CN101842711B - 用于电力变换系统的老化状态诊断装置及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及为了确保电力变换系统的可靠性而能够时时诊断其老化状态(Aging state)的装置及其诊断方法。该装置包括：电流感测装置，用于检测逆变器开关模块或电解电容器的输出电流；测量诊断装置，用于接收所述逆变器开关模块的输出电流波形以及所述电解电容器的各谐波的幅值或阻抗电压信号，从而提取与电力变换系统的老化状态相关的要素。另外，所述装置优选地还包括用于产生要提供给所述电解电容器的测量电流的测量电流产生装置。通过分析逆变器开关模块的输出电流波形的平均值或根据快速傅里叶变换的谐波的幅值、以及测量电力变换系统的直流母线的等效串联内阻值(ESR)或损失角tanδ值，本发明能够事先监视、诊断因电力变换系统的老化或劣化所导致的异常状态。

Description

用于电力变换系统的老化状态诊断装置及其诊断方法

技术领域

为了顺应信息化社会的时代需求，近来包括信息与通信领域的多个行业领域中普遍使用各种整流器、逆变器、直流变换器等电力变换系统。这些电力装置是提供应急电力或变换电力的基本以及核心的构成要素。尤其，为应对商用电力供应者(电力公司)的供电故障而被用作应急电源的不间断电源(UPS)或通信电源等电力变换系统突然出现故障事故时，给经济和社会方面带来损失的可能性极大.因此这些设备需要一直可靠运行。

本发明涉及为了确保如不间断电源装置等具有逆变电路(inverter circuit)的电力变换系统的可靠性，而能够时时诊断该电力变换系统的老化状态(Agingstate)的装置，尤其涉及通过对作为电力变换系统的主回路的逆变器开关模块的输出电流的波形进行分析而测量、监视其特征谐波，并通过使测量电流信号流经设置于直流总线(DC bus)的电解电容器，以测出等效串联内阻(ESR)值或损失角tanδ值，由此不仅能够预先诊断电力变换系统的误工作或损坏，而且还可以预先监视及诊断蓄电池系统的老化或劣化所致的异常状态的电力变换系统的老化状态诊断装置及其诊断方法。

背景技术

最近，为顺应时代需求越来越有必要确保电力变换系统的对抗故障安全，进而有关电力变换系统的老化诊断的研究正在广泛进行，并且各种文献也介绍着相关的研究结果。

近来文献中所介绍的方法把重点主要放在了这些装置已发生故障或发生异常之后再判定故障原因或状态的问题上。

这些方法采用：通过输入电流的信号处理以及工作频率的频谱分析评估变换装置模块或设备的异常的方法，或者从与电力用半导体开关的异常或控制器、滤波电容器、输出级的异常有关的各种变数中提取一部分，并呈现异常结果的方法。

申请日为2003年10月20日、公开日为2005年4月25日的申请号10-2003-0072963，发明名称为“电力变换系统的状态诊断装置”的韩国发明专利是诊断出电力变换系统的老化或劣化所致的异常征兆的方法中的代表性研究结果。该诊断方法被配置成分析电力变换系统的输入和输出端子的电压信号、或者监视滤波电容器的电容变化及脉动电压的变化量，从而能够监视电力变换系统的误工作或损坏，并预先监视及诊断由于设备的老化及劣化所致的异常状态。

另外，申请日为2005年8月7日、授权日为2005年10月12日的授权号为20-0399135，发明名称为“利用个别蓄电池管理装置的不间断电源”的韩国实用新型揭示了能够最优地使如不间断电源等电力变换系统的蓄电池充电/放电并可以管理其内部特性的方案。

发明内容

[技术问题]

一般来讲，电力变换系统的维修保养方法采取设定产品的寿命年限，当达到所述寿命年限时用新产品替换的方式，从而降低发生事故的可能性，以此应对电力变换系统的事故发生。但将来的课题应该是：通过检测电力变换系统的异常征兆而事先替换老化的电源，由此保护整个系统。这是因为电力变换系统是由很多部件构成的复杂系统，所以单凭一部分特定和受限的提取信号很难判定综合性的老化状态。

但是，这种常规的老化状态诊断方法与其说是监视状态，倒不如说是局限在告知事故状态。或者，即便能够预先监视及诊断出由于设备的老化或劣化所致的异常状态，从作为被监视对象的电力变换系统的输入/输出端提取的与老化状态相关的成分信号也会根据运转条件或跟随周围环境的变化发生变化，所以检测的准确度降低而导致辨别能力的下降。

另外，由于现在将各种检测电路单元设置到作为被监视对象的电力变换系统的内部，因此实际上很难适用于工作中的电力变换系统，所以存在产业上的利用率非常低的缺陷。

[技术方案]

本发明鉴于改善如上所述的技术缺陷的目的而提出，并且本发明的一个目的是提供用于电力变换系统的老化状态诊断装置和方法，其能够提取逆变器开关模块的输出级的电流波形并检测、监视其平均值、或者/以及纹波电流的根据快速傅里叶变换(FFT)的谐波或谐波分量的幅值或有效值，从而不仅监视作为电力变换系统的核心构成部件的逆变器开关模块的老化所致的异常，而且还使测量电流信号流经设置于电力变换系统的直流总线(DC bus)的电解电容器，并且提取阻抗(Impedance)电压信号并运算出等效串联内阻(ESR)值或损失角tanδ值，进而可诊断属于电力变换系统的一部分且在电力变换系统中劣化速度最快的电解电容器的老化状态。

另外，本发明的另一目的在于提供一种能够监视作为电力变换装置的必不可少的构成部件的蓄电池的老化或劣化所致的异常状态的用于电力变换系统的老化状态诊断装置及其方法。

[有益效果]

