CN111175595B - 三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法，是一种易于在线实现的，且能够实时测量的剩余寿命监测方案，该方案能够在变流系统正常工作的状态下，通过注入电流的方式测量直流侧支撑电容等效参数。并且该方案能够最大程度的减少系统中传感器等硬件的加装，可以仅利用系统中已有的用于整流控制的电压电流传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电容剩余寿命监测方法，具体涉及一种三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法。
背景技术
三相半桥全控整流电路采用6只IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)构成主电路拓扑，广泛应用于三相变流系统中。该系统通常在直流侧安装有直流支撑电容，研究表明，导致系统失效的所有因素中，电容器故障占30％以上，为系统中失效率最高的器件。针对直流侧电容的故障诊断和寿命预测，现有的技术多数基于电容器的等效电路进行分析。常规的监测电容器等效电路参数的办法分为离线和在线两种方案。离线方案指变流系统停止工作时，利用外部测量手段进行测量，在许多场合的应用都受到限制。而对于现有的在线监测方案也存在许多限制，主要的做法是1：加装额外的硬件测量设备，需要在系统构建时安装，且容易受环境因素干扰；2：在系统启停的时候，利用电容器的充放电特性计算等效电容，数据量小，容易造成很大的误差。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种易于在线实现的，且能够实时测量的剩余寿命监测方案，该方案能够在变流系统正常工作的状态下，通过注入电流的方式测量直流侧支撑电容等效参数。并且该方案能够最大程度的减少系统中传感器等硬件的加装，可以仅利用系统中已有的用于整流控制的电压电流传感器。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，采用DSP+FPGA架构，包括：核心板、底板、AD7656采样模块、W5300通信模块和上位机；所述核心板包括DSP系统和FPGA最小系统；所述DSP系统包括：DSP最小系统和外挂储存单元；所述外挂储存单元包括：FLASH芯片和RAM芯片，所述AD7656采样模块包括3块AD7656芯片和低通滤波器，所述W5300通信模块包括WIZnetW5300芯片和以太网变压器，
DSP芯片的数据地址总线、PWM输出信号线、BOOT引导信号线、通用输入输出信号线均与FPGA芯片连接；DSP芯片的EM1CS2管脚与FLASH芯片连接，用于片选FLASH芯片；DSP芯片的EM1CS3管脚与RAM芯片连接，用于片选RAM芯片；DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与FLASH芯片的读、写管脚连接；DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与RAM芯片的读、写管脚连接；DSP芯片的19位地址总线和16位数据总线分别与FLASH芯片的地址管脚、数据管脚连接；DSP芯片的19位地址总线和16位数据总线分别与RAM芯片的地址管脚、数据管脚连接；
DSP芯片的EM1CS4管脚与WIZnet W5300芯片的管脚CS连接，DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与WIZnet W5300芯片的读、写管脚连接，DSP芯片的8位地址总线与WIZnetW5300芯片的地址线输入管脚连接，DSP芯片的16位数据总线与WIZnet W5300芯片的数据输入管脚连接；
FPGA芯片的12个GPIO管脚分别与3块AD7656芯片的片选管脚CS、复位信号管脚RESET、反馈信号管脚BUSY、启动转换信号管脚CONVST连接，3块AD7656芯片的数据管脚均与DSP芯片的16数据总线连接；所述AD7656芯片的6路采样输入管脚均与一个低通滤波器的输出端连接，一个低通滤波器的输入端与电压传感器连接，另一个低通滤波器的输入端与电流传感器连接；
