CN105044470A - 一种基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，包括以下步骤：1)控制电容器的电压为给定电压U₀；2)电机绕组电感与电容器形成谐振回路，电容器开始谐振放电，同时对电机的相电流进行采样；3)对采样获得的电流数据进行最小二乘法拟合，获得电容容量。与现有技术相比，本发明利用现有的电流传感器对幅值较大且变化较慢的电容放电电流进行直接测量，具有测量结果精度高、简便、有效等优点，可以满足轨道交通牵引系统、海上风电变流器等高可靠性设备对直流电容器故障预警以及精确寿命预测的要求。

Description

一种基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法

技术领域

本发明涉及一种电容容量检测方法，尤其是涉及一种基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法。

背景技术

作为变流器系统的重要组成部分，电容器的可靠性直接影响系统长期安全稳定运行。对于传统的电解电容，容易受到温度、谐波等因素影响导致电解液蒸发、泄漏甚至爆裂；新一代薄膜电容虽然具有自愈能力，但过度自愈依然会导致电容失效。一般认为电解电容失效判据为容值下降20％或ESR(等效串联电阻)增加一倍；而对于薄膜电容，由于其ESR过小难以测量，一般认为其容值下降5％为寿命标志。

现有技术中存在许多对电容容量进行检测的方法。

文件[1]提出了一种基于纹波电压测量的电容容量检测方法，该方法利用变流器中已有的传感器测量直流母线电压、输入电流和输出电流，根据输入输出电流估算出流经电容器的电流，再结合直流母线电压纹波的变化估计电容器的容量和ESR。该方法无需添加任何硬件，即可对电容器进行在线检测。但是，由于直流母线电压纹波变化量较小(约几百～几千mV)，很难利用现有传感器进行精确测量，因此该方法误差较大，难以满足工程需要。

文件[2]～[4]提出的电容检测方法相似，均需要向变流器注入一个给定的低频电流分量，从而产生幅值较大的纹波电压。该方法扩大了电压纹波幅值，有效减小了测量误差，达到了提高精度的目的。但是，该方法增加了控制的复杂性，且仅适用于特定工况(例如空载、电机再生制动模式等)。另外，低频电流注入还可能会影响变流器、电机的正常工作运行。

文件[5]提出了一种基于恒流控制的电容容量检测方法。当系统停止运行后，通过控制IGBT开关状态，使电容器向电机的定子绕组进行恒流放电，通过电容电压和输出电流对电容器的容量进行估计。该方法无需外部硬件，但需要对电流进行闭环精确控制，对控制环路要求较高。此外，该方法仍需利用测量得到的电机相电流对电容电流进行估算，可能引入误差。

文件[6]提出了一种确定电容器老化状态的装置，该装置根据变流器电容容量随时间的变化情况，判断电容器的老化程度。该装置中电容容量的检测原理为分别测量电容端电压以及电容电流，利用电流对时间的积分求出电容电荷变化量，再根据电容端电压变化求出电容值。然而，该发明仅适用于高压柔性直流输电系统，缺乏普遍适用性。

文件[7]提出了一种风力发电机变桨系统的超级电容检测方法和检测系统。该发明利用超级电容器的能量对风机桨叶进行变桨，并采集电容器电压变化，通过电容的电压变化判断电容是否符合系统要求。该发明未考虑风速以及控制性能变化对检测结果的影响，且仅适用于风力发电变桨驱动系统，缺乏普遍适用性。

文件[8]提出了一种变流器直流母线支撑电容检测方法。该方法在变流器预充电过程中检测输入相电流以及电容电压，并根据输入相电流估算直流电容的充电电流，之后利用电流对时间的积分求出电容电荷变化量，再根据电容端电压变化求出电容值。该方法在电容充电时进行检测，但受开关器件死区及开关时间影响，电容电流难以精确估算，从而影响电容检测结果。

文件[9]提出了一种风电变流器电容寿命测试装置及其测试方法。该发明利用专门设计的硬件电路对电容放电阶段的电压、电流信号进行检测，以计算电容容量。但额外增加的硬件装置将增加系统的成本和复杂性，降低原系统的安全性和可靠性。

注：

[1]K.Abdennadher,P.Venet,G.Rojat,J.M.Retif,andC.Rosset,“Arealtimepredictive-maintenancesystemofaluminumelectrolyticcapacitorsusedinuninterruptedpowersupplies,”IEEETrans.Ind.Appl.,vol.46,no.4,Jul./Aug.2010,pp.1644–1652

[2]X.Pu,T.Nguyen,D.Lee,K.Lee,J.Kim,"FaultDiagnosisofDC-LinkCapacitorsinThree-PhaseAC/DCPWMConvertersbyOnlineEstimationofEquivalentSeriesResistance“,IEEETrans.onIndustrialElectronics,vol.60,no.9,Sept.2013,pp.4118-4127

