CN110174555A - 基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法 - Google Patents

基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，包括以下步骤：步骤1：将实际多工况运行数据转换为牵引负载；步骤2：获取电容器电压和电流纹波信号；步骤3：计算支撑电容的热点温度；步骤4：计算牵引传动系统支撑电容运行一次不同时刻的寿命期望得到寿命损失曲线和系统一次运行的寿命损失值；本发明考虑了牵引传动系统多工况运行的动态变化对于支撑电容的影响，可有效分析支撑电容在不同工况运行条件下的热点温度和寿命损耗情况，寿命估计更加精确。

Description

基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法
技术领域
本发明涉及电力电子器件的可靠性评估技术领域，具体涉及一种基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法。
背景技术
无源元件需要十多年甚至几十年的系统集成后的运行周期意味着应在器件布局开始时就仔细考虑和设计器件的寿命和故障率。电容器被认为是电力电子系统中最脆弱的部件之一，电容器的可靠性日益成为一个值得关注的问题。在牵引传动系统中，直流环节电容器主要起到储能和滤波的作用，因此直流环节电容器的可靠性与牵引系统的安全性和性能息息相关。
近年来，提出了一些支撑电容的可靠性评估方法。王怀，F.Blaabjerg分析了适用于支撑电容寿命评估的数学模型，并给出了支撑电容的失效判定。孙博，范学军等人提出了一种降解电解电容的方法，电热应力与电容器的老化有关。王浩然，P.Davari等人提出了一种考虑到频率和电网电压不平衡影响的电容器寿命估算方法，并通过基于自然增长影响模型的任务剖面建立了电容的长期累积损耗模型。周道等人提出了并网二极管整流电路拓扑结构中的电容可靠性评估方法，考虑了退化过程中ESR增长和电容减少的非线性过程。
而目前提出的支撑电容的可靠性评估方法仅针对于系统在稳定状态下进行评估，而牵引传动系统在不同工况运行条件下，工况切换也会对系统产生一定的瞬时影响。
发明内容
本发明公开了一种精确的高、针对多工况运行条件的基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法。
本发明采用的技术方案是：基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，包括以下步骤：
步骤1：将实际多工况运行数据转换为牵引负载，反馈给牵引传动系统电机，从而搭建基于多工况运行状态的牵引传动仿真测试平台；
步骤2：基于牵引传动仿真测试平台获取电容器电压和电流纹波信号；
步骤3：支撑电容的热点温度为：
其中：Th为支撑电容热点温度，Ta为环境温度，Rha为等效热阻，ESR(fi)为频率fi处支撑电容的等效电阻，Irms(fi)为频率fi处波纹电流的均方根值；i为频率点序号，n为常数；
通过滑动窗口对Irms(fi)进行求解，建立ESR(fi)与温度和频率的映射关系；将其带入式(1)即可得到实际热点温度；
步骤4：计算牵引传动系统支撑电容运行一次不同时刻的寿命期望L：
式中：L0为额定寿命，V为实际电容器电压，V0为额定电容器电压，T0为额定温度，Th为步骤2得到的实际热点温度，n和p均为常数；
将L折算为单位时间损耗量，求和得到寿命损失曲线和系统一次运行的寿命损失值，即完成牵引传动系统支撑电容器寿命估算。
进一步的，所述步骤1中将实际多工况运行数据转换为牵引负载过程如下：
F＝Fz+Fr+Fs (3)
式中：F为牵引传动系统的总阻力，Fz为基本阻力，Fr为曲线阻力，Fs为坡道阻力。
进一步的，所述步骤2中通过滑动窗口对Irms(fi)进行求解过程如下：
对Irms(fi)进行分段求解
式中：H(fi,hk)为频率为fi处第k组Irms(fi)的谐波与第k组基波IDC(hk)之比；hk为第k组谐波量；
通过滑动窗口的方法，分组模块分别左右移动n个单位，得到平均值：
式中：m为第m次平移，H(fi,h(k，m))为第m次平移下的频率为fi处第k组Irms(fi)的谐波与第k组基波IDC(h(k，m))之比。
