CN103499728B - 一种串联电容组电压不均衡检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联电容组电压不均衡检测方法及系统，具体通过与串联电容并联的隔离DC/DC转换器检测电容上的电压大小，取所有电容检测值最大值和最小值，用最大值与最小值得差与预先设定的阈值进行比较，如二者之差小于预先设定的阈值，则说明串联电容组正常可用；否则，则说明串联电容组不异常，发出告警和保护信号。本发明的方法及系统采用隔离DC/DC转换器检测电容电压成本较低，采用串联电容电压最大和电压最小值差来对电容故障进行判断，准确可靠。本发明的方法和系统特别适用于电压型逆变器的中间直流电容电压不均匀检测。

Description

一种串联电容组电压不均衡检测方法及系统

技术领域

本发明属于电压逆变器技术领域，具体涉及其中的串联电容组电压不均衡检测方法及系统的设计。

背景技术

电压型逆变器将直流电压逆变为交流电压，其直流侧接有大容量的支撑电容，常用的支撑电容采用直流电解电容，目前直流电容的电压等级只有450V，因此在中高压逆变器应用中，通常采用多个同一型号的电容串联并联而成。如图1所示的电压型逆变器直流支撑电容由3个（或3组）电容串联而成。正常情况下各串联电容组间的电容电压相差决定于电容容值差（一般在5%之内），如果串联电容组中有1个或各个串联电容组中有1组发生短路故障，则串联电容组间的分压会严重不均衡，因此检测串联电容组间的电压差可以作为电容故障判断的依据。

直流电解电容的寿命十分有限，实际运行中，串联电容组中有一个发生短路故障，会导致其它的电容组电压过高而各个被击穿损坏，发生直流侧短路，引发设备中其它部件过流故障（如前面整流桥、进线保险等因短路电流过大而损坏），因此及时检测到电容早期故障有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决串联电容有一个发生短路故障时造成的上述问题，提出了一种串联电容组电压不均衡检测方法，具体为：检测所述的串联电容组中每个电容两端的电压；比较所获得的电压的大小，得到最大电压值和最小电压值；计算得到的最大电压值和最小电压值的差值，将该差值与预先设定的阈值进行比较，若所述的差值小于预先设定的阈值，则所述的串联电容正常，否则，所述的串联电容异常。

进一步的，检测所述的串联电容组中每个电容两端的电压具体使用隔离DC/DC转换器。

更进一步的，所述的隔离DC/DC转换器具体为半桥主电路结构的隔离DC/DC转换器。

进一步的，所述的预先设定的阈值具体为Ut：Ut=U_d/M×k%/2×N₂/N₁，其中，M为串联电容组的电容个数，U_d为串联电容组的两端的电压，N₁为隔离DC/DC转换器中的隔离变压器初级匝数，N₂为隔离DC/DC转换器中的隔离变Ut=U_d/M×k%/2×N₂/N₁压器次级匝数；k%为串联电容组允许的电容量差。

本发明还提出了一种串联电容组电压不均衡检测系统，具体包括：电压检测单元、第一比较单元、减法器单元和第二比较单元；其中，

所述的电压检测单元用于检测所述的串联电容组中每个电容两端的电压；

所述的第一比较单元用于比较所获得的电压的大小，得到最大电压值和最小电压值；

所述的减法器单元用于计算第一比较单元得到的最大电压值和最小电压值的差值；

所述的第二比较单元用于将减法器单元输出的差值与预先设定的阈值进行比较，若所述的差值小于预先设定的阈值，则所述的串联电容正常，否则，所述的串联电容异常。

本发明的有益效果：本发明的串联电容组电压不均衡检测方法及系统通过与串联电容并联的隔离DC/DC转换器检测电容上的电压大小，取所有电容检测值最大值和最小值，用最大值与最小值得差与预先设定的阈值进行比较，如二者之差小于预先设定的阈值，则说明串联电容组正常可用；否则，则说明串联电容组异常，发出告警和保护信号。本发明的方法及系统采用隔离DC/DC转换器检测电容电压成本较低，采用串联电容电压最大和电压最小值差来对电容故障进行判断，准确可靠。本发明的方法和系统特别适用于电压型逆变器的中间直流电容电压不均匀检测。

