CN105891644B - 变流器电解电容的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种变流器电解电容的监测方法，包括如下步骤：在测试变流器的电解电容的两端并联可变电容且串联可变电阻；向测试变流器的闭环回路输入处注入检测激励信号，获取变流器的闭环回路的输出端的输出信号；提取输出信号中的谐波含量并记录，改变测试变流器的电解电容参数，重复步骤b和步骤c,并建立记录的谐波含量与电容参数之间的数学模型，其中，电容参数包括容值和等效串联电阻；对目标变流器的变换回路输入处注入与步骤b中相同的检测激励信号,提取出目标变流器的输出信号中的敏感频段的谐波含量，并将谐波含量代入到步骤d中的数学模型中计算目标变流器电解电容的等效串联电阻以及电容值，能够准确获取变流器电解电容的性能状况。

Description

变流器电解电容的监测方法
技术领域
本发明涉及一种电力领域，尤其涉及一种变流器电解电容的监测方法。
背景技术
变流器广泛应用于航空航天、舰船驱动、冶金机械传动、机车牵引、电动汽车驱动等重要领域，然而，变流器一旦发生故障将会引起极为严重的后果，变流器的故障主要是由内部器件引起，尤其是变流器的电解电容(一般为铝电解电容)的性能状态更是对变流器的可靠性和稳定性具有极为重要的影响。
电解电容的性能状态主要为容值以及等效串联电阻所反映，随着电解电容的老化，其等效串联电阻会不断增大，容值会不断下降，这是由于电解电容的使用后期，电解液耗损较多并变稠，引起其电阻率的上升，导致电容器的损耗明显增大；同时，由于此时电解液无法充分接触已凹凸不平的阳极金属氧化膜，电容器的极板有效面积减小，会引起电容量的急剧下降，这样，电解电容也便失去了它的功能；因此，及时监测电解电容的容值以及等效串联电阻变化是保证变流器的可靠性和稳定性的关键，现有技术中，对于电解电容的测量需要对变流器的结构进行改造，并且需要在变流器的电解电容出设置高精度的电压传感器、电流传感器等外部设备，根据电解电容的电压以及电流状况来计算电解电容的容值以及等效串联电阻的阻值，然而这种方式一方面操作过程复杂，检测精度低，成本高昂，更为重要的是改变了变流器的结构，增加元件后不利于变流器的稳定性和可靠性。
因此，需要提出一种新的监测方法，能够对变流器的电解电容的容值以及等效串联电阻的阻值准确测量，从而能够准确获取变流器的电解电容的性能变化状况，而且无需增加额外的元器件，能够大大节约成本，简化操作，而且能够有效避免传统测量技术中引入外界干扰而对变流器的稳定性和可靠性造成影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种变流器电解电容的监测方法，能够对变流器的电解电容的容值以及等效串联电阻的阻值准确测量，从而能够准确获取变流器的电解电容的性能变化状况，而且无需增加额外的元器件，能够大大节约成本，简化操作，而且能够有效避免传统测量技术中引入外界干扰而对变流器的稳定性和可靠性造成影响。
本发明提供的一种变流器电解电容的监测方法，包括如下步骤：
a.在测试变流器的电解电容的两端并联可变电容且串联可变电阻；
b.向测试变流器的闭环回路输入处注入检测激励信号，获取变流器的闭环回路的输出端的输出信号；
c.提取输出信号中的谐波含量并记录，其中，输出信号中的谐波含量在输出信号的敏感频段内提取；
d.多次改变测试变流器的电解电容参数，重复步骤b和步骤c,并建立记录的谐波含量与电容参数之间的数学模型，其中，电容参数包括容值和等效串联电阻；
e.对目标变流器的变换回路输入处注入与步骤b中相同的检测激励信号,提取出目标变流器的输出信号中的敏感频段的谐波含量，并将谐波含量代入到步骤d中的数学模型中计算目标变流器的电解电容的等效串联电阻以及电容值；
