CN111007327A - 一种变流器及其电容器的状态监测方法和设备 - Google Patents

一种变流器及其电容器的状态监测方法和设备 Download PDF

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许为
戴计生
徐勇
朱文龙
江平
詹彦豪
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere

Abstract

本申请公开了一种变流器中电容器的状态监测方法，包括：获取电容器的充电状态数据；在预设充电数据库中查找与充电状态数据匹配的电容值；获取电容器的工作状态数据；根据工作状态数据计算电容器的等效串联阻抗值；根据电容值和等效串联阻抗值加权计算电容器的健康状态指标。本申请利用在线获取的电容器的电容值和等效串联阻抗值，加权计算得到综合衡量电容器健康状态的指标，直观地反映电容器的健康状态。本申请不仅计算过程简单，而且无需增设额外器件，极大地提高了对电容器健康状态的在线监测效率并降低了设备成本。本申请还公开了一种变流器及其电容器的状态监测设备，同样具有上述有益效果。

Description

一种变流器及其电容器的状态监测方法和设备
技术领域
本申请涉及电气状态监测及故障诊断技术领域，特别涉及一种变流器及其电容器的状态监测方法和设备。
背景技术
在变流器这类功率变换电路中，电容器经常由于工作环境温度过高、工作电流过大等因素而逐渐劣化，形成安全隐患。因此，对变流器中电容器的健康状态进行在线监测对于确保电路安全十分重要。
然而，现有技术中对电容器的在线监测技术往往需要增设一些额外电路器件，提高了电路成本，并且计算评估过程较为复杂，并不利于推广实施。
可见，采用何种计算过程简单且无需增设额外器件的电容器健康状态监测技术，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种计算过程简单且无需额外增设器件的变流器中电容器的状态监测方法和设备，以便有效提高对电容器的在线监测效率并降低设备成本；本申请的另一目的在于提供一种变流器。
为解决上述技术问题，本申请提供一种变流器中电容器的状态监测方法，包括：
获取所述电容器的充电状态数据；
在预设充电数据库中查找与所述充电状态数据匹配的电容值；
获取所述电容器的工作状态数据；
根据所述工作状态数据计算所述电容器的等效串联阻抗值；
根据所述电容值和所述等效串联阻抗值加权计算所述电容器的健康状态指标。
可选地，所述根据所述电容值和所述等效串联阻抗值加权计算所述电容器的健康状态指标包括：
根据以下公式计算所述电容器的所述健康状态指标，
Figure BDA0001821644190000021
其中，H为所述健康状态指标，C为所述电容值，ESR为所述等效串联阻抗值，C0为电容初始值，ESR0为等效串联阻抗初始值，k1、k2、a1和a2均为预设系数，k1＞0，k2＜0。
可选地，所述获取所述电容器的充电状态数据包括：
获取将所述电容器两端的电压充至预设电压阈值时对应的充电时间，以便根据所述预设电压阈值和所述充电时间在所述预设充电数据库中查找匹配的电容值。
可选地，所述工作状态数据具体包括所述电容器的工作电压和工作电流；
所述根据所述工作状态数据计算所述电容器的等效串联阻抗值具体包括：
利用高通滤波器计算所述电容器的谐波工作电压和谐波工作电流；
计算所述谐波工作电压和所述谐波工作电流的比值，作为所述电容器的所述等效串联阻抗值。
可选地，所述电容器与所述变流器的输入电路和输出电路并联，所述电容器的所述工作电流具体为：
idc(t)＝iqc(t)-iinv(t)；
其中，idc(t)为所述电容器的所述工作电流，iqc(t)为所述输入电路的输出电流，iinv(t)为所述输出电路的输入电流。
可选地，所述输入电路具体为全控桥式整流电路，所述全控桥式整流电路的所述输出电流为：
iqc(t)＝(q1-q2)·ig；
其中，q1为所述全控桥式整流电路的第一桥臂的开关驱动信号，q2为所述全控桥式整流电路的第二桥臂的开关驱动信号，ig为所述全控桥式整流电路的输入电流。
