CN108880279A - 电力转换装置以及电力转换装置的诊断方法 - Google Patents

电力转换装置以及电力转换装置的诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力转换装置及电力转换装置的诊断方法。为了检测用于电力转换器的直流平滑电容器的静电容量的下降而定期运行/停止电力转换器，根据平滑电容器的充电/放电时间计算静电容量，因此会有在持续运行电力转换器的状态下无法检测静电容量的劣化状态的问题。在将电力从交流转换为直流或从直流转换为交流的电力转换器中，该电力转换装置由多个电力转换器构成，该电力转换器个别具有平滑电容器，且该电力转换器与共通的直流电压部连接，具有对流入连接各电力转换器的直流电压部的电流进行观测的传感器或对其进行推定的功能，通过解析该直流电压部的电流能够在保持运行电力转换器的状态下检测搭载于各电力转换器的直流平滑电容器的劣化状态。

Description

电力转换装置以及电力转换装置的诊断方法
技术领域
本发明涉及电力转换装置以及电力转换装置的诊断方法，特别涉及对构成主电路的平滑电容器的诊断优选的电力转换装置以及电力转换装置的诊断方法。
背景技术
使用了半导体开关元件的电力转换器在工业、家电、交通、汽车以及电力/社会基础系统等领域中被广泛地使用。例如，由于数百kW以上的面向工业的电力转换器与电源系统或电动机等负载连接，因此作为将交流电力转换为直流电力的顺向式转换器(以下记载为变压器CONV)，或者作为将直流电力转换为交流电力的逆向式转换器(以下记载为逆变器INV)通过多个转换器构成系统。在这种系统中，为了对伴随着电力转换的变动进行平滑，各转换器CONV/INV中具有平滑电容器。在各转换器中，通过平滑电容器对输入的电力或输出的电力进行平滑。这种电力转换器被记载在例如日本特开2008-11606号公报中。
专利文献
专利文献1：日本特开2008-11606号公报
发明内容
在各转换器CONV/INV中分别设置对伴随着电力转换的变动进行平滑的平滑电容器，另外该平滑电容器根据周围温度/施加电压以及通流电流而劣化。如果平滑电容器劣化且静电容量下降，则直流电压的变动变大，成为流入电源系统或负载的电流产生失真的原因。因此为了长期使用这种电力转换器，为了不劣化平滑电容器的静电容量而确定是否是所需要的静电容量，需要定期的维护。
例如，由于检测平滑电容器的劣化相关的静电容量的下降，因此考虑将电力转换器的启动或停止时的平滑电容器的充电电流的上升时间或放电电流的上升时间设为判定值。虽然使用了由CR时间常数决定的充电或放电时间，但是需要从停止了电力转换器的状态检测平滑电容器的充电电流的上升等，进行维护作业的时间部分的电力转换器的运转时间将变短。即，由于在继续电力转换器的运转的状态下不能检测静电容量的劣化状态，所以存在系统的运转率下降的问题。
本发明的目的在于，提供针对平滑电容器的劣化检测能够维持系统运转率并进行检测的电力转换装置以及电力转换装置的诊断方法。
为了实现上述目的，本发明构成为具有将电力从交流转换为直流或从直流转换为交流的多个电力转换器，上述多个电力转换器与共通的直流电压部连接，上述多个电力转换器分别具有平滑电容器，具有通过解析从上述多个电力转换器中的任意一个平滑电容器流入其他电力转换器的平滑电容器的电流来检测上述平滑电容器的劣化状态的功能。
或者，在将电力从交流转换为直流或从直流转换为交流的电力转换装置中，该电力转换装置由多个电力转换器构成，该电力转换器个别地具有平滑电容器，并且该电力转换器的直流电压部与共通的直流电压部连接，具有观测流入连接各电力转换器的直流电压部的电流的传感器或推定该电流的功能，具有通过解析该直流电压部的电流来检测搭载在各电力转换器上的平滑电容器的劣化状态的功能，具有通过外部接口将该劣化状态输出给外部的机构。
根据本发明，能够维持系统运转率并检测平滑电容器的劣化。
附图说明
图1是本发明第一实施例的电力转换器的结构。
图2是本发明第一以及第四实施例中的检测直流平滑用电容器的劣化状态的流程图。
图3是说明本发明第一以及第四实施例中的对直流电压部电流进行频率解析的概要的图。
图4a是本发明第二实施例的电力转换器的结构。
图4b是本发明第三实施例的电力转换器的其他结构。
图5说明本发明的第二、第三、第五以及第六实施例中的对直流电压部电流进行频率解析的概要的图。
图6是本发明第四实施例的电力转换器的结构。
图7是本发明第五实施例的电力转换器的结构。
图8是本发明第六实施例的电力转换器的结构。
附图标记的说明
