重庆大学科研团队提出MMC子模块电容值在线监测的新方法

随着我国新能源的快速发展，电力系统的发电能力和容量得到极大提升，高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）输电技术被广泛应用在电力系统中，以解决能源的传输问题。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）凭借其开关频率低、运行效率高等优点已成为直流输电系统的主流拓扑。

MMC系统中高电压、大电流、交流的运行工况都会加速电容器的老化并最终导致其失效。电容器的失效使MMC系统面临停机风险，直接影响到高压直流输电系统的运行安全。统计数据表明，换流阀元件故障是造成换流阀系统故障的主要原因，如图1a所示；而作为核心部件的电容器因为工作时承受着桥臂交变大电流的冲击，成为变流器中最容易发生疲劳失效的部件，如图1b所示。因此，检测电容器的健康状态对维持MMC系统的安全运行有着重要意义，影响着电力系统的可靠运行。

图1  MMC系统失效原因分析

电容器老化后通常表现为电容值降低，监测容值变化可以体现电容器的实时老化状态，以确保MMC系统的稳定运行。现有研究已针对MMC中的电容器提出一些状态监测方法，根据监测过程中所需的状态参量可分为基于开关序列的直接测量法和不需要开关序列的间接测量法。

直接测量法通过桥臂电流与开关信号重构得到电容电流，并利用电容电压与电流之间的关系预估电容健康状态。为了解决使用开关信号带来的问题，降低检测方法对原系统的侵入性，间接测量法通过电容电压和电容值之间的关系来预估电容老化状态。现有间接测量法不需要开关信号即可实现对电容器的健康状态监测，极大地降低了实际应用的难度和对原系统运行的侵入性。然而，现有方法仍需结合特定信息或工况（如注入电流、参考电压、相位、预充电等）才能完成状态监测，在一定程度上增加了监测系统的复杂性。

针对模块化多电平换流器中子模块电容值监测问题，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的罗丹、陈民铀、赖伟、夏宏鉴、冉立，在2022年第20期《电工技术学报》上撰文，基于子模块电容电压的工作特征提出了一种基于Haar小波变换重构开关序列的MMC子模块电容值在线监测方法。

图2  MMC工况模拟平台

研究人员首先通过对MMC系统实测的电容器电压信号进行Haar小波变换重构出子模块投入与切除的开关序列；其次，基于重构的开关序列提取电容器的充电时段电压信号，并结合桥臂实测电流信号实现电容器容值在线反演计算；最后，通过MMC系统工况模拟平台验证了该文所提方法的准确性和有效性。

图3 被测子模块实测电容值

他们指出，当电容进入充电周期后，电压信号进行小波变换后对应的细节系数均小于0。通过追踪对应的小波变换后细节系数中低于零的成分可以有效地重构出充电周期对应的开关序列，并基于充电周期中电压电流信号实现容值的在线反演计算。

另外，根据本方法利用MMC系统的子模块测量电压和桥臂电流可得电容值，实现在线对子模块电容进行状态检测。与传统方法相比，该方法可以减少对开关序列测量的需求，极大降低了检测的难度，为MMC系统电容器的健康状态监测和主动运维提供了方法和数据基础。其平均误差为0.15%，表明该方法具有较高准确性。

研究人员最后表示，在未来的研究中计划将该方法集成于实际工程用MMC运维监控系统，为MMC系统电容器健康状态监测提供容值在线计算方法。

本文编自2022年第20期《电工技术学报》，论文标题为“基于Haar小波变换重构开关序列的MMC子模块电容值在线监测方法”。本课题得到国家重点研发计划项目、中央高校基本科研业务费项目、国家自然科学基金资助项目、国家自然科学基金资助项目和高等学校学科创新引智计划（111计划）项目的支持。