CN105699786B - 基于可变放电网络的直流母线电容监测方法及系统 - Google Patents

基于可变放电网络的直流母线电容监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的基于可变放电网络的直流母线电容监测方法，包括对直流母线电容电压进行电压采样，获取直流母线电容的电压下降曲线，根据所述电压下降曲线对所述直流母线电容进行在线监测；本发明通过对直流母线电容电压进行电压采样，得到三相变频器直流母线电容的电压下降曲线，进而精准地计算出电容的容值和等效串联电阻，本发明是非侵入式直流母线电容在线监测方案，实现简单，成本低廉，无需电流传感器，无需拆卸电容，特别适合于工业变频器等功率电路中使用，适合监测电解电容的老化状态，同样适用于薄膜电容老化状态的监测，实现在线监测其健康状况。

Description

基于可变放电网络的直流母线电容监测方法及系统
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种基于可变放电网络的直流母线电容监测方法及系统。
背景技术
电力是以电能作为动力的能源，20世纪出现的大规模电力系统是人类工程科学史上最重要的成就之一，是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电力生产与消费系统。它将自然界的一次能源通过机械能装置转化成电力，再经输电、变电和配电将电力供应到各用户，近年来，电力电子技术在国民经济中发挥越来越重要的作用，特别是在风电、太阳能发电、电动汽车、电子照明等现代工业中的广泛应用，使得人们对电力电子系统的可靠性研究也越来越重视。在电力电子系统中，电容是关键的器件之一，其在工业应用中失效率一直很高，是系统中一个极大的弊端，严重影响了电力电子系统的可靠性。电容在现代工业中的应用非常广泛，如电力电容器、DC-link电容、旁路电容、整流滤波电容等。其中DC-link电容在新能源发电、电动汽车等产业中应用得最为广泛，如风电变流器中的直流母线电容、高压变频器中直流母线电容、光伏逆变器中的支撑电容等都是DC-link电容。DC-link电容在变流器中主要起到平衡功率，连接两级变流器，平滑电压波动的作用，现有技术中对电容状态监测的方式较为复杂，成本较高，并且需要电流传感器以及需要在监测时将电容拆卸，且监测的结果不够准确。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于可变放电网络的直流母线电容监测方法以解决上述问题。
本发明提供的基于可变放电网络的直流母线电容监测方法，
包括对直流母线电容电压进行电压采样，获取直流母线电容的电压下降曲线，根据所述电压下降曲线对所述直流母线电容进行在线监测。
进一步，所述电压下降曲线包括放电曲线Ⅰ和放电曲线Ⅱ，直流母线电容在线监测包括两个阶段，第一阶段包括：通过均压电阻的放电曲线Ⅰ获取电容容值；第二阶段包括：通过可变放电网络的放电曲线Ⅱ获取电容的等效串联电阻。
进一步，直流母线电容通过并联的均压电阻进行放电，对每个电容电压进行采样，获取直流母线电容的放电曲线Ⅰ，根据放电曲线Ⅰ获取电容容值。
进一步，当直流母线电容电压下降到预设电压时，导通并联在均压电阻两端的可变放电网络，重新获取直流母线电容的放电曲线，根据新的放电曲线获取直流母线电容的等效串联电阻。
进一步，直流母线电容与等阻值的均压电阻并联连接，在三相系统从正常工作状态到停止工作的过程中，可变放电网络不工作。
进一步，根据如下公式获取电容容值：
其中，τ1表示第一阶段放电曲线Ⅰ的时间常数，Rj表示均压电阻。
进一步，通过控制MOS管使并联在均压电阻两端的可变放电网络导通。
进一步，根据如下公式获取直流母线电容的等效串联电阻：
其中，τ2表示第二阶段放电曲线Ⅱ的时间常数，r表示可变放电网络的电阻阻值，Ron表示MOS管导通电阻。
本发明还提供一种基于可变放电网络的直流母线电容监测系统，其特征在于：包括三相整流器、直流母线电容模块、三相逆变器、用于采集直流母线电压下降曲线的采集单元以及用于计算电容值和电容的等效串联电阻的处理单元，所述直流母线电容模块包括多个串联结构的电容，所述直流母线电容并联有等阻值的均压电阻。
进一步，还包括可变放电网络，用于获取直流母线电容的等效串联电阻，所述可变放电网络包括三项变频器的均压电阻、MOS管以及与MOS管串联的电阻，所述均压电阻的一端与MOS管的一端连接，另一端与与MOS管串联的电阻的一端连接，形成并联结构。