所述底板与核心板连接，为核心板的控制芯片提供电源；所述核心板的扩展接口包括：多种协议串行通信接口，ADC采样输入接口，数据地址总线接口，PWM输出接口和多个数字输入输出接口。
在上述方案的基础上，所述在线监测系统采用可扩展接插件设计，所述可扩展接插件设计允许用户针对核心板的功能和目标功能自由设计底板。
在上述方案的基础上，所述DSP系统采用窗口电压检测芯片进行过欠压保护电路设计，对DSP系统进行保护和复位操作；所述DSP最小系统单元包括晶振电路、复位电路、电源电路、引导模式设置电路和JTAG接口电路；所述DSP芯片的型号为TMS320F28377d；DSP系统还包含多种数据通信协议，多种数据通信协议包括I2C，SCI，SPI，CAN，USB；所述DSP系统自带ADC采样模块，用于实现16位精度的差分输入信号采样和12位精度的单端输入信号采样。
在上述方案的基础上，所述FLASH芯片采用SST39VF822芯片，RAM芯片采用IS61LV25616AL-10TLI芯片；所述W5300通信模块通过以太网变压器HR911103A与上位机进行连接通信。
在上述方案的基础上，所述上位机的通信界面包括示波器部分、电容等效电路、电容寿命和电容状态；所述示波器部分包括示波器控制箱，波形显示框和示波器设置部分，用于观测采样得到的电容电压和电容电流波形；所述电容等效电路采用一阶串联阻容等效电路，选择不同的算法计算实际电容值。
在上述方案的基础上，所述FPGA最小系统包括电源电路、时钟电路、JTAG电路、编程配置电路和输入输出电路，所述电源电路用于为FPGA芯片供电、内核供电，为FPGA内核提供参考电平；所述时钟电路包括由外部有源晶振电路提供的50MHz时钟信号输入和DSP芯片输出的同步时钟信号输入；所述JTAG电路用于在线烧录程序和调试芯片；所述编程配置电路采用四路串行配置芯片EPCQ64，编程模式选择为主动串行模式，用于FPGA芯片上电启动时固化程序电路；所述输入输出电路包括数字输入和输出，可以进行自由设计。
一种三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法，应用上述在线监测系统，包括以下步骤：
S1、初始化DSP芯片和FPGA芯片；
S2、初始化AD7656芯片和W5300芯片；
S3、配置DSP芯片的开关PWM功能，对开关PWM频率和开关PWM脉冲产生方式进行配置，所述开关PWM功能由开关PWM模块产生，所述开关PWM频率的配置根据三相全控整流系统的开关频率进行设定，开关PWM频率等于三相全控整流系统的开关频率，三相全控整流系统的开关频率是一个定值，所述开关PWM脉冲产生方式的配置为：载波计数为上下计数，载波为三角载波，输出的开关PWM脉冲在上升沿等于载波时置高，在下降沿等于载波时置低；
S4、设置DSP系统的中断频率，中断频率为三相全控整流系统的开关频率的4倍，每两次中断触发一次采样，使采样频率等于开关频率的2倍；
S5、初始化完毕后启动三相全控整流系统：执行三相整流程序，在直流侧输出稳定直流电压，并等待直流侧电压稳定；
S6、执行电流注入程序：采用双闭环控制和PIR控制器，在输入侧的电流反馈回路中增加直流偏置，使直流侧电压出现小幅值的30Hz的波动；
S7、电压传感器VT采集电压模拟信号，电流传感器CT采集电流模拟信号，采集的电压、电流模拟信号经过低通滤波器处理后，传输至AD7656芯片，AD7656芯片将电压、电流模拟信号转换为16位精度的电压、电流数字信号；其中电流传感器CT采集的电流模拟信号为流经直流电容的电流；
S8、执行采样：DSP芯片将采样指令发送给FPGA芯片，FPGA芯片控制AD7656芯片进行采样，AD7656芯片将电压、电流数字信号传递给FPGA芯片，FPGA芯片通过总线将电压、电流数字信号传递给DSP芯片；
S9、DSP芯片收到电压、电流数字信号后：
采用离散傅里叶算法，选取基波频率为30Hz，并求取电压和电流中的基波分量的幅值和相角，根据公式(1)求解一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值C和等效电阻值ESR，并将求取后的等效电容值和等效电阻值通过WIZnet W5300芯片和以太网变压器传输至上位机；