可选地，所述输出电路具体为三相逆变电路，所述三相逆变电路的所述输入电流为：
iinv(t)＝sa·ia+sb·ib+sc·ib；
其中，sa、sb和sc分别为所述三相逆变电路的a相开关驱动信号、b相开关驱动信号和c相开关驱动信号，ia、ib和ib分别为所述三相逆变电路的a相电流、b相电流和c相电流。
可选地，所述高通滤波器具体为二阶巴特沃斯高通滤波器。
本申请还提供了一种变流器中电容器的状态监测设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种变流器中电容器的状态监测方法的步骤。
本申请还提供了一种变流器，包括如上所述的状态监测设备。
本申请所提供的变流器中电容器的状态监测方法，包括获取所述电容器的充电状态数据；在预设充电数据库中查找与所述充电状态数据匹配的电容值；获取所述电容器的工作状态数据；根据所述工作状态数据计算所述电容器的等效串联阻抗值；根据所述电容值和所述等效串联阻抗值加权计算所述电容器的健康状态指标。
可见，相比于现有技术，本申请所提供的变流器中电容器的状态监测方法中，利用变流器中原有的相关检测器件，获取变流器在对电容器的充电过程以及正常的变流工作过程中的相关状态数据，从而计算得到电容器真正的电容值和等效串联阻抗值，并通过加权计算得到综合衡量电容器健康状态的指标，从而直观地反映出电容器的健康状态。本申请不仅计算过程简单，而且无需增设额外器件，因此极大地提高了对电容器健康状态的在线监测效率并降低了设备成本。本申请所提供的变流器及其电容器的状态监测设备可以实现上述变流器中电容器的状态监测方法，同样具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请所提供的一种变流器中电容器的状态监测方法的流程图；
图2为本申请所提供的一种电容器充电状态的曲线图；
图3为本申请所提供的一种变流器的电路结构图。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种计算过程简单且无需额外增设器件的变流器中电容器的状态监测方法和设备，以便有效提高对电容器的在线监测效率并降低设备成本；本申请的另一核心在于提供一种变流器。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参考图1，图1为本申请所提供的一种变流器中电容器的状态监测方法的流程图，主要包括以下步骤：
步骤1：获取电容器的充电状态数据。
步骤2：在预设充电数据库中查找与充电状态数据匹配的电容值。
具体地，本申请所提供的变流器中电容器的状态监测方法中，用于对电容器的健康状态进行评价的主要参数有两个：电容器的电容值和等效串联阻抗值(EquivalentSeries Resistance，ESR)。其中，电容值是利用电容器的充电状态数据得到的，而等效串联阻抗值是利用电容器的工作状态数据得到的。
需要说明的是，变流器中的电容器主要是指连接在整流输出端的直流电容器，有时也包括LC滤波模块中的二次滤波电容器。变流器在启动正常变流工作之前，会存在一个对电容器进行充电的过程，并且，变流器一般都设有相应的电压传感器对整流输出电压(也同样是电容器两端的电压)进行检测。因此，本申请所提供的变流器中电容器的状态监测方法中，可以直接利用变流器对电容器的充电过程，获取电容器的充电状态数据。
其中，所说的充电状态数据包括电容器的充电条件(例如电容器的充电时间、充电电源电压、充电回路中串联的阻值等)，以及对应的电容器两端的电压。并且，电容器两端的电压可直接利用变流器中的电压传感器检测获取，因而无需增设任何额外的器件。
所说的预设充电数据库中存储了各种电容值的电容器在各种充电条件下对应的两端的电压。在获取到电容器的充电状态数据之后，便可以在预设充电数据库中进行匹配查找，以便查找到与该电容器的充电状态数据对应的电容值。则，该电容值即为该电容器当前的真实电容值。
具体地，可以选取预设固定充电时间所对应的电容器两端的电压为查找依据，也可以选取将电容器两端的电压充至预设电压阈值时所需的充电时间为查找依据，本领域技术人员可以自行选择并设置，本申请对此并不进行限定。
