CN108169571A - 监测直流母线电容容值的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中电力电子变换器包括至少一交流直流变换电路和直流母线电容，交流直流变换电路的功率输入输出接口由一第一端和一第二端构成，第一端连接到频率为f的交流电网，第二端连接到直流母线电容，f为任意正实数，方法包括：参数测量步骤，测量流过直流母线电容的两倍f频率分量的电容功率和直流母线电容上的电压；以及容值计算步骤，根据电容功率和直流母线电容上的电压，来计算直流母线电容的容值。本申请还提供一种监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，装置包括：参数测量电路容值计算电路。

Description

监测直流母线电容容值的方法和装置

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，以及使用这种方法监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置。

背景技术

在电力电子系统中，直流母线需要并联电容器来存储能量。以这种方式使用的电容器被称为直流母线电容。通常采用大容量耐高压的电解电容器作为直流母线电容，来存储大量的能量。然而电解电容器会失效和老化，从而引起系统性能下降或故障。

例如，图1为现有技术中的一个电力电子变压器(PET)的一个相中的一个电力电子变换器模块1000的示意图。电力电子变换器模块1000包括一个交流直流变换电路(AC/DC)1和一个直流直流变换电路(DC/DC)2。AC/DC1和DC/DC2之间通过一个直流母线B级联。直流母线B上并联有一个直流母线电容C。电力电子变换器模块1000具有一个输入端即AC/DC1的输入端T_in，以及一个输出端即DC/DC2的输出端T_out。输入端T_in可连接一个交流电源，例如交流电网、风力发电机等，以输入频率为f的交流电压V_i，f为任意正实数。输出端T_out能够输出直流电压V_o给任意使用直流的负载。在电力电子变换器模块1000的工作期间，由于AC/DC1的承载能力和直流母线电容C的容量都是有限的，因此直流母线电容C上的电压在实际中通常为脉动直流电压，其中脉动的主要分量的频率为2f，这对于电解电容器的使用寿命尤其不利。

因此，为了避免电力电子系统的可靠性因电解电容器失效和老化而下降，需监测直流母线电容的容值，以预测即将失效的直流母线电容，以便提前采取相应措施。

在授权公告号CN103580497B中，直流母线电容的容值通过闭环来修正，并将修正后的容值代入电容电压动态方程来预测当前的直流母线电容的电压。当直流母线电容的电压预测值与实测值一致时，认为此时的容值修正值与实际值相同。在这种预估直流母线电容的容值的方式中，直流母线电容的电压预测值和实测值的差值同时影响输入功率预测值和直流母线电容的电容估计值，可能会影响容值估计的准确性。

现授权公告号CN103795284A中，通过选择信号来选择级联逆变器中的单个待测单元，将其输出电压相位修改为与负载电流具有90°的相位差，同时调整该相其余模块的输出电压，使得总输出电压保持不变。待测模块直流母线电容的电力仅具有交流分量，利用直流母线电容的电压波动峰值与二倍频交流功率分量之间的定量关系可以估计出待测模块的直流母线电容的容值。但这种方式需要改变正常的运行方式，待测模块的参考电压需要单独设定。

发明内容

本申请的目的在于提供一种监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，以及使用这种方法监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。

本申请的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。

根据本申请的一个方面，提供一种监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中所述电力电子变换器包括至少一交流直流变换电路和所述直流母线电容，所述交流直流变换电路的功率输入输出接口由一第一端和一第二端构成，所述第一端连接到频率为f的交流电网，所述第二端连接到所述直流母线电容，f为任意正实数，所述方法包括：

参数测量步骤，测量流过所述直流母线电容的两倍f频率分量的电容功率和所述直流母线电容上的电压；以及

容值计算步骤，根据所述电容功率和所述直流母线电容上的电压，来计算所述直流母线电容的容值。

根据一个实施例，其中所述电容功率包括电容功率幅值，在所述参数测量步骤中，通过测量输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率，所述电容功率幅值被确定为输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率之差取幅值。

根据一个实施例，其中，如果所述电力电子变换器还包括一直流直流变换电路，所述直流直流变换电路的功率输入输出接口由一第三端和一第四端构成，所述第三端连接到所述直流母线电容，且所述第四端流过直流，那么，在所述参数测量步骤中，通过测量所述第一端流过的交流电流、所述第四端流过的电流、以及所述第四端上的电压，所述电容功率幅值为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，V_c为所述直流母线电容上的电压，I_o为所述第四端流过的电流，以及V_o为所述第四端上的电压。

根据一个实施例，其中，如果所述直流母线电容为悬浮电容，那么，在所述参数测量步骤中，通过测量所述第一端流过的交流电流，所述电容功率幅值为：

║I_g*D*V_c║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，以及V_c为所述直流母线电容上的电压。