或将电压、电流数字信号通过WIZnet W5300芯片和以太网变压器传输至上位机，上位机中的MATLAB软件采用等纹波FIR带通滤波器分别对电压、电流数字信号进行带通滤波，带通频率为30Hz，通带宽度为10Hz，阶数为987，滤波得到30Hz电容电压和电流波形；根据得到的30Hz电容电压和电流波形计算一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，再根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值C和等效电阻值ESR；
或将电压、电流数字信号通过WIZnet W5300芯片和以太网变压器传输至上位机，上位机中的MATLAB软件采用巴特波斯IIR带通滤波器分别对电压、电流数字信号进行带通滤波，通带频率为30Hz～31Hz，阶数为6，滤波得到30Hz电容电压和电流波形；根据得到的30Hz电容电压和电流波形计算一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，再根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值C和等效电阻值ESR；
式(1)中，|U30|、∠U30分别代表30Hz电压基波分量的幅值和相角，|I30|、∠I30分别代表30Hz电流基波分量的幅值和相角，|Z|代表一阶等效阻容电路的等效模值，∠Z代表一阶等效阻容电路的等效相角，
S10、根据一阶等效阻容电路的等效电容值、等效电阻值和用户输入的初始电容值和初始电阻值，判断当前电容状态和剩余寿命。
附图说明
本发明有如下附图：
图1三相全控整流系统电路拓扑图。
图2PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统框图。
图3电流采样方案示意图。
图4电流注入法原理图。
图5电容剩余寿命在线监测系统的软件示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的电容剩余寿命在线计算方案适用于如图1所示的电路拓扑：
该电路拓扑具备如下特点：
1、输入侧为三相交流电源；
2、基本拓扑为三相半桥全控整流电路；
3、直流侧安装有一个支撑电容，图示为其一阶阻容等效电路的形式，该电容为本发明所述监测系统的监测对象；；
4、负载为任意无源非时变直流负载；
5、CT代表电流传感器加装位置，VT代表电压传感器加装位置；
本发明提供的电容剩余寿命在线计算方案采用图2所示的在线监测硬件系统。该硬件系统由DSP+FPGA双数字处理芯片组成，配置了基于WIZnet W5300芯片的以太网模板和基于AD7656芯片的采样模块，同时保留了DSP芯片的串行通行等其他扩展功能。该硬件系统以DSP芯片作为主控芯片，通过DSP的EMIF功能实现不同芯片间数据的并行通信，具备高精度采样和高速通信的功能。
基于如上硬件系统，有如下操作步骤：
1、在系统指定位置安装传感器；通常，三相全控整流系统会在直流侧安装电压传感器检测直流侧电压波动，安装电流传感器用于计算输出功率。因此，变流系统中通常包含在线监测系统所需的电压电流传感器，步骤1可以省略。
2、配置DSP+FPGA硬件系统：
(1)初始化DSP和FPGA芯片；
(2)初始化AD7656和W5300芯片；
(3)如图3所示配置DSP系统中断PWM功能和开关PWM功能：PWM变流器采用三相SVPWM调制策略，其中大三角形为开关载波，其频率代表开关频率；小三角形为控制系统中断载波，中断产生位置为计数值为零的时刻；COMPA、COMPB和COMPC分别为A桥臂、B桥臂和C桥臂的调制波，a+、b+和c+分别为A桥臂、B桥臂和C桥臂的开关脉冲；0代表每相桥臂上管截止，1代表每相桥臂上管导通，Deadtime代表死区，switching frequency代表PWM载波频率，Interruption frequency代表DSP中断频率，Sampling point代表采样点的位置。
3、初始化完成后启动变流系统，在直流侧电压稳定后开始直流侧支撑电容剩余寿命的监测方案。
