CN110470934B - 牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电容器状态监测技术领域，提供了牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法，电路包括：电源模块、阻抗模块、整流模块、RC谐波模块及逆变器；方法包括：计算整流模块输出电流和逆变器输入电流；计算电容电流；得到电容阻抗表达式；得到电容电流表达式；将电容电流进行微分；将得到电容电流积分；选择不同的带通滤波器，提取电压电流分量，求解电容器电阻ESR和电容C。本发明解决了难以添加直流侧电容电流传感器的问题，同时实时监测电容器两个老化特征参数电阻ESR和电容C。

Description

牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法
技术领域
本发明涉及电容器状态监测技术领域，具体涉及牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法。
背景技术
电容器广泛应用在电力电子系统中，并伴随着高失效率，给系统的健康稳定运行带来风险。在轨道交通牵引传动系统中，电容器作为直流侧支撑电容，起到滤波和平衡功率差的作用，其可靠性关系到整个系统的健康运行，因此对直流侧支撑电容进行状态监测至关重要。
电解电容器等效电路模型如图1所示，在电容器老化的过程中电容值C和等效串联电阻ESR变化最为明显，因此选择这两个参数作为评估电容器退化的指标。
目前，针对电容器状态监测方法中有基于电流传感器的状态监测方法、信号注入法和基于先进算法的电容器状态监测等方法，基于电流传感器的状态监测方法是通过提取直流侧电容电流进行电容电阻ESR的计算，此种方法虽然适用于仿真分析，但是在实验中难以添加直流侧电容电流传感器；信号注入法将信号注入在SVPWM三电平逆变器的控制信号中，通过注入的低频信号和三相输入的电流d轴、q轴信号合成SVPWM调制，此种方法引入注入信号会造成系统的谐波增大；基于先进算法的电容器状态监测等方法，是通过人工神经网络和支持向量机等先进算法对监测的数据进行分析得出特征值，此种方法需要大量数据进行学习，增加了算法的复杂度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法，解决了难以添加直流侧电容电流传感器的问题，并可实时监测电容器退化的两个性能参数电阻ESR和电容C。
牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路，包括电源模块、阻抗模块、整流模块、RC谐波模块及逆变器；
所述电源模块的公共端接地，所述电源模块的输出端连接阻抗模块的输入端，所述阻抗模块的输出端连接整流模块，所述整流模块的输出端分别连接RC谐波模块的输入端和逆变器的输入端，所述RC谐波模块与所述逆变器并联，所述逆变器的输出端连接三相异步电动机。
进一步地，所述电源模块为三相交流电源。
进一步地，所述阻抗模块包括三个电感应线圈，三个感应线圈的一端分别与所述三相交流电源的a相、b相和c相连接，三个感应线圈的另一端与所述整流模块的输入端连接。
进一步地，所述整流模块为三相桥式整流器，三相桥式整流器的每一个输入端分别与所述感应线圈的输出端连接，三相桥式整流器的输出端与所述RC谐波模块的输入端和三电平逆变器的输入端连接。
进一步地，所述RC谐波模块包括电容和电阻，电容和电阻串联，电容的一端分别所述三相桥式整流器的正向输出端和三电平逆变器的正向输入端连接，电阻的一端分别与所述三相桥式整流器的负向输出端、三电平逆变器的负向输入端连接。
进一步地，所述逆变器为三电平逆变器，三电平逆变器的每一个输出端分别与所述三相异步电动机的a、b、c相连接。
进一步地，所述逆变器还包括控制模块，所述控制模块将三相电流坐标系变换成d轴和q轴电流，d轴和q轴电流分别与d轴和q轴的指令值相减，经过PI调节环转换成d轴和q轴电压，进行SVPWM调制输出开关信号。
牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测方法，包括以下步骤：
S01：根据每一个电感应线圈的输出电流ias，ibs和ics计算整流模块的输出电流iin；根据逆变器的输出电流iam，ibm和icm计算逆变器的输入端电流iout；
S02：计算电容电流ic，ic＝iin-iout；
S03：根据电容在不同频段的阻抗特性，得到电容器阻抗Z的表达式：
Figure GDA0003422109710000031
ESR为电容在中频段时，电容阻抗的近似值；
Figure GDA0003422109710000032
为电容在低频段时，电容阻抗的近似值；ωL为电容在高频段时，电容阻抗的近似值；