本发明的有益效果：本发明通过对直流母线电容电压进行电压采样，得到三相变频器直流母线电容的电压下降曲线，进而精准地计算出电容的容值，本发明是无侵入式直流母线电容在线监测方案，实现简单，成本低廉，无需电流传感器，无需拆卸电容，特别适合于工业变频器等功率电路中使用，适合监测电解电容的老化状态，同样适用于薄膜电容老化状态的监测，实现在线监测其健康状况。通过本发明中的方法可对直流母线电容采取预维护措施，也可对电容的散热设计、通过合理的功率控制改变电容的核温、电容的选型(如铝电解电容、薄膜电容、新型电容)、电容的数量和变流器中的位置改变等起到一定的指导作用，从而提高变流器的运行的安全稳定性，延长变流器的寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明的原理示意图。
图2是本发明的可变放电网络示意图。
图3是本发明的单个电容放电示意图。
图4是本发明的仿真电路图。
图5是本发明的电容电压下降曲线。
图6是本发明的第一阶段电容放电曲线。
图7是本发明的第二阶段电容放电曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图2是本发明的可变放电网络示意图，图3是本发明的单个电容放电示意图，图4是本发明的仿真电路图，图5是本发明的电容电压下降曲线。图6是本发明的第一阶段电容放电曲线，图7是本发明的第二阶段电容放电曲线。
如图1所示，本实施例中的基于可变放电网络的直流母线电容监测方法，其特征在于：包括对直流母线电容电压进行电压采样，获取直流母线电容的电压下降曲线，根据所述电压下降曲线对所述直流母线电容进行在线监测。
在AC/DC/AC变频器停机过程中，母线电容电荷经可变放电电网释放，对母线电容电压采样，获得电压下降曲线，计算电容容值C和等效串联电阻ESR。图1中所示C1、C2、C3为串联的三个直流母线电容，R1、R2、R3为并联的均压电阻，图2为本发明提出的可变放电网络示意图，可变放电网络由变频器自带的均压电阻和由MOS管，电阻构成的可变网络组成。如图3所示，t＝0时，变频器停机，并与电压断开连接，可变网络MOS管截止，母线电容经均压电阻Rj放电，在母线电压下降到设定值时，MOS管导通，母线电容通过Rj和r1并联放电，形成两个阶段放电曲线，分别用于计算容值C和ESR值。
在本实施例中，电压下降曲线包括放电曲线Ⅰ和放电曲线Ⅱ，直流母线电容在线监测包括两个阶段，第一阶段包括：通过均压电阻的放电曲线Ⅰ获取电容容值；第二阶段包括：通过可变放电网络的放电曲线Ⅱ获取电容的等效串联电阻。直流母线电容通过并联的均压电阻进行放电，对每个电容电压进行采样，获取直流母线电容的放电曲线Ⅰ，根据放电曲线Ⅰ获取电容容值，导通并联在均压电阻两端的可变放电网络，重新获取直流母线电容的放电曲线，根据新的放电曲线获取直流母线电容的等效串联电阻。当系统停机时，直流母线电容模块与三相整流器和三相逆变器断开，可变网络MOS管截止，放电网络如图2所示。当系统由正常工作状态变为停机状态的过程中，直流母线电容C1、C2、C3分别向均压电阻R1、R2、R3放电，形成放电回路。各放电回路独立，如图3所示，图中C为电容容值，ESR为等效串联电阻，Rj为均压电阻。
对一阶电路分析，可以得到相应的微分方程：
Rt1＝Rj+ESR (2)
式中Rt1为第一阶段总放电电阻，uc为C两端的电压。
对式(1)(2)中微分方法求解有：
由于均压电阻Rj>>ESR，在放电过程中可认为R≈Rj。通过对电容的电压下降曲线采样，计算得到放电时间常数τ1＝RjC，即可使用下式计算得到电容容值C，实现直流母线电容容值的在线监测。
在第二阶段中，当监测到电容电压下降到一个较小的值时，并联电路的MOS管导通，电容开始向新的放电电路放电，形成一条新的电容电压下降曲线。
由于均压电阻与MOS管、小电阻r并联，所以第二阶段电容的放电电阻阻值为：
其中，r是与MOS管串联的小阻值电阻，为已知量；Ron是MOS管的导通电阻，为已知量；Rj是电容的均压电阻，为已知量。根据上述步骤中求出的电容值C，以及第二放电阶段的时间常数τ2＝Rt2C，可以求出电解电容的ESR:
在本实施例中，直流母线电容与等阻值的均压电阻并联连接，在三相系统从正常工作状态到停止工作的过程中，可变放电网络不工作。在三相变频器从正常工作状态到停止工作的过程中，直流母线电容通过并联的均压电阻进行放电。在此阶段放电过程中，并联在均压电阻两端的可变电网络中的MOS管断开，可变电网络不工作。