进一步的，还包括以下步骤：
通过实验得到不同时间的电容容值Ccap和电容等效电阻ESR；
对Ccap和ESR进行拟合，得到Ccap和ESR随电容运行时间变化的曲线；
根据Ccap和ESR及其变化曲线根据设定阈值判断电容损耗程度。
进一步的，依次对不同容值和等效电阻对应的电容寿命期望进行求解，得到不同电容损耗水平下的电容寿命估计；提出当电容损失超过设定阈值的稳定操作的寿命。
进一步的，所述步骤2中通过神经网络建立ESR(fi)与温度和频率的映射关系。
本发明的有益效果是：
(1)本发明与现有技术相比考虑了牵引传动系统多工况运行的动态变化对于支撑电容的影响；
(2)本发明与现有技术相比寿命估计更加精确；
(3)本发明可有效分析支撑电容在不同工况运行条件下的热点温度和寿命损耗情况。
附图说明
图1为本发明实施例采用的CRH系列动车组车载牵引传动系统示意图。
图2为本发明实施例中支撑电容点参数采集系统示意图。
图3为本发明实施例中支撑电容电流均方根Irms的测试信号。
图4为本发明实施例中支撑电容电压Vcap的测试信号。
图5为本发明实施例中支撑电容等效电阻的变化拟合图。
图6为本发明实施例中支撑电容热点温度的变化规律图。
图7为本发明实施例中不同时刻支撑电容寿命期望图。
图8为本发明实施例中不同时刻支撑电容寿命损耗图。
图9为本发明实施例中支撑电容容值和等效电阻ESR的变化拟合图。
图10为本发明实施例中支撑电容在投入运行开始和90％损失后的热点温度对比图。
图11为本发明实施例中支撑电容在投入运行开始和905损失后的寿命损耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，包括以下步骤：
步骤1：将实际多工况运行数据转换为牵引负载，反馈给牵引传动系统电机，从而搭建基于多工况运行状态的牵引传动仿真测试平台；
F＝Fz+Fr+Fs
式中：F为牵引传动系统的总阻力，Fz为基本阻力，Fr为曲线阻力，Fs为坡道阻力。
需要收集系统多工况运行数据，将速度、半径、坡度等实际参数折算到牵引电机转矩。
步骤2：基于牵引传动仿真测试平台获取电容器电压和电流纹波信号；
建立系统多工况运行的支撑电容电参数采集模型，获得电容器电压和电流纹波信号。在搭建现有的交直交牵引传动系统基础上，将多工况运行数据折算的牵引电机转矩反馈到牵引电机模块，同时采集中间直流环节中支撑电容的均方根值和电压的离散信号。
步骤3：将滑动窗口分组与神经网络相结合的离散傅里叶分析方法用于分析热点温度的动态变化。
支撑电容的热点温度为：
其中：Th为支撑电容热点温度，Ta为环境温度，Rha为等效热阻，ESR(fi)为频率fi处支撑电容的等效电阻，Irms(fi)为频率fi处波纹电流的均方根值；i为频率点序号，n为常数。
为了表征系统多工况运行的影响，对Irms(fi)进行分段求解
式中：H(fi,hk)为频率为fi处第k组Irms(fi)的谐波与第k组基波IDC(hk)之比；hk为第k组谐波量；k为分组数，其取值与牵引传动系统的运行周期有关，为了确保精度，通常1分钟左右为一段进行分组；同时频率fi取1至10kHz左右；
由于电容器电流在系统状态的短时间内发生一定的时间变化，因此只有一个数据包具有较大的误差；通过滑动窗口的方法，分组模块分别左右移动n个单位，总计2n+1个单位，得到平均值：
式中：m为第m次平移，H(fi,h(k，m))为第m次平移下的频率为fi处第k组Irms(fi)的谐波与第k组基波IDC(h(k，m))之比。
支撑电容的等效电阻ESR是关于温度和频率的复杂函数，变化规律是非线性的；通过一个神经网络结构建立温度和频率对应于ESR映射关系，其输入层是温度和频率，输出层是等效电阻。
步骤4：通过单次运行寿命损耗量的计算对牵引传动系统支撑电容进行寿命估计。
计算牵引传动系统支撑电容运行一次不同时刻的寿命期望L：
式中：L0为额定寿命，V为实际电容器电压，V0为额定电容器电压，T0为额定温度，Th为步骤2得到的实际热点温度，n和p均为常数，其为经验系数。
为了在系统一次运行中表征系统的整体寿命，对一次运行的不同时段的寿命期望值取倒数折算为单位时间的损耗量，并进行求和得到寿命损失曲线和系统一次运行的寿命损失值。初步评估多工况运行下的牵引传动系统支撑电容在一定运行条件的寿命估计。