如上所述，根据本发明的用于电力变换系统的老化状态诊断装置及其诊断方法，并不采用如已有的技术中所揭示的根据设备的输入/输出电压和电流信号分析判定误工作的方法或者在输入/输出级设置信号测量电路，分析处理以此测算出的信号而诊断异常征兆的方法。本发明在运行中的电力变换装置的直流总线的邻接部位连接感测线，在逆变器开关模块的输出电路级简便地设置挂钩(hook)形状的电流感测装置，由此安装诊断装置变得简单，信号分析或者运算变得相对简单，而且因具有测量判别能力而能够提高可靠性。

另外，在电力变换系统中，电解电容器或者开关半导体元件早期就可能被劣化。本发明通过提取与所述电解电容器或者开关半导体元件的老化有关的特性要素的波形，并对此进行分析和监视来提高检测准确度以及判别能力。

另外，本发明适当布置控制与运算装置的运算时间，根据蓄电池组或者单元的测量电流信号和所提取的内部阻抗电压波形来同时运算出内部电阻值，从而基于内部电阻值判定蓄电池系统的老化状态。

因此，不仅能够准确监视电力变换系统的误工作或者损坏，而且能够在本地或者远程事先准确地监视设备由于老化或劣化所致的异常状态，从而可以事先诊断出是否有劣化现象。

附图说明

图1为根据本发明的用于电力变换系统的老化诊断装置的构成图；

图2为示出逆变器开关模块输出电流在电力变换系统的相应级中的流动的示意图；

图3为根据本发明的另一实施例的用于电力变换系统的老化诊断装置的构成图；

图4为的电力变换系统中蓄电池系统的串联单元块的连接图；

图5为逆变器开关模块输出电流在电力变换系统的相应级中的流动的示意图；

图6为当逆变器开关元件产生老化时，输出电流的波形(上方)及对此根据FFT进行分析的各谐波的幅值(下方)的示意图；

图7为当逆变器开关模块的老化导致发生故障时，输出电流的波形(上方)及对此根据FFT进行分析的各谐波的幅值(下方)的示意图；

图8为当逆变器开关模块正常工作时作为另一种老化现象的示例的输出电流的波形(上方)、及根据FFT进行分析的各谐波的幅值(下方)的示意图。

具体实施方式

为了实现上述目的，本发明所提供的用于电力变换系统的老化状态诊断装置包括：第一或第二电流感测装置，其设置于单相或三相逆变器开关模块的输出级线路上，并被配置成感测逆变器开关模块的输出电流；测量与诊断装置，其被配置成接收逆变器开关模块的输出电流波形和/或引发到电解电容器的阻抗电压信号，并通过提取、运算与电力变换系统的老化状态相关的成分判定电力变换系统的老化与否。

为了分析与充电单元以及电解电容器的异常状态或老化状态有关的其他的特性要素，本发明的老化状态诊断装置优选地还包括：第三电流感测装置，其可感测电解电容器的纹波电流(Ripple Current)；测量电流产生装置，其与电解电容器的正负极端子相连，并被配置成产生通过信号绝缘单元向电解电容器供给的测量电流信号。

本发明的老化状态诊断装置优选地还包括继电保护装置，其将所述测量电流产生装置所产生的测量电流信号切换(switching)到作为被测对象的蓄电池上，将所述被测蓄电池的特性数据信号切换到所述测量与诊断装置，以用于同时检测和监视作为如不间断电源(UPS)等电力变换系统的必不可少的构成部件的蓄电池系统的老化状态。

当电容量增大时，所述蓄电池系统的蓄电池单元(cell)由数百个以上构成，此时为了测量相应蓄电池单元的老化状态需要在所述各单元上设置感测电路，从而感测电路的设置变得极其复杂而需要大量的监视电路。据此作为更加经济的方案，优选地将被测对象的蓄电池系统划分为适当大小的串联组(group)，并测量每个组的内部电阻及电压，以此诊断其老化程度。

另外，测量与诊断装置包括：滤波与放大装置，其滤出包括在逆变器开关模块的输出电流里的不必要频带中的噪音(noise)成分或噪音信号，或者对输出电流的信号电平(level)进行缓冲(buffering)或放大或移位(shift)；A/D转换装置，其用于将从所述滤波与放大装置接收的输出电流信号转换为数字信号；以及控制与运算装置，其用于控制运算所必需的各种数据信号的提取及变换并使其适当地输入到微处理器(MPU)里，并且执行数字运算。

另外，本发明的老化状态诊断装置为了诊断直流总线电解电容器的老化状态，优选地还包括直流耦合装置，以用于从所述电解电容器正负极端子的直流电压只滤出交流成分的阻抗电压。

另外，老化状态诊断装置优选地还包括串行或TCP/IP通信端口和输出显示装置，其中串行或TCP/IP通信端口接收包括控制与运算装置的运算结果的输出信号并与外部监视装置(PC或服务器)通信，外部监视装置管理电力变换系统的诊断结果。

根据本发明所提供的用于电力变换系统的老化状态诊断方法包括以下步骤：在老化状态诊断装置中，提取电力变换系统的逆变器开关模块的输出电流波形；根据输出电流波形运算和分析其平均值和/或根据快速傅里叶变换(FFT)的各个谐波的幅值或有效值；并且该方法还包括以下步骤：使具有预定频率的测量电流信号流经连接于电力变换系统的直流总线的电解电容器：提取对应于测量电流信号的阻抗电压波形；通过使用测量电流信号和所提取的阻抗电压波形运算等效串联内阻(ESR)值或损失角tanδ值：以及根据输出电流波形的平均值以及根据FFT的各谐波的幅值或有效值、ESR值或者损失角tanδ值，分析并诊断电力变换系统的误工作或老化状态。