S04：根据电容阻抗特性可知，在低频条件下电容器的电容模型可近似为电容和ESR串联，电容器两端的电压Vdc为电容电压VC和ESR电压VESR之和，即Vdc＝VC+VESR，得到电容电流
Figure GDA0003422109710000033
S05：将S04中得到电容电流结果进行微分，得到
Figure GDA0003422109710000034
其中，
Figure GDA0003422109710000035
S06：将
Figure GDA0003422109710000038
代入
Figure GDA0003422109710000039
积分得到
Figure GDA0003422109710000037
S07：选择低频段中两个不同截止频率的带通滤波器，提取不同频率的电压电流分量，得到关于电容器电阻ESR和电容C的方程，求解电容器电阻ESR和电容C的值；
其中，牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路，包括电源模块、阻抗模块、整流模块、RC谐波模块及逆变器；
电源模块的公共端接地，电源模块的输出端连接阻抗模块的输入端，阻抗模块的输出端连接整流模块，整流模块的输出端分别连接RC谐波模块的输入端和逆变器的输入端，RC谐波模块与逆变器并联，逆变器的输出端连接三相异步电动机；
阻抗模块包括三个电感应线圈，三个感应线圈的一端分别与三相交流电源的a相、b相和c相连接，三个感应线圈的输出电流ias，ibs和ics流入整流模块。
进一步地，所述S01中整流模块的输出电流iin的计算步骤包括：
S0101：判断每一个电感应线圈的输出电流ias，ibs和ics是否大于0，如果ias，ibs和ics大于0执行S0102；如果ias，ibs和ics小于零，执行S0103；
S0102：将电流ias1，ibs1和ics1分别赋值为ias，ibs和ics，执行S0104；
S0103：将电流ias1，ibs1和ics1分别赋值为0；
S0104：整流模块的输出电流iin＝ias1+ibs1+ics1。
进一步地，所述S01中逆变器的输入端电流iout的计算步骤包括：
S0105：根据逆变器相桥臂的上管和下管的导通状态判断状态标记SA的值，当上管导通，下管关断时，SA＝1；当上管关段，下管导通时，SA＝0，
S0106：计算逆变器的输入端电流iout，iout＝SA×iam+SB×ibm+SC×icm。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果：通过整流模块和三相负载电流以及电源电流可以计算出直流侧电容电流的大小，解决了现实中难以添加直流侧电容电流传感器的问题。在计算出直流侧电容电流的基础上，无需添加外部电路或注入信号，通过对电容电流进行积分，计算得出电容器电阻ESR和电容C的大小，实时监测电容器状态的两个老化特征值电阻ESR和电容C。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例提供的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法的电解电容器等效电路图；
图2为本发明一实施例提供的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法的电路图；
图3为图2所示的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法控制模块电路图；
图4为图2所示的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法的电容阻抗特性图；
图5为图2所示的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法计算电容器电阻ESR和电容C的流程图；
图6为图2所示的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路及方法的计算电流iin流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参阅图2-3所示，牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路，包括电源模块、阻抗模块、整流模块、RC谐波模块及逆变器；
电源模块的公共端接地，电源模块的输出端连接阻抗模块的输入端，阻抗模块的输出端连接整流模块，整流模块的输出端分别连接RC谐波模块的输入端和逆变器的输入端，RC谐波模块与逆变器并联，逆变器的输出端连接三相异步电动机。