步骤3：获取电容器的工作状态数据。
步骤4：根据工作状态数据计算电容器的等效串联阻抗值。
具体地，变流器在启动正常变流工作后，电容器也进入稳压或者滤波的工作状态。此时，可以继续利用变流器中的相关元器件(如电压传感器、电流传感器等)来获取电容器的工作状态数据，以便依据工作状态数据计算电容器的等效串联阻抗值。计算得到的等效串联阻抗值即为该电容器此时的真实等效串联阻抗值。
实际电容器并不是理想的纯电容电路，由于极板间电介质总会有一些漏电，因此实际的电容器相当于一个电容与电阻的串联电路，该电阻的阻值即为该电容器的等效串联阻抗值。电容器的等效串联阻抗值的计算可以采用常规的计算公式：
Figure BDA0001821644190000061
其中，δ为损耗角，具体为电压、电流相位差的余角；C为电容值。此时，需要利用变流器中相关器件来获取的电容器工作状态数据就包括工作电压和工作电流，进而可得到损耗角正切；而电容值则可直接使用步骤2中所得到的数值。
当然，本领域技术人员也可以采用其他方式来计算等效串联阻抗值，对此本申请并不进行限定。
步骤5：根据电容值和等效串联阻抗值加权计算电容器的健康状态指标。
具体地，当得到了电容器的电容值和等效串联阻抗值之后，便可以对两者进行加权计算，以便得到一个综合指标数值作为电容器的健康状态指标。该健康状态指标的大小可以直接反映出该电容器的健康状态情况。
容易理解的是，为了提高精确度，本领域技术人员可以多次计算获取电容值和等效串联阻抗值，并分别求取平均值，以便利用电容值的平均值和等效串联阻抗值的平均值进行加权计算，生成健康状态指标。
当然，本领域技术人员可以通过设置合理的加权参数，令计算得到的综合指标具有一个较为合理的取值范围，以便更加直观地反映出电容器的健康状态情况。例如，可将其设置为0～100，并且，健康状态指标的取值越高代表电容器的健康状态越好。具体地，取值在80～100范围内的电容器可视为健康状态良好；取值在60～80范围内的电容器可视为处于临界健康状态，随时可能失效；取值在0～60范围内的电容器可视为已经劣化失效。针对于后两种情况，可以进一步向管理员发送不同程度的告警信息，以便管理员及时排查更换，保障电路用电安全。
可见，本申请所提供的变流器中电容器的状态监测方法中，利用变流器中原有的相关检测器件，获取变流器在对电容器的充电过程以及正常的变流工作过程中的相关状态数据，从而计算得到电容器真正的电容值和等效串联阻抗值，并通过加权计算得到综合衡量电容器健康状态的指标，从而直观地反映出电容器的健康状态。本申请不仅计算过程简单，而且无需增设额外器件，因此极大地提高了对电容器健康状态的在线监测效率并降低了设备成本。
本申请所提供的变流器中电容器的状态监测方法，在上述实施例的基础上：
作为一种优选实施例，根据电容值和等效串联阻抗值加权计算电容器的健康状态指标包括：
根据以下公式计算电容器的健康状态指标，
Figure BDA0001821644190000071
其中，H为健康状态指标，C为电容值，ESR为等效串联阻抗值，C0为电容初始值，ESR0为等效串联阻抗初始值，k1、k2、a1和a2均为预设系数，k1＞0，k2＜0。
具体地，本申请所说的加权计算健康状态指标的过程可具体采用上述公式进行计算。其中，电容初始值C0一般即为该电容器的标称值。随着电容器的劣化失效，其电容值逐渐呈下降的趋势，因此，C与C0的比值越大，电容器的健康状态越好；等效串联阻抗初始值ESR0可在电容器最初使用时利用LCR表进行离线测量，随着电容器的劣化失效，其等效串联阻抗值逐渐呈增大的趋势，因此，ESR与ESR0的比值越小，电容器的健康状态越好。
如前所述，健康状态指标可以直接以大小反映电容器的健康状态，并且健康状态指标越大可以代表电容器健康状态越好，因此，可令预设系数k1＞0，k2＜0。当然，本领域技术人员需要综合调节k1、k2、a1和a2四个预设系数的大小，以便令健康状态指标取值在预设的范围内(如0～100)。
作为一种优选实施例，获取电容器的充电状态数据包括：
