖8所示電容值計算結果進行誤差分析,誤差結果如圖9所示?？梢钥吹?在仿真系統(tǒng)中,在橋臂電流和子模塊電壓測量值測量不確定度為1%的情況下,該方法得到的電容值的誤差可以保持在0.5%之內(nèi),而且收斂速度也比較快,計算次數(shù)在500次以內(nèi)即可收斂。計算精度和速度可以滿足工程上對子模塊電容器狀態(tài)監(jiān)測的要求。誤差主要來源于式(2)對電流的離散處理時使用平均值作為一段時間內(nèi)的電流值。

4 閥段級試驗驗證

本研究通過實際工程的閥段級試驗平臺對所提方法進行進一步驗證。閥段試驗是驗證MMC運行特性和保護策略的重要手段,能夠在實驗室中模擬真實現(xiàn)場的設備開關過程和控制系統(tǒng)功能,因此對于子模塊電容值在線計算方法的驗證具有足夠的說明性[19]。閥段運行試驗平臺由補能系統(tǒng)、陪試閥段、被試閥段和負載電感組成[20],其結構如圖10所示,試驗平臺的關鍵參數(shù)如表2所示。

圖10 閥段試驗平臺結構原理

閥段試驗平臺實測的橋臂電流和子模塊電容器電壓值分別如圖11、圖12所示。從子模塊電壓波形可以看出,子模塊電壓時而變化時而保持不變,分別對應子模塊投入狀態(tài)和旁路狀態(tài)。

表2 閥段試驗平臺關鍵參數(shù)

圖11 橋臂電流

圖12 子模塊電容器電壓

實際工程中未必可以方便獲得子模塊開關的開關狀態(tài)信息。本閥段級試驗研究通過檢測一段時間內(nèi)子模塊電容器電壓值的變化情況來判斷子模塊是否處于投入狀態(tài)。

選擇電容處于投入狀態(tài)的時刻,利用式(2)直接計算得到子模塊電容器電容值如圖13所示。由圖13可以看出,濾波前,計算得到的電容值波動和誤差較大,最大誤差超過10%。

圖13 濾波前閥段實測數(shù)據(jù)計算所得電容值

圖14 濾波后閥段實測數(shù)據(jù)計算的電容

圖15 濾波后閥段試驗數(shù)據(jù)計算的子模塊電容誤差

對其應用自適應濾波器得到子模塊電容值和誤差如圖14、圖15所示,可以看到相比于仿真系統(tǒng)的測量結果,閥段試驗平臺數(shù)據(jù)得到的計算結果誤差相對較大,這是由于工程中的測量誤差等原因?qū)е碌慕Y果,但該方法所測量得到的計算結果不確定度仍可以控制在1%以內(nèi)。

另外,由圖15可知,計算結果普遍小于子模塊電容的標稱值,經(jīng)過濾波后計算結果的波動幅度小于標稱電容值的1%。造成這種結果的原因可能是分析誤差時使用標稱值作為參考值,忽略了標稱值與真值間的差別,而此電容器的真實電容值很可能小于其標稱值,這樣計算結果的不確定度可能比圖15中所描述的情況更為樂觀。由于當時不具備電容值實測條件,因此此假設暫時沒有得到驗證,但在實際工程運行中,可以把設備初始運行電容值計算結果保存,后期評估設備老化的電容值計算結果以設備初始運行電容值計算結果為參考。

5 結 論

本文提出了一種基于自適應濾波器的MMC子模塊電容值的在線獲取方法,并且分別利用仿真數(shù)據(jù)和閥段級試驗平臺實測數(shù)據(jù)對所提方法進行了驗證,得到的主要結論如下。

(1)利用控制系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測的子模塊電壓和橋臂電流可以在不增加額外設備的情況下對子模塊電容值實現(xiàn)實時計算。

(2)受測量不確定度和離散處理的影響,電容值計算會產(chǎn)生較大波動,直接計算結果無法直接用于子模塊電容器狀態(tài)監(jiān)測。

(3)利用自適應濾波技術可以減小子模塊電容值計算結果的波動,并提高計算精度。對于本文的仿真驗證模型,在測量不確定度不大于1%的情況下,計算結果的不確定度不大于0.5%,能夠滿足子模塊電容器狀態(tài)監(jiān)測的要求。

本文所提在線獲取方法具有較好的穩(wěn)定性,受環(huán)境溫度的影響較小。因為環(huán)境溫度的改變只會改變電容器的ESR,而ESR的變化所引起的子模塊電壓的變化非常小,可以忽略不計,所以環(huán)境溫度的改變幾乎不會影響測量精度。

MMC子模塊中所使用的金屬化膜電容器的老化機理和老化模型還有待進一步完善,因此基于電容值計算的子模塊電容器狀態(tài)監(jiān)測技術值得進一步深入研究。