其中，测试变流器与目标变流器相同。
进一步，步骤c中，根据如下步骤确定输出信号的敏感频段：
c1.建立变流器的电压外环环路增益的小信号模型：
其中，
Ts为开关周期，Dd为dq坐标系下直轴分量的占空比，Kvp为电压外环PI调节器的比例系数，Kvi为电压外环PI调节器的积分系数，Rc为电解电容的等效串联电阻，Ro为负载电阻，s为拉普拉斯算子，m为检测激励信号的调制比,θ表示检测激励信号的初始相位角；
c2.由环路增益公式建立变流器的电压外环闭环传递函数：
c3.由步骤c1和c2作波特图，根据波特图确定输出信号中电解电容的容值的敏感频段以及电解电容的等效串联电阻的敏感频段；其中：
电解电容的容值的敏感频段如下确定：
作变流器的电解电容的容值为C时的波特图以及电解电容的容值为80％C时波特图，将两个波特图对比，增益变化最大的频段为容值的敏感频段；
电解电容的等效串联电阻的敏感频段如下确定：
作电解电容的等效串联电阻初始值时的波特图以及将电解电容的等效串联电阻为初始值2倍时的波特图，将两个波特图对比，增益变化最大的频段为电解电容的等效串联电阻的敏感频段。
进一步，步骤d中：
建立电解电容的容值与容值的敏感频段内的谐波含量的回归模型以及电解电容的等效串联电阻与等效串联电阻的敏感频段内的谐波含量的回归模型：
yC＝f(x1，x2…xn)；yESR＝f(x1，x2…xn)，其中，x1…xn为谐波含量，yESR为电解电容的等效串联电阻，yc为电解电容的容值，回归模型的系数由最小二乘法算得。
进一步，所述检测激励信号为低频方波信号。
本发明的有益效果：本发明的变流器电解电容的监测方法，能够对变流器的电解电容的容值以及等效串联电阻的阻值准确测量，从而能够准确获取变流器的电解电容的性能变化状况，而且无需增加额外的元器件，能够大大节约成本，简化操作，而且能够有效避免传统测量技术中引入外界干扰而对变流器的稳定性和可靠性造成影响。
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为本发明的流程图。
图2为本发明的电解电容的容值的敏感频段的波特图。
图3为本发明的电解电容的等效串联电阻的敏感频段的波特图。
图4为本发明的检测激励信号的波形图。
具体实施方式
图1为本发明的流程图，图2为本发明的电解电容的容值的敏感频段的波特图，图3为本发明的电解电容的等效串联电阻的敏感频段的波特图，图4为本发明的检测激励信号的波形图，如图所示，本发明提供的一种变流器电解电容的监测方法，包括如下步骤：
a.在测试变流器的电解电容的两端并联可变电容且串联可变电阻；通过这种方式，电解电容的最终容值为电解电容的初始容值和可变电容的容值之和，电解电容的等效串联电阻的最终阻值为电解电容的等效串联电阻的初始阻值和可变电阻的阻值之和，通过改变可变电阻和可变电容，模拟电解电容的老化过程，可变电容和可变电阻一般各选取一个即可；
b.向测试变流器的闭环回路输入处注入检测激励信号，获取变流器的闭环回路的输出端的输出信号；
其中，检测激励信号为低频方波信号，在变流器闭环输入处注入低频方波激励信号，该方波信号的频率和幅值由敏感频段的频率和带宽决定，选取的方波信号应尽量不影响系统功能为前提，在选取方波频率时，应尽量保证在敏感频带内各次谐波含量比较高，同时，又要保证在敏感频段内有多个高含量的谐波频率点，因此，本实施例中，电解电容的等效串联电阻和容值的敏感带宽都比较宽，且电容C的敏感频段的频率比较高，因此可以选择频率较高一点的方波信号，比如频率选择50Hz即可满足要求，方波电压的幅值选择不能影响电路的正常工作，因此选择5V，如图4所示。
c.提取输出信号中的谐波含量并记录，其中，输出信号中的谐波含量在输出信号的敏感频段内提取；