根据一个实施例，其中所述电容功率包括电容功率幅值，在所述参数测量步骤中，所述直流母线电容上的电压包括所述直流母线电容上的电压的最大值、所述直流母线电容上的电压的最小值、以及所述直流母线电容上的电压的平均值，在所述计算步骤中，所述直流母线电容的容值为：

P_mag/(2*π*f*(V_cmax-V_cmin)*V_cmean)，

其中P_mag为所述电容功率幅值，V_cmax为所述直流母线电容上的电压的最大值，V_cmin为所述直流母线电容上的电压的最小值，以及V_cmean为所述直流母线电容上的电压的平均值。

根据一个实施例，其中在所述参数测量步骤中，通过测量输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率，所述电容功率幅值P_mag被确定为输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率之差取幅值。

根据一个实施例，其中，如果所述电力电子变换器还包括一直流直流变换电路，所述直流直流变换电路的功率输入输出接口由一第三端和一第四端构成，所述第三端连接到所述直流母线电容，且所述第四端流过直流，那么，在所述参数测量步骤中，通过测量所述第一端流过的交流电流、所述第四端流过的电流、以及所述第四端上的电压，所述电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，V_c为所述直流母线电容上的电压，I_o为所述第四端流过的电流，以及V_o为所述第四端上的电压。

根据一个实施例，其中，如果所述直流母线电容为悬浮电容，那么，在所述参数测量步骤中，通过测量所述第一端流过的交流电流，所述电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，以及V_c为所述直流母线电容上的电压。

根据一个实施例，其中所述电力电子变换器的数目超过一个，其连接关系为输入串联输出串联、输入串联输出并联、输入并联输出串联、以及输入并联输出并联中的任何一种，所述方法针对每一个所述电力电子变换器适用。

根据本公开的另一个方面，提供了一种监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述电力电子变换器包括至少一交流直流变换电路和所述直流母线电容，所述交流直流变换电路的功率输入输出接口由一第一端和一第二端构成，所述第一端连接到频率为f的交流电网，所述第二端连接到所述直流母线电容，f为任意正实数，所述装置包括：

参数测量电路，包括：

电容功率测量电路，被配置为测量流过所述直流母线电容两倍f频率分量的电容功率；以及

电压测量电路，被配置为测量所述直流母线电容上的电压；以及

容值计算电路，被配置为根据所述电容功率和所述直流母线电容上的电压，来计算所述直流母线电容的容值。

根据一个实施例，其中所述电容功率包括电容功率幅值，所述电容功率测量电路被配置为通过测量输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率，并对输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率之差取幅值，以得到所述电容功率幅值。

根据一个实施例，其中所述电容功率包括电容功率幅值，所述电容功率测量电路包括：

电容功率计算电路，被配置为根据输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率得到所述直流母线电容的功率；

第一二倍频滤波器，被配置为滤出所述直流母线电容的功率的两倍f频率分量；以及

幅值检测电路，被配置为测量所述两倍f频率分量的幅值，以得到所述电容功率幅值。

根据一个实施例，其中，如果所述电力电子变换器还包括一直流直流变换电路，所述直流直流变换电路的功率输入输出接口由一第三端和一第四端构成，所述第三端连接到所述直流母线电容，且所述第四端流过直流，那么，所述参数测量电路还包括：

电流测量电路，被配置为测量所述第一端流过的交流电流和所述第四端流过的电流，

其中所述电压测量电路被配置为还测量所述第四端上的电压，所述电容功率幅值为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，V_c为所述直流母线电容上的电压，I_o为所述第四端流过的电流，以及V_o为所述第四端上的电压。

根据一个实施例，其中，如果所述直流母线电容为悬浮电容，那么，所述参数测量电路还包括：

电流测量电路，被配置为测量所述第一端流过的交流电流，

其中所述电容功率幅值为：

║I_g*D*V_c║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，以及V_c为所述直流母线电容上的电压。

根据一个实施例，其中所述电容功率包括电容功率幅值，

所述电压测量电路包括：

均值检测电路，被配置为测量所述直流母线电容上的电压的平均值；以及

峰峰值检测电路，被配置为测量所述直流母线电容上的电压的最大值和所述直流母线电容上的电压的最小值；以及

所述容值计算电路包括：

乘除法运算电路，被配置为根据所述直流母线电容上的电压的平均值、所述直流母线电容上的电压的最大值、所述直流母线电容上的电压的最小值，以及所述电容功率幅值计算所述直流母线电容的容值。

根据一个实施例，其中所述峰峰值检测电路包括：

第二二倍频滤波器，被配置为滤出所述直流母线电容的电压的两倍f频率分量，

其中所述直流母线电容上的电压的最大值和最小值分别为所述两倍f频率分量的最大值和最小值。

根据一个实施例，其中所述电容功率包括电容功率幅值，所述电压测量电路被配置为还测量所述直流母线电容上的电压的最大值、所述直流母线电容上的电压的最小值、以及所述直流母线电容上的电压的平均值，所述容值计算电路按下式计算所述直流母线电容的容值：