在实际使用中，电源模块的三相输出电流流经阻抗模块，阻抗模块的输出电流ias，ibs和ics进入整流模块，经过整流模块的作用由交流电流变成直流电流iin，直流电流iin分别流入RC谐波模块和逆变器的输入端，RC谐波模块的输入电流为iC，逆变器的输入电流为iout，RC谐波模块与逆变器并联，直流电流iin经过逆变器输出三相电流iam，iam和icm，三相电流iam，iam和icm流入三相异步电动机的输入端。
本实施例中，电源模块为三相交流电源。
本实施例中，阻抗模块包括三个电感应线圈，三个感应线圈的一端分别与三相交流电源的a相、b相和c相连接，三个感应线圈的输出电流ias，ibs和ics流入整流模块。
本实施例中，整流模块为三相桥式整流器，三相桥式整流器的每一个输入端分别与每一个感应线圈的输出端连接，三相桥式整流器的输出电流iin流入RC谐波模块和三电平逆变器的输入端。
本实施例中，RC谐波模块包括电容和电阻，电容和电阻串联，电容的一端分别三相桥式整流器的正向输出端和三电平逆变器的正向输入端连接，电阻的一端分别与三相桥式整流器的负向输出端、三电平逆变器的负向输入端连接。
本实施例中，逆变器为三电平逆变器，三电平逆变器输出的三相电流iam，iam和icm分别流入三相异步电动机的a、b、c相输入端。
本实施例中，三电平逆变器还包括控制模块，控制模块将三相电流iam，iam和icm变换成d轴和q轴电流Id和Iq，d轴和q轴电流Id和Iq分别与d轴和q轴的指令值1/Lmψ*和
Figure GDA0003422109710000062
相减，经过PI调节环转换成d轴和q轴电压Vd和Vq，进行SVPWM调制输出开关信号，其中，ψ*为磁链信号，
Figure GDA0003422109710000061
为磁链信号励磁电感。
在实际运行中，通过整流模块的输出电流iin和逆变器的输入电流iout计算出直流侧电容电流ic的大小，解决了现实中难以添加直流侧电容电流传感器的问题。无需添加外部电路或注入信号，进行SVPWM调制输出开关信号，实现对逆变器的控制。
参阅图2-5所示，牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测方法，包括以下步骤：
S01：根据每一个电感应线圈的输出电流ias，ibs和ics计算整流模块的输出电流iin；根据三电平逆变器的输出电流iam，ibm和icm计算三电平逆变器的输入端电流iout；
S02：计算电容电流ic，ic＝iin-iout；
S03：根据电容在不同频段的阻抗特性，在低频段电容起主要作用，阻抗可近似为
Figure GDA0003422109710000071
在中频段，电容的等效串联电阻起主要作用，阻抗可近似为RESR；在电容的高频段，主要是电感起作用，阻抗可近似为ωL，得到电容阻抗Z的表达式：
Figure GDA0003422109710000072
S04：根据电容阻抗特性可知，在低频条件下电容器的电容模型可近似为电容和ESR串联，电容器两端的电压Vdc为电容电压VC和ESR电压VESR之和，即Vdc＝VC+VESR，得到电容电流
Figure GDA0003422109710000073
S05：将S04中得到电容电流结果进行微分，得到
Figure GDA0003422109710000074
其中，
Figure GDA0003422109710000075
S06：将
Figure GDA0003422109710000076
代入
Figure GDA0003422109710000077
积分得到
Figure GDA0003422109710000078
S07：选择低频段中归一化频率范围为0.05-0.08、0.35-0.38(′prad/sample)的带通滤波器，对滤波后的电容电流进行积分，根据公式
Figure GDA0003422109710000079
进行电容器电阻ESR和电容C的计算，其中，牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路，包括电源模块、阻抗模块、整流模块、RC谐波模块及逆变器。
电源模块的公共端接地，电源模块的输出端连接阻抗模块的输入端，阻抗模块的输出端连接整流模块，整流模块的输出端分别连接RC谐波模块的输入端和逆变器的输入端，RC谐波模块与逆变器并联，逆变器的输出端连接三相异步电动机；
阻抗模块包括三个电感应线圈，三个感应线圈的一端分别与三相交流电源的a相、b相和c相连接，三个感应线圈的输出电流ias，ibs和ics流入整流模块。计算结果表1所示：
Figure GDA0003422109710000081
表1电容ESR和C计算表
由计算结果可以看出，在实际运行中，本发明提出的电容状态监测方法可以同时监测电容器电阻ESR和电容C的两个老化特征参数，且计算误差均小于1％。