获取将电容器两端的电压充至预设电压阈值时对应的充电时间，以便根据预设电压阈值和充电时间在预设充电数据库中查找匹配的电容值。
具体地，如前所述，在充电数据库中查找匹配的电容值时，具体可以以将电容器两端的电压充至预设电压阈值所需要的充电时间为依据。所说的预设电压阈值可依据充电电源大小设定，本申请对其具体取值并不进行限定。
例如，请参考图2，图2为本申请所提供的一种电容器充电状态的曲线图。如图2所示，在充电过程中，电容器两端的电压逐渐上升。图2所选择的预设电压阈值为1000V，所需要的充电时间约为815s。则依据充电815s将电压充至1000V在充电数据库中进行查找，即可确定出图2对应的电容器的电容值。
作为一种优选实施例，工作状态数据具体包括电容器的工作电压和工作电流；
根据工作状态数据计算电容器的等效串联阻抗值具体包括：
利用高通滤波器计算电容器的谐波工作电压和谐波工作电流；
计算谐波工作电压和谐波工作电流的比值，作为电容器的等效串联阻抗值。
具体地，在计算等效串联阻抗值时，也可以不采用前述的常规公式，而是利用谐波工作电压和谐波工作电流的比值确定等效串联阻抗值。其中，谐波工作电压可由电容器的工作电压高通滤波后得到，工作电压可直接利用变流器的电压传感器检测获得；谐波工作电流可由电容器的工作电流高通滤波后得到。
作为一种优选实施例，电容器与变流器的输入电路和输出电路并联，电容器的工作电流具体为：
idc(t)＝iqc(t)-iinv(t)；
其中，idc(t)为电容器的工作电流，iqc(t)为输入电路的输出电流，iinv(t)为输出电路的输入电流。
具体地，变流器的输入电路的输出电流分流流向了电容器与输出电路，因此，电容器的工作电流即为iqc(t)与iinv(t)的差值。
请参考图3，图3为本申请所提供的一种变流器的电路结构图。
如图3所示，作为一种优选实施例，输入电路具体为全控桥式整流电路，全控桥式整流电路的输出电流为：
iqc(t)＝(q1-q2)·ig；
其中，q1为全控桥式整流电路的第一桥臂的开关驱动信号，q2为全控桥式整流电路的第二桥臂的开关驱动信号，ig为全控桥式整流电路的输入电流。
具体地，变流器的输入电路具体可以为如图3所示的全控桥式整流电路，其中，可控开关管Q1和可控开关管Q2构成了第一桥臂，可控开关管Q3和可控开关管Q4构成了第二桥臂。
其中，Cd为直流电容器，C2为二次滤波电容器。在进行电容器状态监测时，具体可对Cd和C2同时进行综合监测。当变流器中的开关KM1闭合即处于电容充电状态时，可通过检测电压传感器VHJ测量得到的电压值等充电状态数据查找匹配的电容值，该电容值即为Cd和C2电容值之和。
如图3所示，作为一种优选实施例，输出电路具体为三相逆变电路，三相逆变电路的输入电流为：
iinv(t)＝sa·ia+sb·ib+sc·ib；
其中，sa、sb和sc分别为三相逆变电路的a相开关驱动信号、b相开关驱动信号和c相开关驱动信号，ia、ib和ib分别为三相逆变电路的a相电流、b相电流和c相电流。
具体地，变流器的输出电路具体可以为如图3所示的三相逆变电路，其中，a相的开关包括可控开关管Q5和可控开关管Q6；b相的开关包括可控开关管Q7和可控开关管Q8；c相的开关包括可控开关管Q9和可控开关管Q10。
容易理解的是，对于其他结构的变流器，例如采用多个输入电路或者采用单相输出的变流器等，本领域技术人员均可以类比于上述电容器工作电流的计算方式，并根据实际情况而自行调整具体的计算过程，类似内容均在本申请的保护范围之内。
作为一种优选实施例，高通滤波器具体为二阶巴特沃斯高通滤波器。
具体地，可采用本领域中常用的二阶巴特沃斯高通滤波器来对工作电压进行滤波生成谐波工作电压，并对工作电流进行滤波生成谐波工作电流。其中，二阶巴特沃斯高通滤波器可用下述公式表示：
Figure BDA0001821644190000101
其中，ωc为二阶巴特沃斯高通滤波器的截止频率。
本申请还提供了一种变流器中电容器的状态监测设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种变流器中电容器的状态监测方法的步骤。