100a/300a：直流电压部(正极)、100b/300b：直流电压部(负极)、101a/101b/301a/301b：电力转换器、102/302/302a/302b：电流传感器、103a/103b/303a/303b/303c/303d：直流平滑用电容器、104a/104b：交流输出部、105：电力转换器控制部(控制器)、106：直流平滑用电容器的劣化诊断部、107a/107b：电力转换器控制信号、108：电力转换器运行信息、109/309：直流电压部电流信息、110：直流平滑用电容器的劣化信息、111：网络线路、112a：电力转换器所具备的监视器或维护时与电力转换器连接的个人计算机等维护设备、112b：远程监视中心、113：共振电流路径、200a/200b：电力转换器的运行状态引起的频率、201a/201b：电力转换器的载波频率引起的频率、202/402a/402b：电力转换器间的共振频率、300c：直流电压部(通用)、502a/502b/5602a/602b/602c/602d/702a/702b：电压传感器、509/609/709：直流电压部信息、S101：转换器运行的状态、S102：直流电压部的共振频率运算、S103a：与共振频率的预定值1的比较、S103b：与共振频率的预定值2的比较、S104a：输出直流平滑用电容器的劣化警报1、S104b：输出直流平滑用电容器的劣化警报2、S105：转换器停止的状态。
具体实施方式
以下使用附图说明用于实施本发明的方式(实施例)。
[实施例1]
图1表示电力转换器的结构。在本实施例中以三相两电平转换器为例进行说明。由半导体开关元件以及直流平滑用电容器(也称为平滑电容器。以下同样)103a/103b构成的两台电力转换器101a/101b与直流电压部100a/100b连接。由于是两电平转换器，因此直流电压部100a/100b有正极侧100a和负极侧100b，在本实施例中在负极侧100b设置用于观测直流部的电流的电流传感器102。此外，该电流传感器102即使设置在正极侧100a，以下所示的效果也相同。
各电力转换器101a/101b被来自控制器105的运行指令107a/107b所控制，控制输入或输出104a/104b。控制器105将各电力转换器的运行状态108输出给直流平滑用电容器103a/103b的劣化诊断部106，在该劣化诊断部106与直流电压部100a/100b的电流信息109组合并计算出直流平滑用电容器103a/103b的静电容量下降，由此检测劣化状态。该劣化状态只表示直流平滑用电容器103a/103b的劣化状态，不包括电力转换器运转率的信息。
这里，各电力转换器101a/101b的运行状态108是指各电力转换器101a/101b的输出或输入电流的频率、调制率、栅极脉冲模式。另外，为了确定平滑用电容器103a/103b的劣化要因，也可以包括各电力转换器101a/101b的输出或输入电流值、各电力转换器101a/101b的盘的内部/外部温度、各电力转换器101a/101b的直流电压值、电力转换器101a/101b的装置/控制盘的接地电流值。
在本实施例中，电力转换器101a通过来自控制器105的运行指令107a将来自直流电压部100a/100b的直流电力转换为三相的交流并输出给交流输出部104a。另外，电力转换器101b通过来自控制器105的运行指令107b将来自直流电压部100a/100b的直流电力转换为三相的交流并输出给交流输出部104b。
这里，关于电力转换器101a/101b，可以构成为从端子104a/104b输入交流电源，通过电力转换器101a/101b转换为直流并将直流电源提供给直流电压部100a/100b。或者还可以构成为，将电力转换器101a/101b中的一方从交流转换为直流，将电力转换器101a/101b中的另一方从直流转换为交流。
另外，对交流电源的转换可以作为固定的频率与电源系统连接，另外也可以作为可变频率提供给电动机等。
图2表示检测由劣化诊断部106执行的直流平滑用电容器103a/103b的劣化状态的流程图。电力转换器101a/101b在运转状态101中运算直流电压部100a/100b的共振频率(S102)。
关于该共振频率的运算首先说明大概的想法，之后详细说明具体的运算。图3表示对直流电压部100a/100b的电流进行频率解析的概要图。例如能够通过劣化诊断部106对电流传感器102的输出进行傅立叶转换的运算而得到频率解析。直流电压部100a/100b的电流中除了由各电力转换器101a/101b的运行模式决定的频率成分200a/200b、由各电力转换器101a/101b的载波频率决定的频率成分201a/201b，还包括被搭载于各电力转换器101a/101b上的直流平滑用电容器103a/103b之间的共振电流103的成分202。
由电力转换器101a/101b的运行模式以及载波频率决定的电流成分根据运行状态而发生变化，但是搭载于各电力转换器101a/101b上的直流平滑用电容器103a/103b的静电容量与由连接各电力转换器101a/101b的直流电压部100a/100b的寄生电感决定的共振电流的频率在较短期间内并不依赖于运行状态而是固定的。但是，当直流平滑用电容器103a/103b劣化且静电容量下降时，共振频率202向高的频率移动。
因此，解析各电力转换器101a/101b的运行状态108以及直流电压部100a/100b所涉及的电流113相关的检测信号109，并且与运送电力转换器时测量到的共振频率进行比较，由此能够检测直流平滑用电容器103a/103b的劣化状态。