在上述寿命估计的基础上，还可通过支撑电容的老化机理分析电容器损耗程度。
在系统运行期间，电容器逐渐恶化。铝电解电容器的典型寿命终止标准是将电容降低20％以上，并使ESR增加一倍。薄膜电容器的典型寿命终止标准是将电容降低5％以上，并使ESR增加两倍。
通过建立用于测试直流环节电容器电容和等效电阻的加速老化实验平台。对电容器进行了测试，并对电容和等效电阻的变化进行了统计分析。通过对实际测量过程中不同时间的电容容值Ccap和电容等效电阻ESR的数据进行记录。将从实验中获得不同时间的电容该数据进行拟合，得到了电容容值Ccap和电容等效电阻随电容运行时间变化的变化曲线。把其电容容值和等效电阻的变化作为判断电容的损耗程度的依据。
在上述寿命估计的基础上，考虑系统的安全运行，综合的对多工况运行条件下支撑电容器的寿命进行评估。
由于牵引传动系统属于闭环系统，其运行器件在不同参数下运行具有一定的鲁棒性；根据上述加速老化实验结果，电容在运行过程中会存在老化，其电容的容值和等效电阻会发生变化。考虑到系统的安全运行，对不同电容损失下的电容运行状态进行定量的监测，需要对当电容损失超过一定比例下的不稳定运行的寿命进行筛除。不稳定运行的状态根据步骤3和步骤4电容的热点温度和寿命损耗结果进行判定。
比如可以设定，当电容热点温度Th在系统一次运行中多次超过电容的额定最高温度105℃(大于3次)，寿命期望在系统一次运行中多次达到10-5以上(大于3次)。满足其中一个条件，即可以判定系统处于不稳定运行状态。在步骤4评估的基础上，考虑电容器损耗程度的分析和系统是否稳定运行的判定，在寿命初步评估基础上，减去系统不稳定运行对应电容损耗程度的运行时间，得到合理的寿命评估结果。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明。
支撑电容的电参数采集模型设定编程环境为MATLAB/Simulink，编程语言为MATLAT/Simulink自身的C语言，支撑电容寿命评估算法的编程环境为PYTHON，编程语言为PYTHON语言。
以高速铁路中CRH3系列两电平动车组牵引传动系统(如图1所示)的支撑电容为例，包括将实际的多工况运行数据转换为牵引负载的计算，建立支撑电容电参数采集模型(如图2所示)。并获得电容器电压和电流纹波信号。将滑动窗口分组与神经网络相结合的离散傅里叶分析方法用于分析热点温度的动态，并通过使用牛顿冷却定律对现在的支撑电容寿命评估模型进行优化。通过支撑电容的老化机理分析电容器损耗程度，并考虑系统的安全运行，综合的对多工况运行条件下支撑电容器的寿命进行评估。
步骤1：将实际多工况运行数据转换为牵引负载；
根据收集的高速铁路中CRH系列两电平动车组多工况运行数据，其牵引力F和速度v的关系式为：
而CRH3型高速列车的总阻力F可以表示为基本阻力Fz、坡道阻力Fs，曲线阻力Fr之和：
F＝Fz+Fr+Fs
CRH3型高速列车的基本阻力公式为：
Fz＝(7.75+0.062367v+0.00113v2)×M
其中，M为高速列车牵引质量，v为高速列车运行的速度。
坡道阻力计算公式为：
式中，g为重力加速度常数取9.8m/s2，S为坡度(‰)。
曲线阻力的计算公式为：
其中，R为曲线半径。
高速列车运行速度与牵引电机转速间的转换公式：
其中d为高速列车轮径(m)，n为牵引电机转速(r/min)，a为齿轮传动比，np为牵引电机极对数，π取3.1415926。
高速列车牵引力与牵引电机转矩间转换公式为：
式中，Te为一台牵引电机输出转矩(N·m)，N为牵引电机总数，ηc为齿轮传动效率。
根据上述计算，将高速列车运行的速度、半径、坡度等实际参数以离散数据点的形式分别折算到牵引电机转矩。
步骤2：获取电容器电压和电流纹波信号；
建立支撑电容电参数采集模型，并获得电容器电压和电流纹波信号。搭建交直交牵引传动系统，包括牵引变压器、整流器、中间直流环节、逆变器、牵引电机等模块，主要参数如表1所示，主电路示意图如图1所以。
表1.牵引传动系统主要参数
同时将步骤1根据多工况运行数据折算的牵引电机转矩反馈到牵引电机模块，同时采集中间直流环节中支撑电容的电流的均方根值和电压参数，示意图如图2所示。直流环节中支撑电容的电参数采集结果如图3、图4所示，其中支撑电容的电流的均方根值和电压的变化说明了工况切换时会对电容的工作产生一定的影响。
