薄膜电容器的在线寿命监测保护方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种薄膜电容器的在线寿命监测保护方法、装置、设备及介质。

背景技术

柔性直流换流阀是柔性直流输电的核心设备，换流阀设备具有直流-交流转换和交流-直流转换的作用，是由多个半桥或全桥功率子模块级联而成。薄膜电容器作为子模块直流支撑作用的关键器件，其安全性和可靠性直接影响换流阀设备的运行。

柔性直流输电用的薄膜电容器，内部由多个电容器芯子串、并联组成，由不锈钢或铝等金属材料密封形成大容量、大功率的电容器；当薄膜电容器发生非正常自愈、过电压、过电流等问题时，会导致电容器内部温度急剧升高，以至于电容器内部气压上升导致电容器炸裂、燃烧等安全事故。为了保证薄膜电容器的安全性，电容器厂家多在电容器内部安装泄压阀或者压力开关等装置，用于检测电容器内部气压，当电容器内部气压超出阈值后，这两种装置动作将电容器内部压力泄放。这种安全装置是电容器发生故障现象时的一种被动保护方式，不能提前对电容器异常进行预警，且当保护装置未能有效动作时，可能会引发器件炸裂、过温着火等严重问题。

发明内容

本发明提供了一种薄膜电容器的在线寿命监测保护方法、装置、设备及介质，增加电容器寿命监测的主动预警保护功能，以改善上述问题。

为达到上述目的，本发明所述一种薄膜电容器的在线寿命监测保护方法，在柔性直流换流阀内部，采集换流阀子模块薄膜电容器的纹波电压和纹波电流，并根据纹波电压和纹波电流计算出薄膜电容器的电容值，将薄膜电容器的电容值作为电容器的寿命参数，当薄膜电容器的寿命参数低于预设值时，将薄膜电容器所在子模块旁路。

进一步的，包括以下步骤：

S1、在换流阀子模块上的薄膜电容器充电阶段，采集纹波电流值i，电容器第一纹波电压U1，间隔预设时间Δt后，采集电容器第二纹波电压U2；

S2、计算薄膜电容器的电容值C，计算公式为：

S3、比较薄膜电容器的电容值C与预设值C

进一步的，S2中，纹波电流值i为预设时间Δt内采集到的最大纹波电流值。

进一步的，在一个周期时间T内，多次采集第一纹波电压、电容器第二纹波电压以及采样时间内的纹波电流值，并计算出多个薄膜电容器的电容值，然后计算所有薄膜电容器的电容值的平均值，将薄膜电容器的电容值的平均值作为薄膜电容器的电容值。

进一步的，S3中，预设值C

一种薄膜电容器的在线寿命监测保护装置，包括电连接的采样装置和模块控制装置，所述采样装置用于实时采集薄膜电容器的纹波电流和纹波电压，并将数据传输给模块控制装置；所述模块控制装置用于接收采样装置传输的纹波电流和纹波电压，预存预设值，判断薄膜电容器的电容值是否正常。

进一步的，模块控制装置的输出端和模块旁路装置连接，所述模块旁路装置用于接收并执行模块控制装置发送的旁路指令。

一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的一种薄膜电容器的在线寿命监测保护方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的一种薄膜电容器的在线寿命监测保护方法的步骤。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明通过检测薄膜电容器寿命的重要表征参数-电容值来实现电容器寿命实时预测的装置，相比于电容器出现故障时，才会动作的电容器寿命模型而言，此装置实时采集电容器的电压和电流，根据采集到的电压和电流计算电容器的电容值，根据薄膜电容器电容值判断电容器是否适于正常工作，其的可靠性更高，能够有效减少引发器件炸裂、过温着火等现象。本发明能够实现主动预警电容器寿命到期并进行实时监测以达到安全防护的目的，相比于电容器被动增加过压阀或压力开关装置更加安全有效。

进一步的，S2中，所述纹波电流值i为预设时间Δt内采集到的最大纹波电流值，提高本方法的可靠性。

进一步的，在一个周期时间T内，多次采集第一纹波电压U1、电容器第二纹波电压U2以及采样时间内的纹波电流值，并计算薄膜电容器的电容值的平均值，将薄膜电容器的电容值的平均值作为薄膜电容器的电容值，以减小单次采集数据带来的误差，提高本方法的准确性。

一种薄膜电容器的在线寿命监测保护装置，通过采样装置、模块控制装置，实现薄膜电容器的纹波电流和纹波电压的采集，以及薄膜电容器的电容值，并判断薄膜电容器的电容值是否正常，能够主动预警电容器寿命到期并进行实时监测以达到安全防护的目的，相比于电容器被动增加过压阀或压力开关装置更加安全有效。根据薄膜电容器的电容值来判断电容器的寿命，只需要采集电压和电流即可，不用借助于电容器的温度，不用在电容器上安装温度传感器，简化了监测装置，也避免了温度传感器测量的数据不准确而产生的误判。