P_mag/(2*π*f*(V_cmax-V_cmin)*V_cmean)，

其中P_mag为所述电容功率幅值，V_cmax为所述直流母线电容上的电压的最大值，V_cmin为所述直流母线电容上的电压的最小值，以及V_cmean为所述直流母线电容上的电压的平均值。

根据一个实施例，其中所述电容功率测量电路被配置为通过测量输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率，并对输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率之差取幅值，以得到所述电容功率幅值P_mag。

根据一个实施例，其中，如果所述电力电子变换器还包括一直流直流变换电路，所述直流直流变换电路的功率输入输出接口由一第三端和一第四端构成，所述第三端连接到所述直流母线电容，且所述第四端流过直流，那么，所述参数测量电路还包括：

电流测量电路，被配置为测量所述第一端流过的交流电流和所述第四端流过的电流，

其中所述电压测量电路被配置为还测量所述第四端上的电压，所述电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，V_c为所述直流母线电容上的电压，I_o为所述第四端流过的电流，以及V_o为所述第四端上的电压。

根据一个实施例，其中，如果所述直流母线电容为悬浮电容，那么，所述参数测量电路还包括：

电流测量电路，被配置为测量所述第一端流过的交流电流，

其中所述电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，以及V_c为所述直流母线电容上的电压。

根据一个实施例，其中所述电力电子变换器的数目超过一个，其连接关系为输入串联输出串联、输入串联输出并联、输入并联输出串联、以及输入并联输出并联中的任何一种，所述装置针对每一个所述电力电子变换器适用。

本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法和装置，接收能反映电力电子变换器交流侧功率的信号及直流侧功率的信号，以及直流母线电容的电压，得到流经直流母线电容的脉动功率及脉动电压，并以开环方式计算其容值。

本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法和装置，不需要添加额外的硬件采样与控制电路；开环方式估计简单可靠，避免了现有技术方案中两个反馈回路带来的稳定性问题；不影响现有的控制架构，避免了现有技术方案中需根据被测模块输出调整其它模块占空比的问题，可以较为方便地作为一独立的功能模块嵌入至现有的控制系统中；可同时对所有电力电子变换器模块的直流母线电容进行估计，无需选择信号指定待测模块。

为使能更进一步了解本申请的特征及技术内容，请参阅以下有关本申请的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本申请，而非对本申请的权利要求范围作任何的限制。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本申请的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1为现有技术中的一个PET的一个相中的一个电力电子变换器模块1000的示意图；

图2为现有技术中的一个电力电子变换器模块1001的示意图；

图3为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的一个实施例的流程图；

图4为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图；

图5为现有技术中的一个电力电子变换器模块1002的示意图；

图6为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图；

图7为现有技术中的一个电力电子变换器模块1003的示意图；

图8为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图；

图9为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图；

图10为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图；

图11为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图；

图12为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图；

图13是多个电力电子变换器模块输入串联输出并联的示意图；

图14是多个电力电子变换器模块输入串联输出串联的示意图；

图15是多个电力电子变换器模块输入并联输出并联的示意图；

图16是多个电力电子变换器模块输入并联输出串联的示意图；

图17是用于确定前述电力电子变换器1001-1003的直流母线电容C的容值的装置2000的示意图；

图18是说明如图17中所示的电容功率测量电路11的结构的示意图；

图19是说明如图17中所示的参数测量电路10的结构的示意图；

图20是用于确定前述电力电子变换器1001-1003的直流母线电容C的容值的装置2001的示意图；

图21是说明如图20中所示的峰峰值检测电路18的结构的示意图；

图22是用于说明图18中的电容功率计算电路13的一个实施例的示意图；

图23是图20中的用于确定前述电力电子变换器1001-1003的直流母线电容C的容值的装置2001中的容值计算电路20的乘除法运算电路21的一个实施例的示意图；

图24是说明直流母线电容C上功率Pc和电压Vc如何变化的示意图；以及

图25是根据本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法和装置的仿真波形图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本申请将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本申请的各方面。

首先参考图2和图3来描述本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的一个实施例。

图2为现有技术中的一个电力电子变换器模块1001的示意图。图2中的电力电子变换器模块1001的电路结构比图1更为简单，以便更容易理解本申请。

如图2中所示，电力电子变换器1001包括至少一个AC/DC1和一个直流母线电容C，AC/DC1和直流母线电容C之间通过一个直流母线B连接。AC/DC1的功率输入输出接口由一个第一端T₁和一个第二端T₂构成。第一端T₁可连接一个交流电源，以输入或输出频率为f的交流电压V_i，f为任意正实数。第二端T₂通过直流母线B并联连接到直流母线电容C，用于使直流母线电容C充电或放电，使得直流母线电容C上具有电压V_c。