[3]D.Lee,K.Lee,J.Seokandetal,OnlinecapacitanceestimationofDC-linkelectrolyticcapacitorsforthree-phaseAC/DC/ACPWMconvertersusingrecursiveleastsquaresmethod,IEEProc.Electr.PowerAppl.,vol.152,no.6,Nov.2005,pp.1503-1508

[4]A.Wechsler,B.C.Mecrow,D.J.Atkinson,J.W.Bennett,M.Benarous,“DeteriorationMonitoringofDC-LinkCapacitorsinACMachineDrivesbyCurrentInjection,”IEEETrans.Power.Elec.,vol.30,no.3,,Mar.2015,pp.1126–1130

[5]M.Kim,S.Sul,J.Lee,"ConditionmonitoringofDC-linkcapacitorsindrivesystemforelectricvehicles",IEEEVehiclePowerandPropulsionConference(VPPC),2012,pp:633–637

[6]中国专利CN200680056573.X

[7]中国专利CN201110394003.4

[8]中国专利申请CN201310613427.4

[9]中国专利申请CN201310742703.7

发明内容

针对以上方案的不足，本发明提出一种基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，可在不修改系统硬件的条件下，利用现有传感器实现直流电容容量的精确检测。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，包括以下步骤：

1)控制电容器的电压为给定电压U₀；

2)电机绕组电感与电容器形成谐振回路，电容器开始谐振放电，同时对电机的相电流进行采样；

3)对采样获得的电流数据进行最小二乘法拟合，获得电容容量。

进一步地，该检测方法的检测时间为变流器启动前或停止运行后。

进一步地，所述步骤1)具体为：

101)接收到电容检测信号后将电容器与输入电源连接，为电容器充电；

102)充电完成后将电容器与输入电源隔离；

103)控制电容器进行预放电，将电容电压降至给定电压U₀。

进一步地，所述预放电包括控制放电阶段和自然放电阶段，

所述控制放电阶段为：将电容器通过开关器件与电机绕组连接，向开关器件发送PWM脉冲，构成放电回路，电容电压下降；

所述自然放电阶段为：当电容电压下降至给定电压U₀的105％-110％时，停止发送PWM脉冲，令电容自然放电至给定电压U₀。

进一步地，所述给定电压U₀的计算公式为：

$U_0=0.8*I_e*\sqrt{\frac{2L_r}{C_0}}$

其中，I_e为变流器额定电流，L_r为电机谐振电感，C₀为电容器出厂容量。

进一步地，所述步骤2)中，采样频率为10kHz-200kHz。

进一步地，所述步骤3)具体为：

301)采用以下拟合方程对采样获得的电流数据进行最小二乘法拟合：

$i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_1\&times;e^{{\mathrm{\&beta;}}_{2}t}\&times;sin\left({\mathrm{\&beta;}}_{3}t\right)& t<t_0\\ \&lsqb;{\mathrm{\&beta;}}_1\&times;e^{{\mathrm{\&beta;}}_2{t}_0}\&times;\sin \left({\mathrm{\&beta;}}_3{t}_0\right)\&rsqb;\&times;e^{2{\mathrm{\&beta;}}_2(t-t_0)}& t\&GreaterEqual;t_0\end{array}\right.$

其中，t₀为电容电压过零点，β₁、β₂、β₃为方程系数，通过拟合获得；

302)根据拟合获得的β₁、β₂、β₃计算电容容量：

$C=\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}_2^2+{\mathrm{\&beta;}}_3^2}\&times;\frac{{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&beta;}}_3}{U_0}.$

进一步地，该检测方法还包括：

采样多组电流数据，重复步骤3)，获得多个电容容量计算结果，并对计算结果进行平均处理，获得最终的电容容量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明方法利用系统现有的电流传感器对幅值较大且变化较慢的电容放电电流进行直接测量，大大提高了测量结果的精度。此外，实际检测过程中仅需对电容电流进行采样(无需对电容电压进行采样)，降低了控制器数据采样的技术要求。

2、本发明方法属于离线检测技术，利用系统启动前或停机间隙进行检测，不影响电机及变流器的正常运行安全。

3、本发明不需要对放电电流进行闭环精确控制，降低对控制系统的要求，提高精度。

4、本发明方法适用性更加广泛，能够在城市轨道交通、高铁、风力发电等能够构成谐振回路的系统使用。

5、本发明方法无需修改系统硬件电路，充分利用系统现有硬件条件进行检测，既简便、经济又不影响系统安全可靠运行。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为变流器系统直流电容检测的结构示意图，其中，(2a)为交直交系统，(2b)为直流逆变系统；