附图说明

图1是电压型逆变器主电原理示意图；

图2是本发明实施例的串联电容组电压不均衡检测方法的原理示意图；

图3是本发明实施例的半桥主电路结构隔离DC/DC转换器的检测原理示意图；

图4是本发明实施例的串联电容组电压不均衡检测系统结构示意图。

附图标记说明：图2中：C₁、C₂、C₃、－电容；U_c1o、U_c2o、U_c3o，－隔离DC/DC转换器输出；U_Max、U_Min－检测电压的最大和最小值；Max－信号取大；Min－信号取小；COM－比较器；U_{c_ub}－电容不平衡输出信号；Ut－比较门坎电压；ΔU－U_Max与U_Min之差；

图3中：C_d1和C_d2－半桥逆变器中间电容；V₁和V₂－半桥逆变器开关器；D₁、D₂－输出整流二极管；T－高频变压器；C_do－输出滤波电容；U_C-DC/DC输入电压；U_CO-DC/DC输出电压；U_i-逆变器输出电压；N₁、N₂－隔离变压器初级和两个次级匝数；U_o-逆变器输出电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本发明实施例的串联电容电压不均衡检测方法的原理示意图如图2所示，具体为：检测所述的串联电容中每个电容两端的电压；比较所获得的电压的大小，得到最大电压值和最小电压值；计算得到的最大电压值和最小电压值的差值，将该差值与预先设定的阈值进行比较，若所述的差值小于预先设定的阈值，则所述的串联电容正常，否则，所述的串联电容异常。

图2中的串联电容组具体以三个电容为例说明，在本实施例中检测所述的串联电容组中每个电容两端的电压具体使用隔离DC/DC转换器，三个隔离的DC/DC转换器与三个电容并联检测出三个电容的电压值U_c1o、U_c2o和U_c3o,将三个信号进行取大和取小处理，得到最大值U_Max和最小U_Min，最大值与最小值相减得到二者差ΔU。ΔU与门坎电压U_t进行比较，当ΔU不小于U_t时输出电容不平衡故障信号U_{c_ub}，此信号用于电容故障报警和保护动作。

本发明的方法采用隔离DC/DC转换器检测电容上的电压，最大电压和最小电压的差值作为电容是否正常的依据。隔离DC/DC转换器的PWM信号的占空比是最大值且固定不变，其输出电压与电容电压成线性关系，成本低；采用串联电容电压最大值的与电压最小值之差作为不均衡判断依据，准确可靠，动作点整定也很方便。

根据电容电压的高低和选用的逆变器开关器件电压等级不同，电压检测用的隔离DC/DC主电路采用不同的方式，可以是推挽、半桥、全桥或其它方式，逆变电路采用固定宽度的PWM控制信号，输出电压与输入电压成线性关系。在本实施例中具体采用半桥主电路结构的隔离DC/DC转换器，下面以半桥主电路结构的隔离DC/DC转换器为例说明本发明方法的具体检测原理。

图3是采用半桥逆变电路结构的隔离DC/DC原理示意图。DC/DC的输入电压是对应并联的电容上电压U_C，C_d1和C_d2是分压电容，其电容量相等，将输入电压分成两等份。V₁和V₂是逆变功率管，V₁和V₂的门极控制信号是PWM信号，其频率为f,占空比为50%，两路驱动互补，这样逆变器就将直流电压U_C逆变为幅度为U_C/2频率为f为方波交流电压Ui；交流电压Ui加在高频变压器的初级，次级感应出初级同频率有交流方电压，其幅度与变压器的匝数成正比。因此两个次级绕组输出电压幅度为U_C/2×N₂/N₁，变压器次级输出经过中抽桥式整流滤波后的输出电压为U_C/2×N₂/N₁-U_D，其中，U_D为整流二极管D₁、D₂的管压降。可见输出电压与输入电压成线性关系。

根据上述隔离DC/DC转换器的检测原理，则U_Max=Max(U_C1、U_C2、U_C3)/2×N₂/N₁-U_D，U_Min=Min(U_C1、U_C2、U_C3)/2×N₂/N₁-U_D，检测的最大电压与最小电压信号差ΔU=Max(U_C1、U_C2、U_C3)/2×N₂/N₁-Min(U_C1、U_C2、U_C3)/2×N₂/N₁=[Max(U_C1、U_C2、U_C3)-Min(U_C1、U_C2、U_C3)]/2×N₂/N₁。可见输ΔU反映了串联电容上电压最大与电压最小的差。