另外，本发明的老化状态诊断装置优选地还包括分析作为在判定充电单元或电解电容器的老化状态时的另一提取成分的根据所检测纹波电流的FFT的各谐波的幅值的步骤。

另外，测量和监视蓄电池系统的老化状态的方法由如下步骤构成，其中所述蓄电池系统是不间断电源(UPS)的必不可少的构成部件：选择性地控制继电保护装置将作为被测对象的蓄电池组或单元(cell)切换到测量与诊断装置上；使具有预定频率的测量电流信号流经继电保护装置所选择的被测对象的蓄电池组或者单元上；提取对应于测量电流信号的内部阻抗电压波形；以及根据测量电流信号和所提取的内部阻抗电压波形运算内部电阻值；根据运算出的内部电阻值判定蓄电池系统的老化状态。在提取内部阻抗电压波形的步骤中，同时进行蓄电池单元电压的测量和运算。

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

图1为根据本发明的一实施例的简要示出了电力变换系统的老化状态诊断装置的构成图。

如图1所示，根据本发明的用于电力变换系统的老化状态诊断装置包括：第一或第二电流感测装置(105a或105b)；以及测量与诊断装置211，其接收所提取的信号并测量、运算、诊断电力变换系统的老化状态。

而且，为了诊断、分析充电单元或者电解电容器的老化状态，优选地用于电力变换系统的老化状态诊断装置还包括：第三电流感测装置106，其能够感测电解电容器的纹波电流；以及信号绝缘单元113，或测量电流产生装置112。

第一或第二电流感测装置(105a或105b)插入并设置在单相或三相的逆变器开关模块102的输出级线路上，并能够时时或者在必要时检测逆变器开关模块102的输出电流波形。电流感测装置优选地设计成挂钩(hook)形式，从而无需切断线路也能够简便地将其设置到输出总线线路上，并且能检测被测对象线路的电流波形。

测量诊断装置211基本上可包括：滤波与放大装置201；A/D转换单元202；由微处理器及其周边电路构成的控制与运算装置203，并且为了诊断、分析充电单元或电解电容器的老化状态，测量与诊断装置211还可包括直流耦合装置200。

而且，测量与诊断装置211优选地还包括：串行或TCP/IP通信端口204，用于与外部监视装置进行通信；或者输出显示装置205。

直流耦合装置200从提取于直流总线电解电容器正负极端子的直流电压中只滤出交流成分的阻抗电压信号。直流耦合装置200可以如所公知地由直流耦合电容器和电阻元件构成。而且当整流器/充电器101的直流输出级的直流电压为高时，直流耦合装置200更优选地被配置成对直流输出级的电压进行适当分压以便滤波与放大装置201能够处理。

滤波与放大装置201对从电解电容器103提取的阻抗电压信号或者纹波电流信号、和/或通过第一或第二电流感测装置(105a或105b)获取的逆变器开关模块102的输出电流波形中所包括的噪音(噪音)成分进行滤出。

而且，所述滤波与放大装置201还可设置有如同带通滤波装置的滤波功能，从而可以滤出信号中所包含的对于运算老化诊断成分非必要或干扰的频带中的噪音信号。

当然，对所述直流总线电解电容器的直流电压测量而言，也可以无需通过直流耦合装置200的干预而直接输入到滤波与放大装置201来进行。

在滤波与放大装置201所滤出的信号被放大为适合于A/D转换单元202的信号电平。因为A/D转换单元202的常用型号实际上具有双电源(例如正负极12V)或单电源(例如+5V)输入，因此滤波与放大装置201对信号电平进行放大或移位(Shin)，以使之适合于A/D转换单元202的输入级电平。

而且，滤波与放大装置201可以具有对所提取或获取的信号进行缓冲(buffering)的功能

控制与运算装置203具有控制生成或变换的运算所需的各种数据信号适当地输入到微处理器(MPU)的功能，并由如同微处理器的功能比较简单的嵌入式电路构成。控制与运算装置203接收来自A/D转换单元202的数字信号，并且：1)运算逆变器开关模块102的输出电流的一个周期平均值以及/或根据FFT的各个谐波的大小或有效值；2)运算电解电容器103的ESR值或损失角tanδ值；3)根据需要通过分析利用第三电流感测装置所检测的电解电容器的纹波电流，运算出根据FFT的各谐波的大小；以及4)，根据需要运算蓄电池系统的每个组的内部电阻值或者单元(cell)电压值，从而能够诊断出电力变换系统的老化状态。

作为本发明的另一种实施例，为了简化构成而降低制造成本，用于电力变换系统的老化状态诊断装置不包括信号绝缘单元113及测量电流产生装置112，而包括第一或第二电流感测装置(105a或105b)及测量与诊断装置211。由此用于电力变换系统的老化状态诊断装置在微处理器的能力所允许的范围内，从多个方面细致地运算、分析逆变器开关模块102的输出电流的一个周期平均值、和/或输出电流的上下半周期(上半周期以及下半周期，即一个周期)的根据FFT的各谐波的大小或有效值、根据FFT分析的特征谐波(偶次或特定次的谐波)的产生与否，从而能够诊断作为电力变换系统核心回路的逆变器模块的老化状态。

在这种情况下，很难精确分析设置于直流级的电解电容器的老化状态，因此当达到耐久年限或检测其工作温度等于或高于设计基准时，将其用新产品替换，由此提高电力变换系统的可靠性。

逆变器开关模块102是电力变换系统的最主要的构成要素，其电路结构复杂，而且半导体开关元件S1～S6或控制电路的误工作或者老化导致臂短路(armshort)等致命故障的可能性极高，所以提取有关逆变器开关模块102的异常或老化的相关要素是诊断电力变换系统老化状态的基本部分，也是诊断的主要目的。

图2示出了当从逆变器开关模块102输出的电流成分向负载侧流动时，包括在输出电流成分里的各谐波成分和直流成分流过输出变压器或者输出过滤电路104的路径。

包括在输出电流成分里的直流成分Iv在输出变压器的一次回路侧形成偏差电流并流动，谐波电流成分I_h在输出滤波电路104被旁路掉，从而最终在负载侧只流动基波电流I_f。尽管图2示出了一般所采用的电力变换系统的逆变器转换单元的输出电路级，但是在输出滤波电路104位于输出变压器的一次回路侧的情形中，在最终负载侧也只流有基波电流I_f。