例如，如果直流母线B外接有直流负载，则图2所示的结构可以看作是图1中的电力电子变换器模块1000的一部分，只是省略了DC/DC2。

又例如，如果第二端T₂仅仅通过直流母线B并联连接到直流母线电容C，而直流母线B不再外接任何负载，那么以这种方式连接的直流母线电容C称为悬浮电容。这里，第二端T₂既可以给直流母线电容C充电，也可以从直流母线电容C汲取能量。也就是说，这里的AC/DC1能够双向使用，既可以作为整流器使用，也可以作为逆变器使用，使得电力电子变换器1001能够实现静止无功发生器(SVG)的功能。

图3为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的一个实施例的流程图，用于说明确定如图2中所示的电力电子变换器1001的直流母线电容C的容值的方法。

如图3中所示，本实施例的方法包括参数测量步骤100和容值计算步骤110。

在参数测量步骤100中，测量流过直流母线电容C的两倍f频率分量的电容功率P_c和直流母线电容上的电压V_c。

在容值计算步骤110中，根据电容功率P_c和直流母线电容C上的电压V_c，来计算直流母线电容C的容值。

直流母线电容C在充放电过程中存储或释放能量，在时间上表现为正值的或负值的功率，即为本申请的电容功率P_c。电容功率P_c与直流母线电容C上的电压变化和直流母线电容C的容值有关。本实施例不限制如何测量流过直流母线电容C的两倍f频率分量的电容功率P_c和直流母线电容上的电压V_c。

下面，本申请通过忽略线路损耗，将输入直流母线电容C的功率P_cin近似为输入直流母线B的功率P_in，并将输出直流母线电容C的功率P_cout近似为输出直流母线B的功率P_out，来提供更多的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的具体实施例。

图4为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图，用于说明确定如图2中所示的电力电子变换器1001的直流母线电容C的容值的方法。

如图4中所示，本实施例的方法包括参数测量步骤100’和容值计算步骤110。由于直流母线电容C上的电容功率P_c是脉动变化的，因此具有电容功率幅值P_mag。本实施例通过电容功率幅值P_mag来确定直流母线电容C的容值。

在参数测量步骤100’中，通过在前述参数测量步骤100中，测量输入直流母线B的功率P_in与输出直流母线B的功率P_out，电容功率幅值P_mag被确定为输入直流母线B的功率P_in与输出直流母线B的功率P_out之差取幅值。即电容功率幅值P_mag为：

║P_c║＝║P_in-P_out║，

其中║║表示取幅值运算。

容值计算步骤110与前述的相同，不再赘述。

本实施例不限制如何测量输入直流母线B的功率P_in与输出直流母线B的功率P_out。

下面参考图5和图6来描述本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例。

图5为现有技术中的一个电力电子变换器模块1002的示意图。图5中的电力电子变换器模块1002的电路结构与图1相同，例如，也可以是一个PET的一个相中的一个电力电子变换器模块。

图5是在图2的基础上增加了一个DC/DC2。DC/DC2的功率输入输出接口由一个第三端T₃和一个第四端T₄构成，第三端T₃并联连接到直流母线电容C。假设AC/DC1的占空比为D，直流母线电容C上的电压为V_c，第一端T₁流过的电流为I_g，第四端T₄上的电压为V_o且流过直流I_o。

图6为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图，用于说明确定如图5中所示的电力电子变换器1002的直流母线电容C的容值的方法。

本实施例忽略AC/DC和DC/DC电路的损耗，将输入直流母线B的功率P_in近似为AC/DC的第一端T₁的功率P_a2d，并将输出直流母线B的功率P_out近似为输出DC/DC的第四端T₄的功率P_d2d。

如图6中所示，本实施例的方法包括参数测量步骤100”和容值计算步骤110。

由于第一端T₁的功率P_a2d为

I_g*D*V_c，

第四端T₄的功率P_d2d为

I_o*V_o

因此，在参数测量步骤100”中，通过在前述参数测量步骤100中，测量第一端T₁流过的交流电流I_g、直流母线电容C上的电压V_c、第四端T₄流过的电流I_o、以及第四端上的电压V_o，电容功率幅值P_mag为：

║P_c║＝║P_in-P_out║＝║P_a2d-P_d2d║＝║I_g*D*V_c-I_o*V_o║。

容值计算步骤110与前述的相同，不再赘述。

本实施例不限制如何测量直流母线电容C上的电压V_c，第一端T₁流过的电流I_g，第四端T₄上的电压为V_o和流过的直流I_o。

下面参考图7和图8来描述本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例。

图7为现有技术中的一个电力电子变换器模块1003的示意图。图7中的电力电子变换器模块1003的电路结构与图2相同，例如，也可以是一个SVG的一个相中的一个电力电子变换器模块。

图7是在图5的基础上去除了DC/DC2，并且将直流母线电容C设置为悬浮电容。

图8为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图，用于说明确定如图7中所示的电力电子变换器1003的直流母线电容C的容值的方法。

