CN105717368A

CN105717368A - 三相系统直流母线电容的在线监测方法

Info

Publication number: CN105717368A
Application number: CN201610058177.6A
Authority: CN
Inventors: 周雒维; 吴宇; 孙鹏菊; 吴杭举; 杨友耕; 杜雄; 谢广成; 刘黎辉
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: CN105717368B

Abstract

本发明提供的三相系统直流母线电容的在线监测方法，包括采集直流母线电容电压，获取直流母线电容电压下降曲线；采集输出三相电流，并根据三相输出电流重构电容电流；根据所述直流母线电容电压下降曲线和电容电流获取直流母线电容的电容值和等效串联电阻；本发明通过监测三相变频器等功率设备停机过程中的直流母线电压下降曲线和三相输出电流，以及半导体开关控制信号，准确的计算出直流母线电容的C和ESR，实现三相AC/DC/AC系统直流母线电容的无侵入式在线监测，本发明不但适用于铝电解电容，同样适用于薄膜电容等其他电容的在线监测，还可以应用在其他三相AC/DC/AC系统中，如风电变流器、光伏的三相AC/DC/AC系统、三相航空电源系统等。

Description

三相系统直流母线电容的在线监测方法

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种三相系统直流母线电容的在线监测方法。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，电力电子技术在现代工业中发挥着越来越重要的作用，特别是在风力发电、太阳能发电、电动汽车、电子照明等现代工业中，电力电子技术得到了进一步的应用和发展。伴随电力电子技术应用范围的不断拓宽，电力电子器件的使用量也逐年增加，然而电力电子器件会因为长期工作老化而失效，导致系统性故障，造成巨大的经济损失，这逐渐引起了工业界对电力电子器件可靠性的重视。在电力电子器件中，失效率最高的是电解电容、IGBT、二极管、MOS管等器件，其中以电解电容的失效率最高，是各种晶体管失效率的两倍。

电容在现代工业中的应用非常广泛，如电力电容、DC-link电容(直流母线电容)、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功率平衡，连接两级变流器，平滑电压波动的作用。因此，在电力电子器件中，电容是关键的器件之一，在各种变流器中的作用不可替代。但是电容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。近年来，针对电容的可靠性研究，学者们在电容的在线监测技术、退化机理、可靠性评估方面投入了巨大的精力。因此，电容的在线监测技术成为了提供电容预维护的关键技术，通过电容的在线监测可以在电容失效之前为用户提供预维护信息，让用户能提前采取措施，防止系统性故障，将经济损失降低到最小。近几年来，各种电容在线监测技术不断出现，但是通常都会有电容的电流传感器，这会破坏主功率电路，或者占用设备体积，这对于现代工业设备的设计是一个很大的缺陷，并不适合应用于很多工业应用中。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种三相系统直流母线电容的在线监测方法，以解决上述问题。

本发明提供的三相系统直流母线电容的在线监测方法，包括

b.采集直流母线电容电压，获取直流母线电容电压下降曲线；

c.采集输出三相电流，并根据三相输出电流重构电容电流；

d.根据所述直流母线电容电压下降曲线和电容电流获取直流母线电容的电容值和等效串联电阻。

进一步，在步骤b之前还包括

a.控制三相系统停止工作，并保持逆变桥处于工作状态，当直流母线电容向负载放电时，获取逆变桥开关的工作状态。

进一步，步骤c具体包括：通过如下公式重构电容电流

i_c＝i_dc＝S_a·i_as+S_b·i_bs+S_c·i_cs

其中，i_c代表电容电流，i_dc代表直流母线电流，由于整流桥没有工作，直流母线电流i_dc与电容电流i_c相等；i_as、i_bs、i_cs分别代表逆变桥侧的三相的相电流；S_aS_bS_c分别代表逆变桥侧的A相、B相、C相的开关状态。

进一步，直流母线电容的电容值根据如下公式获取：

C = \frac{{&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} i_{d c} (t) d t}{v_{d c} (t_{2}) - v_{d c} (t_{1})}

其中，v_dc表示直流母线电压，v_dc(t₁)和v_dc(t₂)分别为t₁和t₂时刻的电容电压采样，C表示直流母线电容的电容值，idc表示直流母线电流。

进一步，直流母线电容的等效串联电阻通过如下公式获取

E S R = \frac{v_{d c} (t_{3}) - [v_{d c} (t_{2}) + 1 / C {&Integral;}_{t_{2}}^{t_{3}} i_{d c} (t) d t]}{i_{d c} (t_{3})}