d.多次改变测试变流器的电解电容参数，重复步骤a和步骤b,并建立记录的谐波含量与电容参数之间的数学模型，其中，电容参数包括容值和等效串联电阻；
e.对目标变流器的变换回路输入处注入与步骤a中相同的检测激励信号,即步骤e中注入的检测激励信号和步骤b中注入的检测激励信号的幅值、频率等参数均相同，提取出目标变流器的输出信号中的敏感频段的谐波含量，并将谐波含量代入到步骤d中的数学模型中计算目标变流器的电解电容的等效串联电阻以及电容值；
其中，测试变流器与目标变流器相同，测试变流器和目标变流器相同是指测试变流器和目标变流器的规格、型号以及参数等均相同，从而能够准确监测工作中的变流器的性能状态；通过上述方法，能够对变流器的电解电容的容值以及等效串联电阻的阻值准确测量，从而能够准确获取变流器的电解电容的性能变化状况，而且无需增加额外的元器件，能够大大节约成本，简化操作，而且能够有效避免传统测量技术中引入外界干扰而对变流器的稳定性和可靠性造成影响。
本实施例中，步骤b中，根据如下步骤确定输出信号的敏感频段：
步骤c中，根据如下步骤确定输出信号的敏感频段：
c1.建立变流器的电压外环环路增益的小信号模型：
其中，
Ts为开关周期，Dd为dq坐标系下直轴分量的占空比，Kvp为电压外环PI调节器的比例系数，Kvi为电压外环PI调节器的积分系数，Rc为电解电容的等效串联电阻，Ro为负载电阻，s为拉普拉斯算子，m为检测激励信号的调制比,θ表示检测激励信号的初始相位角；
c2.由环路增益公式建立变流器的电压外环闭环传递函数：
c3.由步骤c1和c2作波特图，根据波特图确定输出信号中电解电容的容值的敏感频段以及电解电容的等效串联电阻的敏感频段；其中：
电解电容的容值的敏感频段如下确定：
作变流器的电解电容的容值为C时的波特图以及电解电容的容值为80％C时波特图，将两个波特图对比，增益变化最大的频段为容值的敏感频段；如图2所示，当电容值C降低时，波特图的低频和高频部分增益变化不明显，发生变化的频段主要在150Hz～750Hz，随着电容值的降低，波特图转折频率逐渐增大，因此可以将150Hz～750Hz视为电容值C得敏感频段；
电解电容的等效串联电阻的敏感频段如下确定：
作电解电容的等效串联电阻初始值时的波特图以及将电解电容的等效串联电阻为初始值2倍时的波特图，将两个波特图对比，增益变化最大的频段为电解电容的等效串联电阻的敏感频段；如图3所示，等效串联电阻用ESR表示，当电解电容的等效串联电阻增大时，100Hz～300Hz这一频段增益会略有降低，在300Hz以上频段增益会逐渐增大，直至稳定，由于500Hz～1200Hz这一频段波特图变化比较明显，且衰减不大，因此可以将该频段视为电解电容的等效串联电阻的敏感频段。
本实施例中，步骤d中：
建立电解电容的容值与容值的敏感频段内的谐波含量的回归模型以及电解电容的等效串联电阻与等效串联电阻的敏感频段内的谐波含量的回归模型：
yC＝f(x1，x2…xn)；yESR＝f(x1，x2…xn)，其中，x1…xn为谐波含量，yESR为电解电容的等效串联电阻，yC为电解电容的容值，回归模型的系数由最小二乘法算得，根据步骤d中获取的谐波含量，不断改变电解电容的容值以及等效串联电阻的阻值，从而获得多个谐波含量的数据，有最小二乘法计算回归模型中的权重。
如图2和图3所示，电解电容的容值的敏感频段为150—750Hz为例，且方波激励信号为50Hz，并选取150Hz、250Hz、350Hz、450Hz、550Hz、650Hz以及750Hz七个频点作为自变量建立电容值与谐波含量的回归模型，电解电容的等效串联电阻的敏感频段在550Hz～1200Hz，将550Hz、650Hz、750Hz、850Hz、950Hz以及1050Hz六个频率点作为自变量建立电解电容的等效串联电阻与谐波含量之间的多元回归模型，并且通过最小二乘法得出权重后，获得如下具体回归模型：