因此，包括在逆变器开关模块102的输出电流里的直流成分Iv以及谐波电流成分Ih即便负载电流有所变动也不受其影响，输出电压波形主要根据逆变器开关模块102的特性异常或老化状态变化，因此通过分析逆变器开关模块102输出电流的直流成分Iv或者谐波电流成分I_h的幅值可诊断电力变换系统的老化状态。

而且，电力变换系统的负载大体包括诸如电气设备的线性负载303和整流器负载302。在负载电流中包括电容器输入型的整流器负载302时，若上下半周期的波形对称，则负载电流成分中主要包括3、5、7次等奇数低次谐波。这些谐波多少被输出过滤电路104吸收一些，但奇数低次谐波(例如3、5、7次)的大部分会通过逆变器开关模块102流动。因此测量负载电流的流动所引起的包括在逆变器开关模块102的输出电流内的除奇数低次谐波外的各谐波的幅值或有效值的变化量，且当其含量增加到正常状态以上时判定为已老化。

在负载电流波形的上下半周期宽度互不相同时，根据FFT分析负载电流波形可知，在负载电流里含有偶次谐波。这种现象大部分是因为逆变器开关模块102的控制状态不良所致，所以当测量出如上所述的偶次谐波时，可以判定为电力变换系统产生了故障或已老化。

逆变器开关模块102对直流电压进行脉宽调制(PWM)控制，从而输出正弦波PWM形状的交流电压波形，当诸如上下臂(arm)开关元件S1～S6的导通电阻等开关特性值因老化而增加或变为互不相同时，逆变器开关模块102的上下半周期之间的输出电压波形相互非对称，因此流动至输出过滤电路104及输出变压器301的输出电流会带有直流成分Iv。进而交流电压波形的一个周期内的电流平均值会增加，从而通过测出电流平均值增加来诊断逆变器开关模块102的老化状态或者是否有异常。

图6示出了当半导体开关元件S1～S6中的一部分老化而导通电阻增加时，通过模拟得出的输出电流波形(上方)及根据FFT进行分析的各谐波的幅值(下方)。由于平均值有所增加而能够得出在逆变器开关模块102的输出电流里含有直流成分(DC成分)以及偶数低次谐波。

并且，当逆变器开关模块102的半导体开关元件S1～S6或半导体控制电路发生老化、或者向控制电路供给电源的控制电源(例如DC/DC变换器，或者开关式电源(SMPS))产生故障而导致误工作时，对逆变器开关模块102的输出波形而言，其上下半周期内的正弦波PWM电压波形从正常波形产生变形，并含有在正常状态时不会出现的特定次的谐波电压。与基波相比，对于这种特定次的谐波，输出变压器301及输出滤波电路104具有更低的阻抗，因而由谐波电压在输出滤波电路104产生较大的特定次的谐波电流，并且上半周期及下半周期(即，一个周期)内的特定次的谐波电流会相比正常状态有所增加。进而，通过对输出电流波形的FFT分析，测量、运算出上下半周期(即，一个周期)特征谐波的幅值及有效值，可诊断逆变器开关模块102的老化状态或是否有异常。

图7示出了当半导体开关元件S1～S6或控制电路发生老化、或者向控制电路供给电源的控制电源(例如DC/DC变换器，或者开关式电源(SMPS))产生异常而导致开关元件无法正常接通时，将此时的状态通过模拟得出的输出电流波形(上方)及根据FFT进行分析的各谐波的幅值(下方)。此时，可以得知在逆变器开关模块102的输出电流里产生了低于开关频率的特定次谐波，即产生了多个低次谐波。

图8是又一种老化现象的示例，其示出了当逆变器开关模块发生老化时根据FFT进行分析的各谐波的幅值(下方)、以及正常工作时输出电流的波形(上方)。这种情况下，可以得知在逆变器开关模块102的输出电流产生了低于开关频率的特定次谐波，即产生了多个副谐波(Subharmonic)或间谐波(Intertlarmonic)。

如上所述，电力变换系统的电路结构复杂而出故障的形式也多样，且各部件的老化程度也互不相同，所以根据这种多样的故障因素或老化因素，在逆变器开关模块102的输出电流平均值或谐波的幅值(或有效值)中，很有可能只有一个产生变化。因此对电力变换系统的PWM控制方式等的特性进行检查之后，基于工作特性要么只分析输出电流平均值或各谐波幅值(或有效值)中的某一个，要么分析、监视输出电流平均值以及各谐波的幅值(或有效值)，以此可以提高测量判别能力。

另外，连接在电力变换系统的直流总线的电解电容器，其耐久寿命根据使用条件(尤其使用温度)有所不同，属于耐久寿命较短的部件。因此持续监视、诊断电解电容器的老化状态显得尤为必要。

电解电容器随着老化及劣化，一般有三个要素产生变化。这三个要素分别是电容量、ESR、以及漏电流(leakage current)。电解电容器的电容量单位用法拉第(Farady)表示，随着老化及劣化电解电容器的电解成分会逐渐减少电容量变小，ESR值变大。

而且，电容量根据电解电容器的温度产生变化，因此计算出电容量与ESR值的比值，即计算出损失角tanδ值之后，将是否增加到预定值以上(例如电容量大约变化-20％～+20％)作为诊断的基准。尤其大多制造商提示，在损失角tanδ为初期基准值的300％以下时，电解电容器产生了劣化，因此优选地应当检验tanδ的变化值。

另外，作为本发明的检测充电单元异常的方案，优选地还包括将通过第三电流感测装置检测获得的电解电容器纹波电流的谐波成分根据FFT进行分析处理，并诊断各谐波的幅值是否产生变化而达到大于或等于基准值的步骤，其中电解电容器的纹波电流的各谐波的幅值是与整流单元或充电器的异常或老化、或者与电解电容器的老化有关的相关要素。