其中，t₃为逆变器开关处于非零矢量的时刻，t₂为t₃前任意一个零矢量时刻。

进一步，逆变桥开关S_a为1时，逆变桥的A相上桥臂导通，下桥臂关断；S_a为0时，逆变桥的A相上桥臂关断，下桥臂导通；

逆变桥开关S_b为1时，逆变桥的B相上桥臂导通，下桥臂关断；S_b为0时，逆变桥的B相上桥臂关断，下桥臂导通；

逆变桥开关S_c为1时，逆变桥的C相上桥臂导通，下桥臂关断；S_c为0时，逆变桥的C相上桥臂关断，下桥臂导通。

进一步，所述三相系统为三相AC/DC/AC系统，所述直流母线电容包括铝电解电容和薄膜电容。

本发明的有益效果：本发明通过监测三相变频器等功率设备停机过程中的直流母线电压下降曲线和三相输出电流，以及半导体开关控制信号，准确的计算出直流母线电容的C和ESR，实现三相AC/DC/AC系统直流母线电容的非侵入式在线监测，本发明不但适用于铝电解电容，同样适用于薄膜电容等其他电容的在线监测，还可以应用在其他三相AC/DC/AC系统中，如风电变流器、光伏的三相AC/DC/AC系统、三相航空电源系统等。

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是本发明的电容电流重构过程示意图。

图3是本发明的案例仿真系统示意图。

图4是本发明的直流母线电压下降曲线示意图。

图5是本发明的直流母线电压电流仿真波形示意图。

图6是本发明的三相开关状态以及三相电流仿真波形示意图。

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是本发明的电容电流重构过程示意图，图3是本发明的案例仿真系统示意图，图4是本发明的直流母线电压下降曲线示意图，图5是本发明的直流母线电压电流仿真波形示意图，图6是本发明的三相开关状态以及三相电流仿真波形示意图。

如图1所示，本实施例中的三相系统直流母线电容的在线监测方法，包括

c.采集输出三相电流，并根据三相输出电流重构电容电流；

在本实施例中，三相变频器停机时，关断三相整流器，保持逆变桥的工作状态，直流母线电容开始向负载放电，获取逆变桥开关工作状态、直流母线电容电压下降曲线以及三相输出电流，经过电容电流重构后，计算电容值C和ESR。本实施例通过监测三相变频器等功率设备停机过程中的直流母线电压下降曲线和三相输出电流，以及半导体开关控制信号，即可准确的计算出直流母线电容的C和ESR，在监测过程中，无须电容电流传感器等额外设备，只需三相功率设备自带的传感器和控制器即可在设备停机过程中实现直流母线电容的在线监测，实现了三相系统直流母线电容的无侵入式在线监测。

在本实施例中，获取逆变桥开关工作状态S_a，S_b，S_c，该状态与半导体开关控制信号一致，可直接在功率设备自带控制器中得到。逆变器各相桥臂上下开关管互补导通，S_a为1时，逆变桥的A相上桥臂导通，下桥臂关断；S_a为0时，逆变桥的A相上桥臂关断，下桥臂导通。S_b为1时，逆变桥的B相上桥臂导通，下桥臂关断；S_b为0时，逆变桥的B相上桥臂关断，下桥臂导通。S_c为1时，逆变桥的C相上桥臂导通，下桥臂关断；S_c为0时，逆变桥的C相上桥臂关断，下桥臂导通。

如图2所示，在本实施例中，i_as，i_bs，i_cs为输出三相电流采样值，功率设备停机过程中整流器与电网断开连接，整流器开关管截止，此时电容电流与直流母线电流值相等，根据开关管状态和三相输出电流采样值通过如下公式重构电容电流

i_c＝i_dc＝S_a·i_as+S_b·i_bs+S_c·i_cs(1)

在电容器等效电路模型中，直流母线电容电压为电容C的电压和等效串联电阻ESR上压降之和

v_dc＝v_c+i_dc*ESR(2)

其中，v_dc表示直流母线电压，v_c表示电容电压。

由于输出三相电流对称，i_as+i_bs+i_cs＝0

由电容电流重构过程可知，当三相桥臂上桥臂全部导通或者全部关断时，即S_i全为0或1，逆变器开关矢量是0矢量，i_dc＝0，此时由式(2)得出

v_dc＝v_c，

根据电容微分特性：

v_{c} (t_{2}) - v_{c} (t_{1}) = \frac{1}{c} {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} i_{d c} (t) d t

其中，t₁，t₂为开关矢量属于零矢量位置的某两个时刻，v_c(t₁)，v_c(t₂)分别为t₁，t₂时刻的电容电压采样，因为v_dc＝v_c，所以可得到C的计算式如下

C = \frac{{&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} i_{d c} (t) d t}{v_{d c} (t_{2}) - v_{d c} (t_{1})} - - - (3)