yC＝1806.77-1210.25x1-2660.33x2+2896.02x3-3195.24x4+997.3x6+2609.19x7
yESR＝-0.3383+4.361x1+1.44x2-0.176x3+2.252x5-3.115x6，
根据上述中的具体回归模型，通过步骤e，所计算出的电解电容的电容值和等效串联电阻的阻值如表1和表2所示：
表1
表2
其中，预测值即为通过本发明的方法所计算得出的目标变流器工作中的容值和等效串联电阻的阻值，通过表1和表2可以看出：该方法所得出的电解电容的容值和等效串联电阻的阻值与直接测量所得出的真实值之间的差值极小，即误差极小，期望的误差范围之类，因此，通过本方法能够准确监测电解电容的参数的变化状况，从而表明本方法是有效并切实可行的。
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 (4)

1.一种变流器电解电容的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.在测试变流器的电解电容的两端并联可变电容且串联可变电阻；
b.向测试变流器的闭环回路输入处注入检测激励信号，获取变流器的闭环回路的输出端的输出信号；
c.提取输出信号中的谐波含量并记录，其中，输出信号中的谐波含量在输出信号的敏感频段内提取；
d.多次改变测试变流器的电解电容参数，重复步骤b和步骤c,并建立记录的谐波含量与电容参数之间的数学模型，其中，电容参数包括容值和等效串联电阻；
e.对目标变流器的变换回路输入处注入与步骤b中相同的检测激励信号,提取出目标变流器的输出信号中的敏感频段的谐波含量，并将谐波含量代入到步骤d中的数学模型中计算目标变流器的电解电容的等效串联电阻以及电容值；
其中，测试变流器与目标变流器相同。
2.根据权利要求1所述变流器电解电容的监测方法，其特征在于：步骤c中，根据如下步骤确定输出信号的敏感频段：
c1.建立变流器的电压外环环路增益的小信号模型：
其中，
Ts为开关周期，Dd为dq坐标系下直轴分量的占空比，Kvp为电压外环PI调节器的比例系数，Kvi为电压外环PI调节器的积分系数，Rc为电解电容的等效串联电阻，Ro为负载电阻，s为拉普拉斯算子，m为检测激励信号的调制比,θ表示检测激励信号的初始相位角；
c2.由环路增益公式建立变流器的电压外环闭环传递函数：
c3.由步骤c1和c2作波特图，根据波特图确定输出信号中电解电容的容值的敏感频段以及电解电容的等效串联电阻的敏感频段；其中：
电解电容的容值的敏感频段如下确定：
作变流器的电解电容的容值为C时的波特图以及电解电容的容值为80％C时波特图，将两个波特图对比，增益变化最大的频段为容值的敏感频段；
电解电容的等效串联电阻的敏感频段如下确定：
作电解电容的等效串联电阻初始值时的波特图以及将电解电容的等效串联电阻为初始值2倍时的波特图，将两个波特图对比，增益变化最大的频段为电解电容的等效串联电阻的敏感频段。
3.根据权利要求1或2所述变流器电解电容的监测方法，其特征在于：步骤d中：
建立电解电容的容值与容值的敏感频段内的谐波含量的回归模型以及电解电容的等效串联电阻与等效串联电阻的敏感频段内的谐波含量的回归模型：
yC＝f(x1,x2,…,xn)；yESR＝f(x1,x2,…,xn)，其中，x1…xn为谐波含量，yESR为电解电容的等效串联电阻，yc为电解电容的容值，回归模型的系数由最小二乘法算得。
4.根据权利要求1所述变流器电解电容的监测方法，其特征在于：所述检测激励信号为低频方波信号。
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