进一步地，详细说明由劣化诊断部106执行的直流平滑用电容器103a/103b的劣化状态的检测。在图2所示的流程图中，当直流电压部100a/100b的共振频率超过预定值1时输出直流平滑用电容器103a/103b已劣化的警报S104a。这里，作为直流电压部100a/100b的共振频率，可以在通过过滤来截止低于以下示为fo的运送电力转换器时的直流电压部100a/100b的共振频率的频率后，与预定值1(与预定值2比较时也是同样的)进行比较。该警报被输出至例如图1所示的电力转换器101a/101b所具备的电动机等112a、112b。
在本实施例中，示出了将直流平滑用电容器103a/103b的劣化状态分割输出为2个阶段的情况。劣化状态1表示虽然直流平滑用电容器103a/103b的静电容量降低但是电力转换器101a/101b仍可继续运行的状态。劣化状态2表示电力转换器101a/101b稳定运行变得困难的状态。
这里将电力转换器101a/101b运送时的直流平滑用电容器103a/103b的静电容量设为C0，将劣化状态时的静电容量设为C1、C2(C1>C2)。通过以下数学式由连接电力转换器101a/101b间的母线或配线的寄生电感L和静电容量来表示直流电压部的共振频率。
[数学式1]
在将劣化状态第一阶段的静电容量从初始状态降低了5％的状态、劣化状态第二阶段的静电容量从初始状态降低了10％的状态设为预定值时，共振频率变化的预定值1为初始状态的1.026倍，预定值2为初始状态的1.054倍。假设将初始状态的静电容量设为2mF，将电力转换器101a/101b间的寄生电感设为500nH时，初始状态的共振频率为大约5kHz，在劣化状态1下的共振频率为大约5.2kHz(f1)，在劣化状态2下的共振频率为大约5.3kHz(f2)。
这里，例如可以从比初始状态下降了5％～15％的范围内选择劣化状态第一阶段(预定值1)的静电容量作为预定值，从比劣化状态第一阶段大且比初始状态降低了10％～20％的范围内选择劣化状态第二阶段(预定值2)的静电容量作为预定值。
输出警报后(S104b)，停止电力转换器101a/101b(S105)。这样在多个阶段输出劣化状态，由此能够使电力转换器101a/101b的运用者或维护负责人员识别出接近直流平滑用电容器103a/103b的更换时期。
这里，在继续电力转换器101a/101b的运行期间，通过固定或任意的时间间隔计算共振频率，逐个观测共振频率的迁移，由此能够检测直流平滑用电容器103a/103b的劣化状态。
这样，通过直流平滑用电容器103a/103b的劣化诊断部106解析该劣化状态，并作为直流平滑用电容器103a/103b的劣化信息110来进行输出。将该劣化信息显示在电力转换器101a/101b所具备的监视器112a或维护时与电力转换器连接的个人计算机等维护设备上，由此通知给维护作业人员。或者，通知给通过网络111连接的远程监视中心112b，由此可以继续保持电力转换器101a/101b的运行状态不变并观测直流平滑用电容器103a/103b的劣化状态。
在实施例1中，通过共振频率的运算进行直流平滑用电容器的劣化诊断，但是为了直流平滑用电容器的劣化诊断也可以基于相当于共振频率的其他要因来进行。
[实施例2]
图4a表示三相三电平转换器的例子，图5表示将实施例的对直流电压部电流进行频率解析的概略图。由半导体开关元件以及直流平滑用电容器303a/303c/303b/303d构成的2台电力转换器301a/301b与直流电压部300a/300b/300c连接。在本实施例中，在流过直流电压部正极侧300a的共振电流313a和直流电压部负极侧300b的共振电流313b双方的共同侧300c设置直流电压部的电流传感器302，将直流电压部的电流309赋予直流平滑用电容器的劣化诊断部106。由于在本实施例中有2个共振路径，因此出现相当于2个共振频率的频率峰值402a/402b。此外，由于一般构成为使电力转换器具有对象性，因此正极侧的共振频率与负极侧的共振频率大多大概一致，但是图5中以不同的共振频率来表现。
与实施例1同样地，可以继续保持各电力转换器301a/301b的运行状态不变而观测直流平滑用电容器303a/303c/303b/303d的劣化状态。
[实施例3]
图4b表示三相三电平转换器的其他实施例，图5表示对实施例的直流电压部电流进行频率解析的概略图。在本实施例中，设置分别观测直流电压部正极侧300a的共振电流313a和直流电压部负极侧300b的共振电流313b的电流传感器302a/302b。由于在本实施例中有2个共振路径，因此出现相当于2个共振频率的频率峰值402a/402b。此外，由于一般构成为使电力转换器具有对象性，因此正极侧的共振频率与负极侧的共振频率大多大概一致，但是图5中以不同的共振频率来表现。
与实施例1同样地，可以保持各转换器的运行状态不变而观测直流平滑用电容器的劣化状态。
[实施例4]
图6表示三相两电平转换器的其他实施例。在本实施例中，使用直流平滑用电容器的电压传感器502a/502b的信号509，根据各电压传感器的电位差来推定直流电压部的电流。在计算出直流电压部的电流后，与实施例1同样地，观测流过直流电压部的共振电流，并检测直流平滑用电容器的劣化状态。