步骤3：将滑动窗口分组与神经网络相结合的离散傅里叶分析方法用于分析热点温度的动态。
支撑电容的热点温度可以表示为：
其中：Th为支撑电容热点温度，Ta为环境温度，Rha为等效热阻，ESR(fi)为频率fi处支持电容的等效电阻，Irms(fi)为频率fi处波纹电流的均方根值；i为频率点序号，n为常数；
为了表征系统多工况运行的影响，对为了表征系统多工况运行的影响，对Irms(fi)进行分段求解
式中：H(fi,hk)为频率为fi处第k组Irms(fi)的谐波与第k组基波IDC(hk)之比；hk为第k组谐波量；k为分组数，其取值与牵引传动系统的运行周期有关，为了确保精度，通常1分钟左右为一段进行分组；同时频率fi取1至10kHz左右；
由于电容器电流在系统状态的短时间内发生一定的时间变化，因此只有一个数据包具有较大的误差；通过滑动窗口的方法，分组模块分别左右移动n个单位，总计2n+1个单位，得到平均值：
式中：m为第m次平移，H(fi,h(k，m))为第m次平移下的频率为fi处第k组Irms(fi)的谐波与第k组基波IDC(h(k，m))之比。
支撑电容的等效电阻ESR是关于温度和频率的复杂函数，变化规律是非线性的；通过一个神经网络结构建立温度和频率对应于ESR映射关系，其输入层是温度和频率，输出层是等效电阻。拟合结果如图5所示，可以发现支撑电容的等效电阻ESR会随着温度和频率的变化而发生改变，其中频率对于等效电阻ESR的影响大于温度对其的影响。
将ESR(fi)和Irms(fi)的数据带入式(2)获得温度分布，如图6所示，从上到下，该图表示原始计算的热点温度和使用滑动窗口的热点温度。从图中可以看出，当牵引传动系统支撑电容的热点温度不断变化，高温点也证实了工况变化的影响。同时引入滑动窗口法可以使温度变化更加稳定，更接近实际运行。
步骤4：计算牵引传动系统支撑电容运行一次不同时刻的寿命期望L：
将步骤3计算得到的热点温度，V和制造商的额定数据代入上式得到运行一次不同时刻的寿命期望。如图7所示，其中可以看出，在列车正常运行的时间区间，寿命期望值较高，而在工况切换时，寿命期望值会有明显的降低趋势，说明多工况运行对于支撑电容寿命的影响不可以忽视。
为了在系统一次运行中表征系统的整体寿命，对一次运行的不同时段的寿命期望取倒数折算为单位时间的损耗量。并进行求和得到寿命损失曲线和系统一次运行的寿命损失值。从而初步评估多工况运行下的牵引传动系统支撑电容在一定运行条件的寿命估计。如图8所示，其中可以看出，在列车正常运行的时间区间，寿命损失值较低，而在工况切换时，寿命损失值会有明显的增大趋势，在该系统中电容损耗为0.01642％，因此电容器可以运行6090.27次，相当于31973.91小时的寿命。
通过支撑电容的老化机理分析电容器损耗程度。
在系统运行期间，电容器逐渐恶化，铝电解电容器的典型寿命终止标准是将电容降低20％以上，并使ESR增加一倍。薄膜电容器的典型寿命终止标准是将电容降低至5％以上，并使ESR增加两倍。
搭建一套用于测试直流环节电容器电容和等效电阻的加速老化实验平台，对电容器进行测试，对电容和等效电阻的变化进行统计分析。
高低温测试箱用于为电容器设置恒温恒湿测试环境，负载阻抗由可编程电子负载改变，以模拟实际工作条件的变化。通过对实际测量过程中不同时间的电容容值Ccap和电容等效电阻ESR的数据进行记录。从实验中获得不同时间的电容数据进行拟合，得到了电容容值Ccap和电容等效电阻随着电容运行时间变化的变化曲线，把其电容容值和等效电阻的变化作为判断电容的损耗程度的依据。例如0.2损耗程度对应电容运行周期达到20％时的电容容值和等效电阻，如图9所示，其中可以看出随着电容损耗程度的提高，其电容容值会越来越低，其等效电阻ESR会越来越大，直到达到寿命终止标准。