作为本发明的一个实施例，响应于来自控制与运算装置203的开/关(On/Off)信号，测量电流产生装置112产生正弦波或矩形波形状的、或者具有纯正弦波的纹波形状的测量电流信号Is。所产生的测量电流信号Is由于直流级的电压被信号绝缘单元113的耦合装置阻断(blocking)流过直流总线电解电容器的正负极端子。

当测量电流信号流经电解电容器时，在电解电容器的正负极端子上，直流电压上会叠加与之相关的阻抗电压Vs，直流电压在直流耦合装置200被消除，且纯交流成分的阻抗电压信号通过滤波与放大装置201，并通过A/D转换单元202转变为数字信号。

而且，所施加的测量电流信号Is也会在A/D转换单元202转变为数字信号，且使用阻抗电压Vs及测量电流信号Is运算被测量电解电容器的ESR值、以及电容量与ESR值的比值，即损失角tanδ。

ESR值是电解电容器的内部电阻成分，因此可以用如下的[数学式1]来表示。

【数学式1】

ESR值(μΩ)＝(Vs/Is)xcosδx10^-6

在此，δ是测量电流信号Is和与之相关的阻抗电阻Vs的相位角之差。进而，cosδ可以用[数学式2]来表示。

【数学式2】

cosδ＝ESR值(μΩ)x(Is/Vs)x10^-6

而且，由于损失角tanδ可以用[数学式3]来表示，所以从中能够运算出ESR值(μΩ)以及损失角tanδ。

【数学式3】

$\tan \mathrm{\δ}=\sqrt{1/{\cos }^2\mathrm{\δ}-1}$

对于有关ESR值(μΩ)及cosδ值的运算方法而言，作为本发明的一种示例可应用本案的申请人在2004年2月3日向韩国特许厅提出的2006年5月2日授权的授权号为10-0577828-0000的发明名称为“基于纹波噪声信号的阻抗有效值的测量运算方法及其电路”的专利中所公开的同步检波法算法及其电路来进行运算。

一般来讲，阻抗电压Vs和测量电流信号Is中含有因电力变换系统的工作而产生的各种感应噪声(噪音)或负载电流所致的各次数的谐波。当除了阻抗电压Vs和测量电流信号Is的基本频率成分之外，还含有任意谐波的成分或类似于基频成分的频率时，也可以应用在引用发明中公开的同步检波法算法，从而运算出ESR值(μΩ)及cosδ值，并利用[数学式3]准确运算出损失角tanδ。

更具体地，当要运算电解电容器的内部ESR值(μΩ)时，通过常用的带通滤波装置来获取含有(混合有)大量噪音的检测信号，而噪音是由于对应于测量电流信号Is的阻抗电压V_Is和高频谐波纹波电压V_RP等外部因素而在被测物上感生的噪音。在此情形中，适当设定测量电流信号Is的频率而排除噪音的影响，提取最优选定的积分周期T_D而进行积分运算，并去除全部交流成分项的运算步骤构成的同步检波法，可以准确获取电解电容器的内部ESR值(μΩ)及cosδ值。

假设测量电流信号Is的频率为nω，对应于测量电流信号Is从被测对象的电解电容器得到的阻抗电压Vs信号一般通过[数学式4]来表示。

【数学式4】

VS＝V(t)＝2Acos(ωt+Φ+δ)

在本发明中，δ值是当要运算电解电容器的内部ESR值(μΩ)时，测量电流信号Is和与之相关的阻抗电压V_Is的相位角之差。

而且，测量电流信号Is可以用[数学式5]以正弦函数来表示，其含有各种感应噪声(噪音信号)或开关噪声所致的各次谐波。

【数学式5】

Is＝i(t)＝2Bcos(ωt+Φ)

根据公知的同步检波运算方法，将各种谐波信号中所含有的阻抗电压V_Is或测量电流信号Is分别相乘到具有与阻抗电压V_IS相同的频率且存在一定角Φ的相位差的余弦波C₁或正弦波S₁，由此计算出各运算项m₁、m₂、m₃、m₄，再计算出构成各运算项的所有交流成分项频率的最大公约数，将相当于最大公约数的周期或它的整数倍设定为积分周期TD，在积分周期T_D内对各运算项m₁、m₂、m₃、m₄分别计算周期积分，从而排除各运算项m₁、m₂、m₃、m₄中的交流成分而得出用于ESR值运算所需的直流成分M₁、M₂、M₃、M₄值，且通过[数学式1]和[数学式6]计算出ESR值(μΩ)。

【数学式6】

$\frac{(M_1{M}_4+M_2{M}_3)}{M_1^2+M_4^2}=\frac{A}{\sqrt{2}}-\frac{1}{\frac{B}{\sqrt{2}}}\cos \left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{\mathrm{Vs}}{\mathrm{Is}}\cos \left(\mathrm{\δ}\right)$

而且，通过[数学式7]计算出cosδ值，

【数学式7】

$\frac{(M_1{M}_4+M_2{M}_3)}{\sqrt{M_1^2+M_3^2}\sqrt{M_2^2+M_4^2}}=\cos \left(\mathrm{\δ}\right)$

然后根据[数学式7]和[数学式3]可以计算出损失角tanδ。

另外，图3是本发明的另一实施例，其还包括继电保护装置114，继电保护装置114将产生于测量电流产生装置112的测量电流信号Is切换到被测蓄电池系统110，以用于同时测量、诊断作为不间断电源(UPS)的必要构成部件的蓄电池系统110的老化状态，而且将被测蓄电池的内部阻抗电压信号连接到测量诊断装置211。

通过使产生于测量电流产生装置112的测量电流信号Is流经被测蓄电池系统110，从被测蓄电池获取阻抗电压信号Vs，并且通过类似于前述的运算电解电容器内部ESR值(μΩ)的方法，可以运算出被测蓄电池的内部阻抗有效值(电阻成分)。

而且，为了运算被测蓄电池的内部阻抗有效值(电阻成分)，产生于测量电流产生装置112的测量电流信号Is的频率可以设置成与运算电解电容器的内部ESR值(μΩ)时所使用的测量电流信号Is的频率、或者考虑到被测蓄电池的内部等价电路特性可以设置成恰当的频率，并且测量电流信号Is的幅值可以设定为相同或不相同。