附图说明

图1所示为模块化换流阀及其子模块的拓扑结构图；

图2所示为电容器寿命监测保护方法流程图；

图3所示为电容器寿命监测保护装置原理图；

图4所示为薄膜电容器纹波电压和纹波电流示意图；

图5为本发明提供的计算机设备的结构示意图。

附图中：1-换流阀、2-半桥模块、3-全桥模块、101-模块旁路装置、102-模块控制装置、103-纹波电压、纹波电流采集单元。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下文列举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种薄膜电容器的在线寿命监测保护装置，应用于柔性直流换流阀及其子模块拓扑结构如图1所示。换流阀1采用模块化设计，由若干个子模块串联构成；子模块的典型拓扑有半桥模块2和全桥模块3，半桥模块2和全桥模块3包含薄膜干式电容器。

实施例1

一种薄膜电容器的在线寿命监测保护方法，在柔性直流换流阀内部，采集单元通过采集换流阀子模块薄膜电容器的纹波电压和纹波电流，由模块控制装置对所采集到的数据处理并计算得出电容器的寿命参数—电容值，当采集得到的寿命参数低于预设值时，模块控制装置请求阀控系统下发子模块旁路命令，旁路命令下发后，控制模块旁路装置将薄膜电容器所在子模块旁路保护。

参照图2，具体包括以下步骤：

S1、换流阀子模块上薄膜电容器充电阶段，采集单元采集换流阀子模块薄膜电容器的纹波电压和纹波电流，采集薄膜电容器第一纹波电压U1，间隔预设时间Δt后，采集电容器第二纹波电压U2，以及在此时间间隔内的最大纹波电流值i；

S2、通过公式

S3、比较薄膜电容器的电容值C与预设值C

实施例2

一种薄膜电容器的寿命监测保护装置的原理图如图3所示，薄膜电容器的寿命监测保护装置包括模块控制装置102、模块旁路装置101、纹波电压、纹波电流采集单元103以及换流阀子模块。

纹波电流、纹波电压采集单元与换流阀子模块中的薄膜电容器相连接，纹波电流、纹波电压采集单元与模块控制装置相连接，并接受模块控制装置的采样命令；模块控制装置与模块旁路装置相连接，模块旁路装置与模块端口旁路开关S相连接。

纹波电压、纹波电流采集单元连接在薄膜电容器两端，并与模块控制装置实时通信，由模块控制装置控制其进行电压电流采样，采集电容器在充电状态时的第一纹波电压U1，间隔预设时间Δt后，采集电容器的第二纹波电压U2，并集采预设时间内的最大纹波电流值i；

模块控制装置，用于控制换流阀子模块的工作状态、检测及控制模块内各个器件的运行状态，包括控制全控型功率器件的开通关断，接收并处理电容器纹波电压、纹波电流采集单元传输的数据，预存预设值，检测电容器运行参数，控制模块旁路装置的动作。模块控制装置接收纹波电压、纹波电流采集单元的数据，为减小单次采集数据带来的误差，在一个周期T内，采集n组数据，n≥2，根据公式

计算出薄膜电容器的电容值的平均值

模块旁路装置用于接收模块控制装置的命令并控制模块端口旁路开关，与模块控制装置连接，当模块控制装置根据采集到的数据计算出电容器寿命不足时，模块控制装置上传告警信息至换流阀阀控系统，告警电容寿命不足并通过换流阀阀控系统向模块旁路装置发送请求旁路命令，旁路命令下发后，控制模块控制模块旁路装置将薄膜电容器所在子模块旁路保护，并退出工作状态，以免设备遭受起火、爆炸等重大损失。

其中，模块旁路装置应具有旁路功能的设备，包括但不限于真空接触器、大功率继电器、静态开关(STS)、应用于旁路作用的可控半导体器件等。

采样装置包括电压采样模块和电流采样模块，电流采样模块为具有采样电流功能的电路或单元，如分流器及采样电路、霍尔电流传感器、电流互感器或电流变送器等，优选霍尔电流传感器。电压采样模块为具有采样电压功能的电路或单元，如分流器及采样电路、电压互感器、电压变送器等，优选分流器及采样电路。

模块控制装置包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，一般地为逻辑芯片(或单元)、数字控制器(ARM、DSP、CPLD/FPGA等)，优选数字控制器(CPLD)。MCU用于根据采样装置采集的采样信号，计算薄膜电容器的电容值，从而便捷地等效出电容器寿命。如果薄膜电容器的电容值超过设定阈值，MCU将向阀控系统告警并请求旁路，如请求旁路功能被使能，电容器将被旁路。

实施例3

本发明提供的一种计算机设备，如图5所示，包括电连接的存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的薄膜电容器的寿命监测保护方法的步骤。

实施例4

所述薄膜电容器的寿命监测保护装置如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

一种薄膜电容器在线寿命监测保护装置的工作流程为：由电压、纹波电流采集单元在一个周期T内，按照既定采样时间间隔对薄膜电容器的电压和电流采样。采集薄膜电容器的纹波电压和纹波电流数据，以±800KV电压等级的换流阀为例，单个子模块上电容器的纹波电压和纹波电流如图4所示。模块控制装置控制采集多个电容器充电阶段的纹波电压和纹波电流值，依据公式

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。