下面通过一个具体实施例进一步对本发明进行说明。系统如图4所示，均压电阻Rj＝10000Ω，MOS管导通电阻Ron为0.03欧，MOS管串联小电阻r为10欧。图5为某一个电容整个放电过程的电压下降曲线，放大后分别得到图6，图7所示的，第一阶段和第二阶段放电曲线。
第一阶段的部分数据记录在下表中：
表1第一阶段放电的部分数据
将表1中时间常数取平均得到第一阶段放电时间常数τ1，带入式(4)可以计算电容的时间常数：
计算所得与系统真实值0.01F相比，误差率为0.127％。
电容第二阶段放电的部分数据记录如下：
表2第二阶段放电的部分数据
同样计算τdi平均值得到第二阶段放电时间常数τ2，将τ2与前面得到的C一同带入式(6)即可得到ESR参数。
计算结果与系统的真实值0.15Ω误差为3.3％。现将计算结果，系统真实值，以及相对误差记录如下：
系统的实际值 计算值 相对误差
电容C 0.01F 0.0100127F 0.127％
ESR 0.15 0.145 3.3％
表3计算结果
相应地，在本实施例中，还提供了一种基于可变放电网络的直流母线电容监测系统，包括三相整流器、直流母线电容模块、三相逆变器、用于采集直流母线电压下降曲线的采集单元以及用于计算电容值和电容的等效串联电阻的处理单元，所述直流母线电容模块包括多个串联结构的电容，所述直流母线电容并联有等阻值的均压电阻。
在本实施例中，还包括可变放电网络，用于获取直流母线电容的等效串联电阻，所述可变放电网络包括三项变频器的均压电阻、MOS管以及与MOS管串联的电阻，所述均压电阻的一端与MOS管的一端连接，另一端与与MOS管串联的电阻的一端连接，形成并联结构。
通过在三相变频器停机过程中，对直流母线电容电压进行电压采样，得到直流母线电容的电压下降曲线，即可精准地计算出电容的容值C和ESR，实现对直流母线电容的在线状态监测。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于可变放电网络的直流母线电容监测方法，其特征在于：包括对直流母线电容电压进行电压采样，获取直流母线电容的电压下降曲线，根据所述电压下降曲线对所述直流母线电容进行在线监测；
所述电压下降曲线包括放电曲线Ⅰ和放电曲线Ⅱ，直流母线电容在线监测包括两个阶段，第一阶段包括：通过均压电阻的放电曲线Ⅰ获取电容容值；第二阶段包括：通过可变放电网络的放电曲线Ⅱ获取电容的等效串联电阻；
直流母线电容通过并联的均压电阻进行放电，对每个电容电压进行采样，获取直流母线电容的放电曲线Ⅰ，根据放电曲线Ⅰ获取电容容值；
根据如下公式获取电容容值：
其中，τ1表示第一阶段放电曲线Ⅰ的时间常数，Rj表示均压电阻。
2.根据权利要求1所述的基于可变放电网络的直流母线电容监测方法，其特征在于：导通并联在均压电阻两端的可变放电网络，重新获取直流母线电容的放电曲线，根据新的放电曲线获取直流母线电容的等效串联电阻。
3.根据权利要求2所述的基于可变放电网络的直流母线电容监测方法，其特征在于：直流母线电容与等阻值的均压电阻并联连接，在三相系统从正常工作状态到停止工作的过程中，可变放电网络不工作。
4.根据权利要求2所述的基于可变放电网络的直流母线电容监测方法，其特征在于：通过控制MOS管使并联在均压电阻两端的可变放电网络导通。
5.根据权利要求4所述的基于可变放电网络的直流母线电容监测方法，其特征在于：根据如下公式获取直流母线电容的等效串联电阻：
其中，τ2表示第二阶段放电曲线Ⅱ的时间常数，r表示可变放电网络的电阻阻值，Ron表示MOS管导通电阻。
6.一种利用权利要求1的基于可变放电网络的直流母线电容监测系统，其特征在于：包括三相整流器、直流母线电容模块、三相逆变器、用于采集直流母线电压下降曲线的采集单元以及用于计算电容值和电容的等效串联电阻的处理单元，所述直流母线电容模块包括多个串联结构的电容，所述直流母线电容并联有等阻值的均压电阻。
7.根据权利要求6所述的基于可变放电网络的直流母线电容监测系统，其特征在于：还包括可变放电网络，用于获取直流母线电容的等效串联电阻，所述可变放电网络包括三项变频器的均压电阻、MOS管以及与MOS管串联的电阻，所述均压电阻的一端与MOS管的一端连接，另一端与与MOS管串联的电阻的一端连接，形成并联结构。
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