4、变流系统采用如图4所示的电流注入法使直流侧电压产生波动，(1)、采集交流侧三相线电压信号ua、ub、uc和三相线电流信号ia、ib、ic和直流侧电压信号uc；(2)、三相线电压信号ua、ub、uc输入锁相环模块得到交流侧电压相角；(3)、利用锁相环输出相角对三相线电流信号ia、ib、ic进行坐标变换；(4)、采用电压电流双闭环控制直流侧电压，其中电压外环输入为电压直流信号和经过带阻滤波后的直流侧反馈电压信号，控制器为PI控制器；d轴电流环输入为d轴电流指令值0和经过坐标变换的d轴电流反馈值，控制器为PI控制器；q轴电流环输入为电压环输出+注入电流分量和经过坐标变换的q轴电流反馈值，控制器为PIR控制器；(5)dq轴电流环的输出为SVPWM(空间矢量脉宽调制)模块的输入，SVPWM模块的输出为三相半桥全控整流器的控制脉冲。
5、等待注入电流稳定后，开启采样指令：基于以上配置完成的DSP+FPGA硬件系统，DSP作为主控芯片，通过传感器采集电压电流模拟信号，电压电流模拟信号经过低通滤波器后，在AD7656芯片中转换为数字量后传递给现场可编程逻辑门阵列芯片FPGA，FPGA通过总线将数据传输给数字信号处理芯片DSP，至此DSP获取到16位精度的电压电流数字量信号；
6、在DSP芯片采集到电压电流数字信号后，一共有如图5所示的三种方案可供选择：
方案1：在DSP内部完成数据处理：采用离散傅里叶算法，选取基波频率为30Hz，并求取基波电压电流谐波分量的幅值和相角，根据公式(1)求解一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值和等效电阻值，并将求取后的数据通过基于WIZnet W5300芯片的以太网模板传输至上位机；
方案2：在MATLAB中进行数据的处理：将采集到的电压电流数据通过基于WIZnetW5300芯片的以太网模板传输至上位机，在上位机中安装MATLAB软件分别对电压和电流信号进行带通滤波。选取等纹波FIR带通滤波器，带通频率为30Hz，通带宽度为10Hz，阶数为987，滤波得到30Hz电容电压和电流波形；根据得到的30Hz电容电压和电流波形计算一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，再根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值和等效电阻值；
方案3：在MATLAB中进行数据的处理：将采集到的电压电流数据通过基于WIZnetW5300芯片的以太网模板传输至上位机，在上位机中安装MATLAB软件分别对电压和电流信号进行带通滤波。选取选取巴特波斯IIR带通滤波器，通带频率为30Hz～31Hz，阶数为6，滤波得到30Hz电容电压和电流波形；根据得到的30Hz电容电压和电流波形计算一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，再根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值和等效电阻值；
7、根据以上三种方案，可以计算出电容实际电容值和等效电阻值，根据用户输入的初始电容值和初始电阻值，可以判断当前电容状态和剩余寿命。
式(1)中，|U30|、∠U30分别代表30Hz电压基波分量的幅值和相角，|I30|、∠I30分别代表30Hz电流基波分量的幅值和相角，|Z|代表一阶等效阻容电路的等效模值，∠Z代表一阶等效阻容电路的等效相角，本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法，应用PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统，采用DSP+FPGA架构，包括：核心板、底板、AD7656采样模块、W5300通信模块和上位机；所述核心板包括DSP系统和FPGA最小系统；所述DSP系统包括：DSP最小系统和外挂储存单元；所述外挂储存单元包括：FLASH芯片和RAM芯片，所述AD7656采样模块包括3块AD7656芯片和低通滤波器，所述W5300通信模块包括WIZnet W5300芯片和以太网变压器，