可见，本申请所提供的变流器中电容器的状态监测设备，利用变流器中原有的相关检测器件，获取变流器在对电容器的充电过程以及正常的变流工作过程中的相关状态数据，从而计算得到电容器真正的电容值和等效串联阻抗值，并通过加权计算得到综合衡量电容器健康状态的指标，从而直观地反映出电容器的健康状态。本申请不仅计算过程简单，而且无需增设额外器件，因此极大地提高了对电容器健康状态的在线监测效率并降低了设备成本。
本申请还提供了一种变流器，包括如上所述的状态监测设备。
容易理解地是，为了避免增设额外器件，可以将变流器中原本的控制元器件作为本申请中所提供的电容器的状态监测设备。
本申请所提供的变流器及其电容器的状态监测设备的具体实施方式与上文所描述的变流器中电容器的状态监测方法可相互对应参照，这里就不再赘述。
本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种变流器中电容器的状态监测方法，其特征在于，包括：
获取所述电容器的充电状态数据；
在预设充电数据库中查找与所述充电状态数据匹配的电容值；
获取所述电容器的工作状态数据；
根据所述工作状态数据计算所述电容器的等效串联阻抗值；
根据所述电容值和所述等效串联阻抗值加权计算所述电容器的健康状态指标。
2.根据权利要求1所述的状态监测方法，其特征在于，所述根据所述电容值和所述等效串联阻抗值加权计算所述电容器的健康状态指标包括：
根据以下公式计算所述电容器的所述健康状态指标，
Figure FDA0001821644180000011
其中，H为所述健康状态指标，C为所述电容值，ESR为所述等效串联阻抗值，C0为电容初始值，ESR0为等效串联阻抗初始值，k1、k2、a1和a2均为预设系数，k1＞0，k2＜0。
3.根据权利要求2所述的状态监测方法，其特征在于，所述获取所述电容器的充电状态数据包括：
获取将所述电容器两端的电压充至预设电压阈值时对应的充电时间，以便根据所述预设电压阈值和所述充电时间在所述预设充电数据库中查找匹配的电容值。
4.根据权利要求2所述的状态监测方法，其特征在于，所述工作状态数据具体包括所述电容器的工作电压和工作电流；
所述根据所述工作状态数据计算所述电容器的等效串联阻抗值具体包括：
利用高通滤波器计算所述电容器的谐波工作电压和谐波工作电流；
计算所述谐波工作电压和所述谐波工作电流的比值，作为所述电容器的所述等效串联阻抗值。
5.根据权利要求4所述的状态监测方法，其特征在于，所述电容器与所述变流器的输入电路和输出电路并联，所述电容器的所述工作电流具体为：
idc(t)＝iqc(t)-iinv(t)；
其中，idc(t)为所述电容器的所述工作电流，iqc(t)为所述输入电路的输出电流，iinv(t)为所述输出电路的输入电流。
6.根据权利要求5所述的状态监测方法，其特征在于，所述输入电路具体为全控桥式整流电路，所述全控桥式整流电路的所述输出电流为：
iqc(t)＝(q1-q2)·ig；
其中，q1为所述全控桥式整流电路的第一桥臂的开关驱动信号，q2为所述全控桥式整流电路的第二桥臂的开关驱动信号，ig为所述全控桥式整流电路的输入电流。
7.根据权利要求5所述的状态监测方法，其特征在于，所述输出电路具体为三相逆变电路，所述三相逆变电路的所述输入电流为：
iinv(t)＝sa·ia+sb·ib+sc·ib；
其中，sa、sb和sc分别为所述三相逆变电路的a相开关驱动信号、b相开关驱动信号和c相开关驱动信号，ia、ib和ib分别为所述三相逆变电路的a相电流、b相电流和c相电流。
8.根据权利要求4至7任一项所述的状态监测方法，其特征在于，所述高通滤波器具体为二阶巴特沃斯高通滤波器。
9.一种变流器中电容器的状态监测设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1至8任一项所述的变流器中电容器的状态监测方法的步骤。
10.一种变流器，其特征在于，包括如权利要求9所述的状态监测设备。
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