如图8中所示，本实施例的方法包括参数测量步骤100”’和容值计算步骤110。

在参数测量步骤100”’中，通过在前述参数测量步骤100中，测量第一端T₁流过的交流电流I_g、以及直流母线电容C上的电压V_c，电容功率幅值P_mag为：

║P_c║＝║P_in-P_out║＝║P_a2d-0║＝║I_g*D*V_c║。

也就是说，尽管图5中的DC/DC2被去除，图6中所示的用于确定电容功率幅值P_mag的公式依然成立。

容值计算步骤110与前述的相同，不再赘述。

本实施例不限制如何测量直流母线电容C上的电压V_c、以及第一端T₁流过的电流I_g。

图9为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图，用于进一步说明确定如图2中所示的电力电子变换器1001的直流母线电容C的容值的方法。图24是说明直流母线电容C上功率P_c和电压V_c如何变化的示意图。

由于电容功率的直流分量可视为零，并可以忽略高次谐波分量，因此主要考虑2f频率(二倍频)分量，这样前述电容功率P_c也可表达为：

P_c＝P_mag*cos(2*π*f*t+γ)

其中P_mag为前述电容功率幅值，cos()是余弦函数，f前述交流电源的频率，t是时间，γ为初相角。

参考图24，在直流母线电容C上的电压V_c的2f分量的相邻的一个波谷和一个波峰之间，即图24中的积分区间(t₀,t₁)，将P_c/V_c对时间进行积分，则有：

其中V_cmax为直流母线电容C上的电压的最大值，V_cmin为直流母线电容上的电压的最小值，C_est为直流母线电容C的容值。

进一步代换，则有

其中T＝1/f。

为便于积分，本申请将V_c近似为直流母线电容C上的电压的V_cmean，从而得到直流母线电容C的容值为：

P_mag/(2*π*f*(V_cmax-V_cmin)*V_cmean)。

基于上述近似，如图9中所示，本实施例的方法包括参数测量步骤100””和容值计算步骤110’。

在参数测量步骤100””中，使得前述参数测量步骤100中的直流母线电容C上的电压V_c包括直流母线电容C上的电压的最大值V_cmax、直流母线电容C上的电压的最小值V_cmin、以及直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean。

在计算步骤110’中，直流母线电容C的容值为：

P_mag/(2*π*f*(V_cmax-V_cmin)*V_cmean)。

本实施例不限制如何测量直流母线电容C上的电容功率幅值P_mag、直流母线电容C上的电压的最大值V_cmax、直流母线电容C上的电压的最小值V_cmin、以及直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean。

图10为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图，用于进一步说明确定如图2中所示的电力电子变换器1001的直流母线电容C的容值的方法。

如图10中所示，本实施例的方法包括参数测量步骤100””’和容值计算步骤110’。

在参数测量步骤100””’中，使得前述参数测量步骤100中的直流母线电容C上的电压V_c包括直流母线电容C上的电压的最大值V_cmax、直流母线电容C上的电压的最小值V_cmin、以及直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean，通过测量输入直流母线B的功率P_in与输出直流母线的功率P_out，电容功率幅值P_mag被确定为输入直流母线B的功率P_in与输出直流母线的功率P_out之差取幅值。

计算步骤110’与前述的相同，不再赘述。

本实施例不限制如何测量直流母线电容C上的电容功率幅值P_mag、直流母线电容C上的电压的最大值V_cmax、直流母线电容C上的电压的最小值V_cmin、以及直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean。

图11为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图，用于进一步说明确定如图5中所示的电力电子变换器1002的直流母线电容C的容值的方法。

如图11中所示，本实施例的方法包括参数测量步骤100”””和容值计算步骤110’。

在参数测量步骤100””’中，通过在前述参数测量步骤100中，测量第一端T₁流过的交流电流I_g、直流母线电容C上的电压V_c、第四端T₄流过的电流I_o、以及第四端上的电压V_o，电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║。

计算步骤110’与前述的相同，不再赘述。

本实施例不限制如何测量直流母线电容C上的电压V_c，第一端T₁流过的电流I_g，第四端T₄上的电压为V_o和流过的直流I_o，直流母线电容C上的电容功率幅值P_mag、直流母线电容C上的电压的最大值V_cmax、直流母线电容C上的电压的最小值V_cmin、以及直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean。

图12为本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法的又一个实施例的流程图，用于进一步说明确定如图7中所示的电力电子变换器1003的直流母线电容C的容值的方法。

如图12中所示，本实施例的方法包括参数测量步骤100”””’和容值计算步骤110’。

在参数测量步骤100”””中，通过在前述参数测量步骤100中，测量第一端T₁流过的交流电流I_g、以及直流母线电容C上的电压V_c，电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║。