图3为实施例1中电流测量波形与拟合波形示意图；

图4为实施例1中电容检测结果示意图；

图5为实施例2采用的地铁牵引变流单元系统原理图；

图6为实施例2中地铁索引变流单元谐振电流仿真波形示意图；

图7为实施例3采用的双馈风力发电系统原理图；

图8为实施例3双馈风电变流器直流电容谐振电流仿真波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图2所示，以3kW变频调速系统，包括交直交系统和直流逆变系统，作为实验系统，以480μF、484μF电解电容检测对象，采用本发明方法进行检测，具体过程如图1所示：

1)在变流器启动前，闭合接触器K1为电容器充电，持续时间2s。

2)断开接触器K1，使电容器与输入电源隔离。

3)向开关器件S1、S2发送PWM脉冲，脉冲频率为1kHz，占空比为60％。此时电容电压快速下降，该过程持续约0.5s后电容电压降至约105V，同时停止发送PWM脉冲，靠电容自身自然放电至给定电压U₀＝100V。

4)开通开关器件S1、S2，开始谐振放电，同时控制器开始采集电机a相电流I_a，采样频率为100kHz，采集时间为0.1s。

5)采用最小二乘法对数据进行拟合，计算出电容容值。图3给出了实际测量的电流波形以及拟合后的结果，从中可以看出尽管系统测量噪声较大，但并不影响拟合算法准确求出电流波形并计算电容容值。

6)重复实验并对结果求平均值。图3给出了对480μF和484μF电容进行10次检测结果，从中可以看出测量误差小于1％。

实施例2

本实施例的仿真系统为600kVA地铁牵引变流单元，检测对象为4300μF直流电容。

地铁牵引变流器原理如图5所示，具体操作过程与实施例1基本相同，仿真得到的电容电流波形如图6。相比于上例中3kW变频调速系统的电容谐振电流，地铁牵引系统谐振电流持续时间更长，这有利于提高直流电容容量检测的精度。

实施例3

本实施例的仿真系统为1.5MW双馈风力发电系统，检测对象为10mF直流电容。

双馈风力发电系统原理如图7所示，利用双馈风机停机间隙对直流电容进行检测，检测过程中始终保持K1断开，通过操作开关K2实现电容充电和电源隔离，具体检测过程按图1所示步骤。仿真得到的电容电流波形如图8所示，其中电流上升时间更长且由于回路电阻较小电流下降时间明显增加，这些都有利于提高直流电容容量检测的精度。

Claims (8)

1.一种基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制电容器的电压为给定电压U₀；

2)电机绕组电感与电容器形成谐振回路，电容器开始谐振放电，同时对电机的相电流进行采样；

3)对采样获得的电流数据进行最小二乘法拟合，获得电容容量。

2.根据权利要求1所述的基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，其特征在于，该检测方法的检测时间为变流器启动前或停止运行后。

3.根据权利要求1所述的基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

101)接收到电容检测信号后将电容器与输入电源连接，为电容器充电；

102)充电完成后将电容器与输入电源隔离；

103)控制电容器进行预放电，将电容电压降至给定电压U₀。

4.根据权利要求3所述的基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，其特征在于，所述预放电包括控制放电阶段和自然放电阶段，

所述控制放电阶段为：将电容器通过开关器件与电机绕组连接，向开关器件发送PWM脉冲，构成放电回路，电容电压下降；

所述自然放电阶段为：当电容电压下降至给定电压U₀的105％-110％时，停止发送PWM脉冲，令电容自然放电至给定电压U₀。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，其特征在于，所述给定电压U₀的计算公式为：

$U_0=0.8*I_e*\sqrt{\frac{2L_r}{C_0}}$

其中，I_e为变流器额定电流，L_r为电机谐振电感，C₀为电容器出厂容量。

6.根据权利要求1所述的基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，其特征在于，所述步骤2)中，采样频率为10kHz-200kHz。

7.根据权利要求1所述的基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

301)采用以下拟合方程对采样获得的电流数据进行最小二乘法拟合：

$i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_1\&times;e^{{\mathrm{\&beta;}}_{2}t}\&times;sin\left({\mathrm{\&beta;}}_{3}t\right)& t<t_0\\ \&lsqb;{\mathrm{\&beta;}}_1\&times;e^{{\mathrm{\&beta;}}_2{t}_0}\&times;\sin \left({\mathrm{\&beta;}}_3{t}_0\right)\&rsqb;\&times;e^{2{\mathrm{\&beta;}}_2(t-t_0)}& t\&GreaterEqual;t_0\end{array}\right.$

其中，t₀为电容电压过零点，β₁、β₂、β₃为方程系数，通过拟合获得；

302)根据拟合获得的β₁、β₂、β₃计算电容容量：

$C=\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}_2^2+{\mathrm{\&beta;}}_3^2}\&times;\frac{{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&beta;}}_3}{U_0}.$

8.根据权利要求1所述的基于谐振原理的变流器直流电容容量检测方法，其特征在于，还包括：

采样多组电流数据，重复步骤3)，获得多个电容容量计算结果，并对计算结果进行平均处理，获得最终的电容容量。