当蓄电池的电容量增大时，蓄电池系统110的蓄电池单元(cell)由数百个以上构成。在这种情况下，为了测量各单元的老化状态，每个单元都需要设置测量电路，因此设置显得复杂且需要大量的监视电路，从而结构也变得复杂。鉴于此作为更加经济的方案，将被测对象的蓄电池系统110划分为适当大小的组之后，测量每组的内部阻抗有效值(电阻成分)以及电压，以此诊断蓄电池系统110的老化程度。

图4示出了检测每个组的电阻和电压而诊断其老化程度的实施例的布线图。

更加具体来讲，图4示出了将被测对象的蓄电池系统110划分为适当数目的组，并对用于测量每个组的内部电阻及电压的测量电流信号线Isl～Isn以及特性数据感测信号线vsl～Vsn进行连接的连接图。实际上，考虑到蓄电池系统的串联组列大小，以4～12个单元为一个组，并连接以4端子网形成的测量电流信号线及数据感测信号线，以用于测量每个组的内部电阻及单元电压。

图4中每个组由4个单元构成，在2个相邻组上连接有测量电流信号线，以使测量电流信号可流至两个串联组列。但考虑到测量电流产生装置111的电容量和测量电流信号线的布线难度，可以适当地选择测量电流信号Is单独流动的组的数量。

对于运算电解电容器的内部ESR值μΩ及cosδ值或运算被测蓄电池单元/组的内部电阻而言，利用同步检波算法的一个实施例的测量运算步骤或方法如下。

使测量电流信号流经被测物，以此测出测量电流信号Is和与之相关的阻抗电压信号Vs(S301)；

而且此时，优选地从测量电流信号及阻抗电压的信号频率成分中，通过滤波装置或测量运算装置内部的滤波程序，尽可能只过滤有必要于测量运算的频率成分(S302)；

接着，微处理器(MPU)读取被转换为数字信号的检测信号，并利用所获得的测量电流信号及阻抗电压的测量信号成分，运算电解电容器的内部ESR值(μΩ)及损失角tanδ值，或者运算被测蓄电池的单元/组的内单元电阻值(S303)。

在此，运算ESR值(μΩ)及损失角tanδ值、或者运算蓄电池的单元/组的内部电阻值的方法如下。

对形成测量信号的所有频率成分进行相加及相减之后，求出其结果值之间的最大公约数(S304)；

将相当于最大公约数频率的周期或周期的整数倍设定用于运算的预定的积分周期T_D(S305)。

利用测量电流信号、阻抗电压信号、余弦波C₁及正弦波S₁，分别计算出运算项m₁、m₂、m₃、m₄(S306)。

在预定的积分周期T_D内，对运算项m₁、m₂、m₃、m₄进行积分而分别得出只以直流成分构成的运算项M1、M2、M3、M4(S307)。

利用运算项M1、M2、M3、M4运算出电解电容器的内部ESR值(μΩ)及损失角tanδ值，或计算出蓄电池的单元/组的内部电阻(S308)。

图5为作为本发明的一实施例的方法的内部程序流程图，该方法通过运算逆变器开关模块102的输出电流平均值和/或根据FFT的谐波的幅值或有效值、并通过运算电解电容器的ESR值和损失角tanδ，对电力变换系统的老化状态进行诊断。具体说明如下。

测量与诊断装置211接通电源，进入测量电力变换系统的异常与否及其老化状态的运算循环中，并将微处理器(MPU)的计数器值n重置为0(S501)。

为了检测第一或第二电流感测装置(105a或105b)的输出电流波形，将通过滤波与放大装置201获取的半周期或一个周期内的输出电流采样值输入到A/D转换单元202，并将转换后的输出电流数字值存储到控制与运算装置203的存储器里，直至计数器的值达到N为止反复进行存储(S502)。

使用被存储的电流波形运算一个周期内的平均值，接着根据FFT运算上下半周期(即，一个周期)的特定次谐波的幅值、或特定次谐波的有效值。若平均值、或者各谐波的幅值或有效值中的至少一个大于预定值M1、M2，则设定相关的事件比特(event bit)(S503)。

相关的事件比特被设定之后，被传送到数据收集装置或服务器上，以此告知该数据收集装置或服务器电力变换系统的异常状态或是否有故障(S504)。

另外，虽然在步骤S503使用了通过简单的运算来确保诊断可靠性的方法，即，只要平均值、或者特征谐波的幅值或有效值中的至少一个大于预定值M1、M2，则判定为电力变换系统处在异常或者老化状态而停止其运转。

但作为另一种实施例，由于根据电力变换系统的故障状态或故障形式，滤波与放大装置201的输出电流波形的电平或状态分别以不同的形式输出，所以根据设计人的判断并考虑到这种特性，应当优选地核对(check)平均值以及特征谐波的幅值或有效值是否都大于基准预定值M1、M2。

即，如果平均值和特征谐波的幅值/有效值不是全部大于预定值M1、M2，则电力变换系统继续运行(S505)。

在上述过程中，如果发现异常，则立即将负载旁路掉，停止电力变换系统的运转，并设定错误标示(flag)而显示到输出显示装置上，且传送到数据收集装置或服务器(S506)。

另外，运算电解电容器的ESR值和作为电容量与ESR值的比值的损失角tanδ值的方法包括如下步骤：使具有预定频率的测量电流信号流过连接于电力变换系统的直流总线的电解电容器(S601)；提取对应于测量电流信号的阻抗电压波形(S602)；根据测量电流信号和所提取的阻抗电压波形运算出ESR值或损失角tanδ值(S603)；根据运算出的ESR值或损失角tanδ值诊断电力变换系统的误工作或电解电容器的老化状态(S604)。在上述步骤中，如果发现误工作或老化异常状态，则立即将负载旁路掉，停止电力变换系统的运行，并设定错误标示而显示到输出显示装置上，且传送到数据收集装置或服务器。