计算步骤110’与前述的相同，不再赘述。

本实施例不限制如何测量直流母线电容C上的电压V_c，第一端T₁流过的电流I_g，直流母线电容C上的电容功率幅值P_mag、直流母线电容C上的电压的最大值V_cmax、直流母线电容C上的电压的最小值V_cmin、以及直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean。

本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法可以用于电力电子变压器系统、单相并网逆变器系统、静止无功发生器系统等。在这些系统中，电力电子变换器的数目超过一个，其连接关系为输入串联输出串联、输入串联输出并联、输入并联输出串联、以及输入并联输出并联中的任何一种。本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法针对每一个电力电子变换器适用。这样的系统如图13-16所示，其中的每个模块结构都为图5中所示的电力电子变换器1002。图13是多个电力电子变换器模块输入串联输出并联的示意图，图14是多个电力电子变换器模块输入串联输出串联的示意图，图15是多个电力电子变换器模块输入并联输出并联的示意图，图16是多个电力电子变换器模块输入并联输出串联的示意图。

与本申请的上述监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法相对应，本申请还提供了如下监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置。图17是用于确定前述电力电子变换器1001-1003的直流母线电容C的容值的装置2000的示意图。

如图17中所示，用于确定前述电力电子变换器1001-1003的直流母线电容C的容值的装置2000包括：

参数测量电路10，用于执行图3中的参数测量步骤100，包括：

电容功率测量电路11，被配置为测量流过直流母线电容C的两倍f频率分量的电容功率P_c；以及

电压测量电路12，被配置为测量直流母线电容C上的电压V_c；以及

容值计算电路20，用于执行图3中的容值计算步骤110。

图18是说明如图17中所示的电容功率测量电路11的结构的示意图。

如图18中所示，电容功率测量电路11包括：

电容功率计算电路13，被配置为根据输入直流母线B的功率P_in与输出直流母线B的功率P_out得到直流母线电容的功率P_c；

第一二倍频滤波器14，被配置为滤出直流母线电容C的功率P_c的两倍f频率分量2fP_c；以及

幅值检测电路15，被配置为测量两倍f频率分量2f P_c的幅值2f P_mag，以得到所述电容功率幅值P_mag。

图19是说明如图17中所示的参数测量电路10的结构的示意图。

如图19中所示，参数测量电路10还包括：

电流测量电路16，被配置为测量第一端T₁流过的交流电流I_g和第四端T₄流过的电流I_o，

其中电压测量电路12被配置为还测量第四端T₄上的电压V_o。

图20是用于确定前述电力电子变换器1001-1003的直流母线电容C的容值的装置2001的示意图。

如图20中所示，用于确定前述电力电子变换器1001-1003的直流母线电容C的容值的装置2001是基于图17中的装置2000，其中：

电压测量电路12包括：

均值检测电路17，被配置为测量直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean；以及

峰峰值检测电路18，被配置为测量直流母线电容C上的电压的最大值V_max和直流母线电容C上的电压的最小值V_min；以及

容值计算电路20包括：

乘除法运算电路21，被配置为根据直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean、直流母线电容上的电压的最大值V_max、直流母线电容上的电压的最小值V_min，以及电容功率幅值2fP_mag，即P_mag，来计算直流母线电容C的容值C。

图21是说明如图20中所示的峰峰值检测电路18的结构的示意图。

如图21中所示，峰峰值检测电路18包括：

第二二倍频滤波器19，被配置为滤出直流母线电容C的电压V_c的两倍f频率分量2fV_c。.

在本申请中，直流母线电容C上的电压的最大值V_max和最小值V_min分别为两倍f频率分量2f Vc的最大值和最小值。

图22是用于说明图18中的电容功率计算电路13的一个实施例的示意图。

如图22中所示，电容功率计算电路13包括第一乘法器131、第二乘法器132、第三乘法器133和加法器134。第一乘法器131将AC/DC1的占空比D与直流母线电容C上的电压V_c相乘，相乘的结果再通过第二乘法器132与第一端T₁流过的电流为I_g相乘，得到输入直流母线B的功率P_in。第三乘法器133将第四端T₄上的电压为V_o与流过的直流I_o相乘，得到输出直流母线B的功率P_out。然后加法器134将所得到的输入直流母线B的功率P_in与所得到的输出直流母线B的功率P_out相减，从而得到直流母线电容C的功率P_c。

图23是图20中的用于确定前述电力电子变换器1001-1003的直流母线电容C的容值的装置2001中的容值计算电路20的乘除法运算电路21的一个实施例的示意图。

如图23中所示乘除法运算电路21包括第四乘法器214、第五乘法器215和除法器216。第四乘法器214将直流母线电容C上的电压的最大值V_max和直流母线电容C上的电压的最小值V_min的差值ΔV与直流母线电容C上的电压的平均值V_cmean相乘，相乘的结果再通过第五乘法器215与2f频率相乘。然后除法器216将电容功率幅值P_mag与第五乘法器215所得到的结果相除，从而得到直流母线电容C的容值C。