设串联电容组允许电容量电压为k%，则串联电容组电压最大值与电压最小值的差为平均电压的k%的一半、，因此图2所示的电路中串联电容电压差允许最大值为U_d/3×k%/2，因此检测信号差ΔU的最大门坎值Ut=U_d/3×k%/2×N₂/N₁，因此这里预先设定的阈值具体为：Ut=U_d/3×k%/2×N₂/N₁。当ΔU<Ut时说明电容容值差在正常范围，串联电容组正常；ΔU>Ut时说明电容值差超过正常范围，串联电容组发生了故障，发出电容不平衡故障信号U_{c_ub}，断开电容上的电供电电源，对电容进行更换。

基于上述方法，在本实施例中还提出了一种串联电容组电压不均衡检测系统，具体结构如图4所示，包括：电压检测单元、第一比较单元、减法器单元和第二比较单元；其中，

所述的电压检测单元用于检测所述的串联电容中每个电容两端的电压；

所述的第一比较单元用于比较所获得的电压的大小，得到最大电压值和最小电压值；

所述的减法器单元用于计算第一比较单元得到的最大电压值和最小电压值的差值；

所述的第二比较单元用于将减法器单元输出的差值与预先设定的阈值进行比较，若所述的差值小于预先设定的阈值，则所述的串联电容正常，否则，所述的串联电容异常。

与检测方法类似，这里的电压检测单元具体使用隔离DC/DC转换器；作为一种优选方案，这里的隔离DC/DC转换器具体为半桥主电路结构的隔离DC/DC转换器。

同上，这里预先设定的阈值可以采用如下一种方式，预先设定的阈值记为Ut，则Ut=U_d/M×k%/2×N₂/N₁，其中，M为串联电容的电容个数，U_d为串联电容组的两端的电压，N₁为隔离DC/DC转换器中的隔离变压器初级匝数，N₂为隔离DC/DC转换器中的隔离变压器次级匝数；k%为串联电容组允许电压差。

通过上述分析，可以看出，发明的方法和系统由于采用了隔离DC/DC转换器，降低了成本，采用串联电容电压最大和电压最小值差来对电容故障进行判断，准确可靠。本发明的方法和系统特别适用于电压型逆变器的中间直流电容电压不均匀检测

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种串联电容组电压不均衡检测方法，具体为：使用隔离DC/DC转换器检测所述的串联电容组中每个电容两端的电压；比较所获得的电压的大小，得到最大电压值和最小电压值；计算得到的最大电压值和最小电压值的差值，将该差值与预先设定的阈值进行比较，若所述的差值小于预先设定的阈值，则所述的串联电容正常，否则，所述的串联电容异常；

所述的预先设定的阈值具体为Ut：Ut＝U_d/M×k％/2×N₂/N₁，其中，M为串联电容组的电容个数，U_d为串联电容组的两端的电压，N₁为隔离DC/DC转换器中的隔离变压器初级匝数，N₂为隔离DC/DC转换器中的隔离变压器次级匝数；k％为串联电容组允许的电容量差。

2.根据权利要求1所述的串联电容组电压不均衡检测方法，其特征在于，所述的隔离DC/DC转换器具体为半桥主电路结构的隔离DC/DC转换器。

3.根据权利要求2所述的串联电容组电压不均衡检测方法，其特征在于，所述的隔离DC/DC转换器的PWM信号的占空比为固定值。

4.一种串联电容组电压不均衡检测系统，具体包括：电压检测单元、第一比较单元、减法器单元和第二比较单元；其中，

所述的电压检测电压单元用于检测所述的串联电容组中每个电容两端的电压，所述的电压检测单元具体为隔离DC/DC转换器；

所述的第一比较单元用于比较所获得的电压的大小，得到最大电压值和最小电压值；

所述的减法器单元用于计算第一比较单元得到的最大电压值和最小电压值的差值；

所述的第二比较单元用于将减法器单元输出的差值与预先设定的阈值进行比较，若所述的差值小于预先设定的阈值，则所述的串联电容正常，否则，所述的串联电容异常；

所述的预先设定的阈值具体为Ut：Ut＝U_d/M×k％/2×N₂/N₁，其中，M为串联电容组的电容个数，U_d为串联电容组的两端的电压，N₁为隔离DC/DC转换器中的隔离变压器初级匝数，N₂为隔离DC/DC转换器中的隔离变压器次级匝数；k％为串联电容组允许的电压差。

5.根据权利要求4所述的串联电容组电压不均衡检测系统，其特征在于，所述的隔离DC/DC转换器具体为半桥主电路结构的隔离DC/DC转换器。

6.根据权利要求5所述的串联电容组电压不均衡检测系统，其特征在于，所述的隔离DC/DC转换器的PWM信号的占空比为固定值。