进一步的为了考虑系统的安全运行，综合的对多工况运行条件下支撑电容器的寿命进行评估。根据上述加速老化实验平台可以得到电容在不同损耗程度下的电容容值Ccap和等效电阻ESR，根据步骤1到步骤4依次对不同容值和等效电阻对应的电容寿命期望进行求解。从而得到在不同的电容损耗水平下的电容器寿命估计，如表2所示。可以发现当电容损失超过90％时，单次运行的寿命损失急剧增加，对于该参数下的电容容值和等效电阻ESR进行步骤3和步骤4的热点温度和寿命损失计算，并与电容开始使用的参数对比，如图10和图11所示。可以看出当电容损失超过90％时热点温度急剧增加，已经超过了电容的额定温度(约105℃)。考虑到系统的安全运行，剔除了当电容损失超过90％时不稳定操作的寿命。最后，可以估计电容器的寿命约为27177.86小时，相当于12.62年的寿命，基本相当于12年的强制更换期。其评估结果可为复杂工况下牵引传动系统中直流母线电容的可靠性评估提供一定的参考。
表2
本发明针对现有技术存在的问题提出的一种针对多工况运行的牵引传动系统支撑电容评估方法，可在牵引传动系统多工况运行条件下提供较为精确的寿命估计。将实际工况和运行数据转换为牵引负载，建立支撑电容电参数采集模型，并获得电容器电压和电流纹波信号。采用DFT(离散傅里叶)分析和神经网络方法求解电容器热点温度，引入滑动窗口进行优化。还可以通过加速老化试验分析电容损耗规律与等效电阻ESR和电容容值变化的关系，考虑安全运行给出了合理的寿命估计。

Claims (6)

1.一种基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将实际多工况运行数据转换为牵引负载，反馈给牵引传动系统电机，搭建基于多工况运行状态的牵引传动仿真测试平台；
步骤2：基于牵引传动仿真测试平台获取电容器电压和电流纹波信号；
步骤3：支撑电容的热点温度为：
其中：Th为支撑电容热点温度，Ta为环境温度，Rha为等效热阻，ESR(fi)为频率fi处支撑电容的等效电阻，Irms(fi)为频率fi处波纹电流的均方根值；i为频率点序号，n为常数；
通过滑动窗口对Irms(fi)进行求解，建立ESR(fi)与温度和频率的映射关系；将其带入式(1)即可得到实际热点温度；
步骤4：计算牵引传动系统支撑电容运行一次不同时刻的寿命期望L：
式中：L0为额定寿命，V为实际电容器电压，V0为额定电容器电压，T0为额定温度，Th为步骤2得到的实际热点温度，n和p均为常数；
将L折算为单位时间损耗量，求和得到寿命损失曲线和系统一次运行的寿命损失值，即完成牵引传动系统支撑电容器寿命估算。
2.根据权利要求1所述的一种基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，其特征在于，所述步骤1中将实际多工况运行数据转换为牵引负载过程如下：
F＝Fz+Fr+Fs (3)
式中：F为牵引传动系统的总阻力，Fz为基本阻力，Fr为曲线阻力，Fs为坡道阻力。
3.根据权利要求1所述的一种基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，其特征在于，所述步骤2中通过滑动窗口对Irms(fi)进行求解过程如下：
对Irms(fi)进行分段求解
式中：H(fi,hk)为频率为fi处第k组Irms(fi)的谐波与第k组基波IDC(hk)之比；hk为第k组谐波量；
通过滑动窗口的方法，分组模块分别左右移动n个单位，得到平均值：
式中：m为第m次平移，H(fi,h(k，m))为第m次平移下的频率为fi处第k组Irms(fi)的谐波与第k组基波IDC(h(k，m))之比。
4.根据权利要求1所述的一种基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过实验得到不同时间的电容容值Ccap和电容等效电阻ESR；
对Ccap和ESR进行拟合，得到Ccap和ESR随电容运行时间变化的曲线；
根据Ccap和ESR及其变化曲线根据设定阈值判断电容损耗程度。
5.根据权利要求4所述的一种基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，其特征在于，依次对不同容值和等效电阻对应的电容寿命期望进行求解，得到不同电容损耗水平下的电容寿命估计；提出当电容损失超过设定阈值的稳定操作的寿命。
6.根据权利要求1所述的一种基于多工况运行的牵引传动系统支撑电容器寿命估算方法，其特征在于，所述步骤2中通过神经网络建立ESR(fi)与温度和频率的映射关系。
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