图25是根据本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法和装置的仿真波形图。如图25中所示，本申请的方法于t0时刻启动，至t1时刻趋于稳定，这段时长由算法中使用的平均值滤波器、低通滤波器以及低通滤波器的时间常数决定。稳定后，直流母线电容的容值估计值可以准确地收敛至其实际值。

综上所述，本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法和装置，接收能反映电力电子变换器交流侧功率的信号及直流侧功率的信号，以及直流母线电容的电压，得到流经直流母线电容的脉动功率及脉动电压，并以开环方式计算其容值。

本申请的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法和装置，不需要添加额外的硬件采样与控制电路；开环方式估计简单可靠，避免了现有技术方案中两个反馈回路带来的稳定性问题；不影响现有的控制架构，避免了现有技术方案中需根据被测模块输出调整其它模块占空比的问题，可以较为方便地作为一独立的功能模块嵌入至现有的控制系统中；可同时对所有电力电子变换器模块的直流母线电容进行估计，无需选择信号指定待测模块。

本申请已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本申请的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本申请的范围。相反地，在不脱离本申请的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本申请的专利保护范围。

Claims (21)

1.一种监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中所述电力电子变换器包括至少一交流直流变换电路和所述直流母线电容，所述交流直流变换电路的功率输入输出接口由一第一端和一第二端构成，所述第一端连接到频率为f的交流电网，所述第二端连接到所述直流母线电容，f为任意正实数，所述方法包括：

参数测量步骤，测量流过所述直流母线电容的两倍f频率分量的电容功率和所述直流母线电容上的电压；以及

容值计算步骤，根据所述电容功率和所述直流母线电容上的电压，来计算所述直流母线电容的容值。

2.根据权利要求1所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中所述电容功率包括电容功率幅值，在所述参数测量步骤中，通过测量输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率，所述电容功率幅值被确定为输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率之差取幅值。

3.根据权利要求2所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中，如果所述电力电子变换器还包括一直流直流变换电路，所述直流直流变换电路的功率输入输出接口由一第三端和一第四端构成，所述第三端连接到所述直流母线电容，且所述第四端流过直流，那么，在所述参数测量步骤中，通过测量所述第一端流过的交流电流、所述第四端流过的电流、以及所述第四端上的电压，所述电容功率幅值为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，V_c为所述直流母线电容上的电压，I_o为所述第四端流过的电流，以及V_o为所述第四端上的电压。

4.根据权利要求2所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中，如果所述直流母线电容为悬浮电容，那么，在所述参数测量步骤中，通过测量所述第一端流过的交流电流，所述电容功率幅值为：

║I_g*D*V_c║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，以及V_c为所述直流母线电容上的电压。

5.根据权利要求1所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中所述电容功率包括电容功率幅值，在所述参数测量步骤中，所述直流母线电容上的电压包括所述直流母线电容上的电压的最大值、所述直流母线电容上的电压的最小值、以及所述直流母线电容上的电压的平均值，在所述计算步骤中，所述直流母线电容的容值为：

P_mag/(2*π*f*(V_cmax-V_cmin)*V_cmean)，

其中P_mag为所述电容功率幅值，V_cmax为所述直流母线电容上的电压的最大值，V_cmin为所述直流母线电容上的电压的最小值，以及V_cmean为所述直流母线电容上的电压的平均值。

6.根据权利要求5所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中在所述参数测量步骤中，通过测量输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率，所述电容功率幅值P_mag被确定为输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率之差取幅值。

7.根据权利要求6所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中，如果所述电力电子变换器还包括一直流直流变换电路，所述直流直流变换电路的功率输入输出接口由一第三端和一第四端构成，所述第三端连接到所述直流母线电容，且所述第四端流过直流，那么，在所述参数测量步骤中，通过测量所述第一端流过的交流电流、所述第四端流过的电流、以及所述第四端上的电压，所述电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，V_c为所述直流母线电容上的电压，I_o为所述第四端流过的电流，以及V_o为所述第四端上的电压。

8.根据权利要求6所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中，如果所述直流母线电容为悬浮电容，那么，在所述参数测量步骤中，通过测量所述第一端流过的交流电流，所述电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，以及V_c为所述直流母线电容上的电压。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的方法，其中所述电力电子变换器的数目超过一个，其连接关系为输入串联输出串联、输入串联输出并联、输入并联输出串联、以及输入并联输出并联中的任何一种，所述方法针对每一个所述电力电子变换器适用。

10.一种监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述电力电子变换器包括至少一交流直流变换电路和所述直流母线电容，所述交流直流变换电路的功率输入输出接口由一第一端和一第二端构成，所述第一端连接到频率为f的交流电网，所述第二端连接到所述直流母线电容，f为任意正实数，所述装置包括：