式中i_dc由三相电流重构得到，由于开关周期内三相电流近似恒定，上式中积分项可改写为求和，在自带控制器中实时计算。

在本实施例中，开关矢量处于非零矢量位置时，i_dc≠0，当三相变流器处于时刻t₃时，有如下关系：

v_dc(t₃)＝v_c(t₃)+i_dc(t₃)*ESR(4)

由于经过时刻t₁，t₂，本方案已经计算出电容C的值，进而可以计算t₃时刻的电容电压v_c(t₃)，如下式(t₂，t₃为已知)：

v_{c} (t_{3}) = v_{c} (t_{2}) + \frac{1}{c} {&Integral;}_{t_{2}}^{t_{3}} i_{d c} (t) d t - - - (5)

由式(4)得：由此可得到ESR的在线计算方法

E S R = \frac{v_{d c} (t_{3}) - [v_{d c} (t_{2}) + 1 / C {&Integral;}_{t_{2}}^{t_{3}} i_{d c} (t) d t]}{i_{d c} (t_{3})} - - - (6)

在本实施例中，所述三相系统为三相AC/DC/AC系统，所述直流母线电容包括铝电解电容和薄膜电容，三相AC/DC/AC系统包括三相变频器、风电变流器、光伏的三相AC/DC/AC系统或三相航空电源系统等。

下面列举一个具体实施例对本发明加以详细说明：

在输入线电压380V，直流母线电压1100V，三相输出线电压690V，功率50kW的三相AC/DC/AC系统中进行仿真，其系统结构如图3所示，直流母线电容容值C为0.01uF,等效串联电阻ESR为0.08Ω。系统采用电压外环、电流内环双闭环控制，为简单而不失通用性起见，负载采用纯电阻。

图4为停机过程中直流母线电压下降曲线，在0.2s时，启动停机过程，直流母线电压开始下降。图5为0.3s附近，母线电压电流仿真波形图。从图5可看出，开关矢量处于0矢量时，母线电流为0，此时母线电压与电容器RC串联模型中电容电压相等。图6是三相开关状态以及三相电流仿真波形。

根据公式(1)可以重构出直流母线电流值，如下表所示：

表1母线电流重构

表2为各采样电电压值和重构母线电流值，根据公式(3)(6)可计算出母线电容容值C和等效串联电阻ESR。表3为估算结果，估算相对误差在3％以内，可见本方法能很好地达到直流母线电容在线监测的效果。

表2母线电压采样值和电流重构值

	系统的实际值	计算值	相对误差
				电容C	0.01	0.01027	2.7％
ESR	0.08	0.0818	2.25％

表3电容参数估算结果

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

1.一种三相系统直流母线电容的在线监测方法，其特征在于：包括

c.采集输出三相电流，并根据三相输出电流重构电容电流；

2.根据权利要求1所述的三相系统直流母线电容的在线监测方法，其特征在于：在步骤b之前还包括

a.控制三相系统停止工作，并保持逆变桥的控制器处于工作状态，当直流母线电容向负载放电时，获取逆变桥开关的工作状态。

3.根据权利要求2所述的三相系统直流母线电容的在线监测方法，其特征在于：步骤c具体包括：通过如下公式重构电容电流

i_c＝i_dc＝S_a·i_as+S_b·i_bs+S_c·i_cs

其中，i_c代表电容电流，i_dc代表直流母线电流，；i_as、i_bs、i_cs分别代表逆变桥侧的三相的相电流；S_aS_bS_c分别代表逆变桥侧的A相、B相、C相的开关状态。

4.根据权利要求1所述的三相系统直流母线电容的在线监测方法，其特征在于：直流母线电容的电容值根据如下公式获取：

C = \frac{{&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} i_{d c} (t) d t}{v_{d c} (t_{2}) - v_{d c} (t_{1})}

其中，v_dc表示直流母线电压，v_c(t₁)和v_c(t₂)分别为t₁和t₂时刻的电容电压采样，C表示直流母线电容的电容值，i_dc表示直流母线电流。

5.根据权利要求4所述的三相系统直流母线电容的在线监测方法，其特征在于：直流母线电容的等效串联电阻通过如下公式获取

E S R = \frac{v_{d c} (t_{3}) - [v_{d c} (t_{2}) + 1 / C {&Integral;}_{t_{2}}^{t_{3}} i_{d c} (t) d t]}{i_{d c} (t_{3})}

6.根据权利要求2所述的三相系统直流母线电容的在线监测方法，其特征在于：

逆变桥开关S_a为1时，逆变桥的A相上桥臂导通，下桥臂关断；S_a为0时，逆变桥的A相上桥臂关断，下桥臂导通；

7.根据权利要求2所述的三相系统直流母线电容的在线监测方法，其特征在于：所述三相系统为三相AC/DC/AC系统，所述直流母线电容包括铝电解电容和薄膜电容。