另外，测量、监视不间断电源(UPS)的必不可少的构成部件，即蓄电池系统的方法包括如下步骤：选择性地控制继电保护装置将被测对象蓄电池的组或单元切换到测量诊断装置；使具有预定频率的测量电流信号流经继电保护装置所选择的被测对象蓄电池的组或单元：提取对应于测量电流信号的内部阻抗电压波形：根据测量电流信号和被提取的内部阻抗电压波形运算内部电阻值：根据运算出的内部电阻值，判断蓄电池系统的老化状态。在提取内部阻抗电压波形的步骤中，同时对蓄电池单元电压进行测量、运算。

通过测量被测对象蓄电池系统的各单元或组的内部电阻、或者每个组的电压来诊断劣化状态的具体实施方法或其电路，可以通过应用本案申请人在2003年4月23日向韩国特许厅提出的2006年1月19日被授权的授权号为：10-0546246号，发明名称为：“蓄电池系统的劣化诊断系统”的发明专利的技术思想来容易地实现。

如上所述的本发明优选的实施例只是以示例的目的而公开，显然还可以直接利用本发明的技术思想，通过添加串行或TCP/IP通信模块，将在线诊断监视装置安装到运转中的电力变换系统而使用。

另外，本发明还可以直接利用其技术思想以便携形式制作，并利用4端子网检测探头(probe)及电流感测装置来检测电力变换系统的被测对象部位.以此能够准确诊断各部位的误工作或异常状态。

另外，本发明所属技术领域的普通技术人员，在不超出本发明技术思想的范围内，完全可以进行替换、变形及变更，但这种替换、变形及变更都应当认为包括在本发明权利要求书的范围内。

工业实用性

目前，不间断电源正成为电力变换系统的主流，其用途和使用目的是考虑到常用生产线的停电事故，时时将电力充电到蓄电池，而当发生停电事故时，将充电在蓄电池里的电力转换为交流而用于应急。因此本装置的故障会直接导致停电而对经济和社会造成损失，所以事先监视本装置的老化状态而避免本装置运行中产生故障是必然的需要。

本发明不仅能够准确监视电力变换系统的误工作或损坏，而且在本地或远程可以实时监视因设备的老化或劣化所致的异常状态，从而能够事先诊断是否存在老化(劣化)状态。

另外，本发明在运行中的电力变换系统的直流总线的邻接部位连接由4端子网构成的感测线，并在逆变器开关模块的输出电路级以挂钩形式设置电流感测装置，由此能够简便地应用于运行中的电力变换系统上。

另外，在电力变换系统的部件中，有可能产生早期劣化的部件为电解电容器，本发明通过提取与电解电容器的损失角和/或开关半导体元件的老化有关的特征因素的电流波形来进行判定。因此相比常规的方式提高电力变换装置的老化诊断准确度及判别能力。

另外，根据设计人的判断，可以有选择地使信号解释或运算变得简单，而且测量判别能力高而能够提高可靠性。

Claims (16)

1.一种用于电力变换系统的老化状态诊断装置，包括：

输出电流感测装置，其安装于所述电力变换系统的逆变器开关模块的输出级线路上，并被配置成检测所述逆变器开关模块的输出电流；以及

测量与诊断装置，其被配置成从所述输出电流感测装置接收所述逆变器开关模块的输出电流，运算所述输出电流的一个周期平均值、和/或所述输出电流的各个谐波的幅值或有效值，并判定所述逆变器开关模块老化与否，其中所述判定包括如果所述输出电流的一个周期平均值增大等于或大于预定范围的值、或者所述输出电流的根据快速傅里叶变换的偶次谐波或特定次谐波增大等于或大于预定范围的值，则所述测量与诊断装置判定所述电力变换系统的逆变器开关模块已老化，

其中所述特定次谐波选自多个低次谐波、多个副谐波或间谐波。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量与诊断装置包括：

A/D转换单元，其将从所述输出电流感测装置接收的输出电流信号转换为数字信号，并将之输出到控制与运算装置；以及

控制与运算装置，其运算来自所述A/D转换单元的输出电流信号的一个周期平均值、和/或所述输出电流的根据快速傅里叶变换的谐波的幅值或有效值，并判定所述电力变换系统的逆变器开关模块老化与否。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述测量与诊断装置还包括：

滤波与放大装置，其滤出所述输出电流所包括的非必要频带中的噪音信号，或者对输出电流的信号电平进行缓冲、放大或移位。

4.根据权利要求2或3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述测量与诊断装置还包括：

输出显示装置，用于输出所述控制与运算装置的运算结果；或

通信端口，其接收和所述控制与运算装置的运算结果有关的输出信号，并将所述输出信号传送到外部监视设备。

5.一种用于电力变换系统的老化状态诊断装置，包括：

测量电流产生装置，其与所述电力变换系统的直流总线电解电容器的正负极端子相连，并被配置成产生向所述直流总线电解电容器供给的测量电流信号；

信号绝缘单元，其被配置成使所述测量电流产生装置产生的测量电流信号从直流级电压阻断，并流过所述电解电容器；

测量与诊断装置，其被配置成通过使用由所述测量电流产生装置产生的测量电流信号、以及由所述测量电流信号而在所述电解电容器中感生的阻抗电压信号，运算所述电解电容器的等效串联内阻值和/或损失角，其中如果所述等效串联内阻值或所述损失角增大等于或大于预定范围的值，则判定所述电力变换系统的直流总线电解电容器的已老化。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括用于检测所述直流总线电解电容器的纹波电流的纹波电流感测装置；

其中所述测量与诊断装置接收来自所述纹波电流感测装置的纹波电流，运算所述纹波电流的根据快速傅里叶变换的各个谐波的幅值，所述纹波电流的根据快速傅里叶变换的各谐波的幅值增大等于或大于设定范围的值，判定所述电力变换系统的直流总线电解电容器已老化。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测量与诊断装置包括：