参数测量电路，包括：

电容功率测量电路，被配置为测量流过所述直流母线电容两倍f频率分量的电容功率；以及

电压测量电路，被配置为测量所述直流母线电容上的电压；以及容值计算电路，被配置为根据所述电容功率和所述直流母线电容上的电压，来计算所述直流母线电容的容值。

11.根据权利要求10所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述电容功率包括电容功率幅值，所述电容功率测量电路被配置为通过测量输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率，并对输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率之差取幅值，以得到所述电容功率幅值。

12.根据权利要求10所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述电容功率包括电容功率幅值，所述电容功率测量电路包括：

电容功率计算电路，被配置为根据输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率得到所述直流母线电容的功率；

第一二倍频滤波器，被配置为滤出所述直流母线电容的功率的两倍f频率分量；以及

幅值检测电路，被配置为测量所述两倍f频率分量的幅值，以得到所述电容功率幅值。

13.根据权利要求11所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中，如果所述电力电子变换器还包括一直流直流变换电路，所述直流直流变换电路的功率输入输出接口由一第三端和一第四端构成，所述第三端连接到所述直流母线电容，且所述第四端流过直流，那么，所述参数测量电路还包括：

电流测量电路，被配置为测量所述第一端流过的交流电流和所述第四端流过的电流，

其中所述电压测量电路被配置为还测量所述第四端上的电压，所述电容功率幅值为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，V_c为所述直流母线电容上的电压，I_o为所述第四端流过的电流，以及V_o为所述第四端上的电压。

14.根据权利要求11所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中，如果所述直流母线电容为悬浮电容，那么，所述参数测量电路还包括：

电流测量电路，被配置为测量所述第一端流过的交流电流，

其中所述电容功率幅值为：

║I_g*D*V_c║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，以及V_c为所述直流母线电容上的电压。

15.根据权利要求10所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述电容功率包括电容功率幅值，

所述电压测量电路包括：

均值检测电路，被配置为测量所述直流母线电容上的电压的平均值；以及

峰峰值检测电路，被配置为测量所述直流母线电容上的电压的最大值和所述直流母线电容上的电压的最小值；以及

所述容值计算电路包括：

乘除法运算电路，被配置为根据所述直流母线电容上的电压的平均值、所述直流母线电容上的电压的最大值、所述直流母线电容上的电压的最小值，以及所述电容功率幅值计算所述直流母线电容的容值。

16.根据权利要求15所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述峰峰值检测电路包括：

第二二倍频滤波器，被配置为滤出所述直流母线电容的电压的两倍f频率分量，

其中所述直流母线电容上的电压的最大值和最小值分别为所述两倍f频率分量的最大值和最小值。

17.根据权利要求10所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述电容功率包括电容功率幅值，所述电压测量电路被配置为还测量所述直流母线电容上的电压的最大值、所述直流母线电容上的电压的最小值、以及所述直流母线电容上的电压的平均值，所述容值计算电路按下式计算所述直流母线电容的容值：

P_mag/(2*π*f*(V_cmax-V_cmin)*V_cmean)，

其中P_mag为所述电容功率幅值，V_cmax为所述直流母线电容上的电压的最大值，V_cmin为所述直流母线电容上的电压的最小值，以及V_cmean为所述直流母线电容上的电压的平均值。

18.根据权利要求17所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述电容功率测量电路被配置为通过测量输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率，并对输入所述直流母线的功率与输出所述直流母线的功率之差取幅值，以得到所述电容功率幅值P_mag。

19.根据权利要求18所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中，如果所述电力电子变换器还包括一直流直流变换电路，所述直流直流变换电路的功率输入输出接口由一第三端和一第四端构成，所述第三端连接到所述直流母线电容，且所述第四端流过直流，那么，所述参数测量电路还包括：

电流测量电路，被配置为测量所述第一端流过的交流电流和所述第四端流过的电流，

其中所述电压测量电路被配置为还测量所述第四端上的电压，所述电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c-I_o*V_o║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，V_c为所述直流母线电容上的电压，I_o为所述第四端流过的电流，以及V_o为所述第四端上的电压。

20.根据权利要求18所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中，如果所述直流母线电容为悬浮电容，那么，所述参数测量电路还包括：

电流测量电路，被配置为测量所述第一端流过的交流电流，

其中所述电容功率幅值P_mag为：

║I_g*D*V_c║，

其中║║表示取幅值运算，I_g为所述第一端流过的交流电流，D为所述交流直流变换电路的占空比，以及V_c为所述直流母线电容上的电压。

21.根据权利要求10-20中任一项所述的监测电力电子变换器的直流母线电容的容值的装置，其中所述电力电子变换器的数目超过一个，其连接关系为输入串联输出串联、输入串联输出并联、输入并联输出串联、以及输入并联输出并联中的任何一种，所述装置针对每一个所述电力电子变换器适用。