[实施例5]
图7表示三相三电平转换器的其他实施例。与本实施例3同样地，根据直流平滑用电容器303a/303c/303b/303d的电压传感器602a/602c/602b/602d的信号609来推定直流电压部的电流。直流电压部正极侧300a的电流根据电压传感器602a以及电压传感器602b的电位差来推定，直流电压部负极侧300b的电流根据电压传感器602c以及电压传感器602d的电位差来推定。在计算出直流电压部300a/300b/300c的电流后，与实施例2同样地，观测流过直流电压部的共振电流的频率峰值402a/402b，并检测直流平滑用电容器的劣化状态。
[实施例6]
图8表示三相三电平转换器的其他实施例。与本实施例4以及实施例5同样地，根据直流平滑用电容器303a/303c/303b/303d的电压传感器702a/702b的信号709来推定直流电压部的电流。在本实施例中使用对直流电压部303a/303b/303c的正极-负极间进行了总括的电压传感器来推定对直流电压部正极侧300a以及负极侧300b合并后得到的电流。在计算出直流电压部300a/300b/300c的电流后，与实施例2同样地，观测流过直流电压部300a/300b/300c的共振电流的频率峰值402a/402b，并检测直流平滑用电容器的劣化状态。

Claims (12)

1.一种电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置具有将电力从交流转换为直流或从直流转换为交流的多个电力转换器，上述多个电力转换器与共通的直流电压部连接，上述多个电力转换器分别具有平滑电容器，上述电力转换装置具有通过解析从上述多个电力转换器中的任意一个平滑电容器流入其他电力转换器的平滑电容器的电流来检测上述平滑电容器的劣化状态的功能。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述解析的电流是通过电流传感器对连接各电力转换器间的直流电压部的电流进行检测而被推定的。
3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置具有测量搭载于各电力转换装器上的平滑电容器的电压的电压传感器，根据上述电压传感器的检测来推定上述解析的电流。
4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
上述直流电压部具有至少2个共通的端子，上述电力转换器与上述至少2个共通的直流电压部连接并具有测量上述电力转换器的正极-负极间的电压的电压传感器，根据上述电压传感器的检测来推定上述解析的电流。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置具有对上述直流电压部的电流进行频率解析的运算部，根据上述运算来检测上述平滑电容器的劣化状态。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于，
将检测出的搭载于上述电力转换器的平滑电容器的劣化状态显示在搭载于电压转换器盘的监视器上。
7.根据权利要求1～5中的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于，
通过将维护设备与电力转换器的控制盘连接，由此对检测出的搭载于上述电力转换器的平滑电容器的劣化状态进行观测。
8.根据权利要求1～5中的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于，
经由用于远程观测的网络线路对检测出的搭载于上述电力转换器的平滑电容器的劣化状态进行发送。
9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于，
在电力转换器正在运行中的状态下检测搭载于上述电力转换器的平滑电容器的劣化状态。
10.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
在成为第一阶段的劣化状态时输出警报，在成为比上述第一阶段更进一步的劣化状态即第二阶段劣化状态时输出警告度比上述第一阶段更高的警报。
11.根据权利要求10所述的电力转换装置，其特征在于，
上述第一阶段劣化状态以及上述第二阶段劣化状态作为上述电流中包括的频率成分而被得到。
12.一种电力转换装置的诊断方法，其诊断电力转换装置，该电力转换装置具有将电力从交流转换为直流或从直流转换为交流的多个电力转换器，上述多个电力转换器与共通的直流电压部连接，上述多个电力转换器分别具有平滑电容器，该诊断方法的特征在于，
检测从上述多个电力转换器中的任意一个平滑电容器流入其他电力转换器的平滑电容器的电流，并解析检测出的上述电流，由此检测上述平滑电容器的劣化状态。
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