直流耦合装置，用于从所述直流总线电解电容器的正负极端子所得到的阻抗电压只滤出交流成分信号；

A/D转换单元，用于将所述交流成分的阻抗电压信号、所述测量电流信号以及所述纹波电流转换为数字信号，并将所述数字信号输出到控制与运算装置；以及

控制与运算装置，用于通过利用来自所述A/D转换单元的阻抗电压信号、测量电流信号以及纹波电流运算所述电解电容器的等效串联内阻值或损失角且用于运算所述纹波电流的根据快速傅里叶变换的各个谐波的幅值，所述等效串联内阻值或所述损失角增大等于或大于预定范围的值、或者所述纹波电流的根据快速傅里叶变换的各谐波的幅值增大等于或大于设定范围的值，判定所述电力变换系统的直流总线电解电容器已老化。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述测量与诊断装置包括：

直流耦合装置，用于从所述直流总线电解电容器的正负极端子所得到的阻抗电压只滤出交流成分信号；

A/D转换单元，用于将所述交流成分的阻抗电压信号以及所述测量电流信号转换为数字信号，并将所述数字信号输出到控制与运算装置；以及

控制与运算装置，用于通过利用从所述A/D转换单元输出的阻抗电压信号以及测量电流信号运算所述电解电容器的等效串联内阻值或损失角，在所述等效串联内阻值或所述损失角中的至少一个增大等于或大于预定范围的值时，判定所述电力变换系统的直流总线电解电容器已老化。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述测量与诊断装置还包括：

输出显示装置，用于输出所述控制与运算装置的运算结果；或

通信端口，用于接收和所述控制与运算装置的运算结果相关的输出信号，并将所述输出信号发送到外部监视装置。

10.一种在用于电力变换系统的老化状态诊断装置中诊断所述电力变换系统的老化状态的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)在所述老化状态诊断装置中，检测所述电力变换系统的逆变器开关模块的输出电流；以及

(b)运算所述逆变器开关模块输出电流的一个周期平均值、和/或所述输出电流的各个谐波的幅值或有效值，并基于所述运算的结果判定所述电力变换系统的逆变器开关模块的老化与否，其中所述判定包括如果所述输出电流的一个周期平均值增大等于或大于预定范围的值、或者所述输出电流的根据快速傅里叶变换的偶次谐波或特定次谐波增大等于或大于预定范围的值，则所述测量与诊断装置判定所述电力变换系统的逆变器开关模块已老化，

其中所述特定次谐波选自多个低次谐波、多个副谐波或间谐波。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括如下步骤：

(b-1)将所检测的所述输出电流转换为数字信号；以及

(b-2)运算所述被转换为数字信号的输出电流的一个周期平均值、和/或所述输出电流的根据快速傅里叶变换的各个谐波的幅值或有效值，并判定所述电力变换系统的逆变器开关模块的老化与否。

12.一种在用于电力变换系统的老化状态诊断装置中诊断所述电力变换系统的老化状态的方法，所述方法包括如下步骤：

(a)在所述电力变换系统的老化状态诊断装置中，使具有预定频率的测量电流信号流过与所述电力变换系统的直流总线相连的直流总线电解电容器；

(b)在所述电解电容器的正负极端子提取与所述测量电流信号相对应的阻抗电压波形；

(c)在用于所述电力转换系统的所述老化状态诊断装置中，运算所述电解电容器的等效串联内阻值和/或损失角tanδ，当所述等效串联内阻值或所述损失角增大等于或大于预定范围的值时，判定所述电力变换系统的直流总线电解电容器已老化。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在执行所述步骤(c)之前或之后，还包括以下步骤：

在用于所述电力转换系统的所述老化状态诊断装置中，检测所述直流总线电解电容器的纹波电流；以及

运算所检测的纹波电流的根据快速傅里叶变换的各谐波的幅值，所述纹波电流的根据快速傅里叶变换的各谐波的幅值增大等于或大于设定范围的值，判定所述电力变换系统的直流总线电解电容器已老化。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括如下步骤：

(c-1)在用于所述电力转换系统的所述老化状态诊断装置中，通过滤波装置或执行滤波程序，从所述测量电流信号及阻抗电压信号的成分中只滤出对测量运算所必要的频率成分；

(c-2)将阻抗电压信号、测量电流信号以及纹波电流转换为数字信号；以及

(c-3)利用被转换为数字信号的所述阻抗电压信号、测量电流信号或纹波电流信号，运算所述电解电容器的等效串联内阻值、损失角、和所述纹波电流的根据快速傅里叶变换的各谐波的幅值中的一个或多个，当所述等效串联内阻值或所述损失角增大等于或大于预定范围的值、或者所述纹波电流的根据快速傅里叶变换的各谐波的幅值增大等于或大于预定范围的值时，判定所述电力变换系统的直流总线电解电容器已老化。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括如下步骤：

(c-1)在用于所述电力变换系统的所述老化状态诊断装置中，通过滤波装置或执行滤波程序，从所述测量电流信号及阻抗电压信号的成分中只滤出对测量运算所必要的频率成分；

(c-2)将阻抗电压信号及测量电流信号转换为数字信号；以及

(c-3)利用被转换为数字信号的所述阻抗电压信号及测量电流信号，运算所述电解电容器的等效串联内阻值，并基于所计算的等效串联内阻值判定所述电力变换系统的直流总线电解电容器的老化与否。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在执行所述步骤(a)至(c)之前或之后还包括如下步骤：

在用于所述电力变换系统的所述老化状态诊断装置中，

产生测量电流信号并使所述测量电流信号流过被测蓄电池，其中所述测量电流信号具有与运算所述电解电容器的等效串联内阻值(ESR)时相同的频率、或与测量被测蓄电池的内部等效电路特性相适合的频率；以及

在使上述步骤中确定的测量电流信号流过所述蓄电池时测量蓄电池的内部电阻。

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