参阅图6所示，S01中整流模块的输出电流iin的计算步骤包括：
S0101：判断每一个电感应线圈的输出电流ias，ibs和ics是否大于0，如果ias，ibs和ics大于0执行S0102；如果ias，ibs和ics小于零，执行S0103；
S0102：将电流ias1，ibs1和ics1分别赋值为ias，ibs和ics，执行S0104；
S0103：将电流ias1，ibs1和ics1分别赋值为0；
S0104：整流模块的输出电流iin＝ias1+ibs1+ics1。
本实施例中，S01中逆变器的输入端电流iout的计算步骤包括：
S0105：根据逆变器相桥臂的上管和下管的导通状态判断状态标记SA的值，当上管导通，下管关断时，SA＝1；当上管关段，下管导通时，SA＝0，
S0106：计算逆变器的输入端电流iout，iout＝SA×iam+SB×ibm+SC×icm。
在实际运行中，无需添加直流侧电容电流传感器，基于直流侧电容电流ic的大小，即可计算电容器电阻ESR和电容C值的大小。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (3)

1.牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测方法，其特征在于，该方法基于牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测电路，电路包括电源模块、阻抗模块、整流模块、RC谐波模块及逆变器；
电源模块的公共端接地，电源模块的输出端连接阻抗模块的输入端，阻抗模块的输出端连接整流模块，整流模块的输出端分别连接RC谐波模块的输入端和逆变器的输入端，RC谐波模块与逆变器并联，逆变器的输出端连接三相异步电动机；
阻抗模块包括三个电感应线圈，三个感应线圈的一端分别与三相交流电源的a相、b相和c相连接，三个感应线圈的输出电流ias，ibs和ics流入整流模块；
方法包括以下步骤：
S01：根据每一个电感应线圈的输出电流ias，ibs和ics计算整流模块的输出电流iin；根据逆变器的输出电流iam，ibm和icm计算逆变器的输入端电流iout；
S02：计算电容电流ic，ic＝iin-iout；
S03：根据电容在不同频段的阻抗特性，得到电容器阻抗Z的表达式：
Figure FDA0003513120080000011
ESR为电容在中频段时，电容阻抗的近似值；
Figure FDA0003513120080000012
为电容在低频段时，电容阻抗的近似值；ωL为电容在高频段时，电容阻抗的近似值；
S04：根据电容阻抗特性可知，在低频条件下电容器的电容模型可近似为电容和ESR串联，电容器两端的电压Vdc为电容电压VC和ESR电压VESR之和，即Vdc＝VC+VESR，得到电容电流
Figure FDA0003513120080000013
S05：将S04中得到电容电流结果进行微分，得到
Figure FDA0003513120080000014
其中，
Figure FDA0003513120080000015
S06：将
Figure FDA0003513120080000016
代入
Figure FDA0003513120080000017
积分得到
Figure FDA0003513120080000018
S07：选择低频段中两个不同截止频率的带通滤波器，提取不同频率的电压电流分量，得到关于电阻ESR和电容C的方程，求解电阻ESR和电容C的值。
2.根据权利要求1所述的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测方法，其特征在于，所述S01中整流模块的输出电流iin的计算步骤包括：
S0101：判断每一个电感应线圈的输出电流ias，ibs和ics是否大于0，如果ias，ibs和ics大于0执行S0102；如果ias，ibs和ics小于零，执行S0103；
S0102：将电流ias1，ibs1和ics1分别赋值为ias，ibs和ics，执行S0104；
S0103：将电流ias1，ibs1和ics1分别赋值为0；
S0104：整流模块的输出电流iin＝ias1+ibs1+ics1。
3.根据权利要求1所述的牵引传动系统直流侧支撑电容状态监测方法，其特征在于，所述S01中逆变器的输入端电流iout的计算步骤包括：
S0105：根据逆变器相桥臂的上管和下管的导通状态判断状态标记SA的值，当上管导通，下管关断时，SA＝1；当上管关段，下管导通时，SA＝0，
S0106：计算逆变器的输入端电流iout，iout＝SA×iam+SB×ibm+SC×icm。
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