DSP芯片的数据地址总线、PWM输出信号线、BOOT引导信号线、通用输入输出信号线均与FPGA芯片连接；DSP芯片的EM1CS2管脚与FLASH芯片连接，用于片选FLASH芯片；DSP芯片的EM1CS3管脚与RAM芯片连接，用于片选RAM芯片；DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与FLASH芯片的读、写管脚连接；DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与RAM芯片的读、写管脚连接；DSP芯片的19位地址总线和16位数据总线分别与FLASH芯片的地址管脚、数据管脚连接；DSP芯片的19位地址总线和16位数据总线分别与RAM芯片的地址管脚、数据管脚连接；
DSP芯片的EM1CS4管脚与WIZnet W5300芯片的管脚CS连接，DSP芯片的EM1OE管脚和EM1WE管脚分别与WIZnet W5300芯片的读、写管脚连接，DSP芯片的8位地址总线与WIZnetW5300芯片的地址线输入管脚连接，DSP芯片的16位数据总线与WIZnet W5300芯片的数据输入管脚连接；
FPGA芯片的12个GPIO管脚分别与3块AD7656芯片的片选管脚CS、复位信号管脚RESET、反馈信号管脚BUSY、启动转换信号管脚CONVST连接，3块AD7656芯片的数据管脚均与DSP芯片的16位数据总线连接；所述AD7656芯片的6路采样输入管脚均与一个低通滤波器的输出端连接，一个低通滤波器的输入端与电压传感器连接，另一个低通滤波器的输入端与电流传感器连接；
所述底板与核心板连接，为核心板的控制芯片提供电源；所述核心板的扩展接口包括：多种协议串行通信接口，ADC采样输入接口，数据地址总线接口，PWM输出接口和多个数字输入输出接口，其特征在于，包括以下步骤：
S1、初始化DSP芯片和FPGA芯片；
S2、初始化AD7656芯片和W5300芯片；
S3、配置DSP芯片的开关PWM功能，对开关PWM频率和开关PWM脉冲产生方式进行配置，所述开关PWM功能由开关PWM模块产生，所述开关PWM频率的配置根据三相全控整流系统的开关频率进行设定，开关PWM频率等于三相全控整流系统的开关频率，三相全控整流系统的开关频率是一个定值，所述开关PWM脉冲产生方式的配置为：载波计数为上下计数，载波为三角载波，输出的开关PWM脉冲在上升沿等于载波时置高，在下降沿等于载波时置低；
S4、设置DSP系统的中断频率，中断频率为三相全控整流系统的开关频率的4倍，每两次中断触发一次采样，使采样频率等于开关频率的2倍；
S5、初始化完毕后启动三相全控整流系统：执行三相整流程序，在直流侧输出稳定直流电压，并等待直流侧电压稳定；
S6、执行电流注入程序：采用双闭环控制和PIR控制器，在输入侧的电流反馈回路中增加直流偏置，使直流侧电压出现小幅值的30Hz的波动；
S7、电压传感器VT采集电压模拟信号，电流传感器CT采集电流模拟信号，采集的电压、电流模拟信号经过低通滤波器处理后，传输至AD7656芯片，AD7656芯片将电压、电流模拟信号转换为16位精度的电压、电流数字信号；其中电流传感器CT采集的电流模拟信号为流经直流电容的电流；
S8、执行采样：DSP芯片将采样指令发送给FPGA芯片，FPGA芯片控制AD7656芯片进行采样，AD7656芯片将电压、电流数字信号传递给FPGA芯片，FPGA芯片通过总线将电压、电流数字信号传递给DSP芯片；
S9、DSP芯片收到电压、电流数字信号后：
采用离散傅里叶算法，选取基波频率为30Hz，并求取电压和电流中的基波分量的幅值和相角，根据公式(1)求解一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值C和等效电阻值ESR，并将求取后的等效电容值和等效电阻值通过WIZnet W5300芯片和以太网变压器传输至上位机；
或将电压、电流数字信号通过WIZnet W5300芯片和以太网变压器传输至上位机，上位机中的MATLAB软件采用等纹波FIR带通滤波器分别对电压、电流数字信号进行带通滤波，带通频率为30Hz，通带宽度为10Hz，阶数为987，滤波得到30Hz电容电压和电流波形；根据得到的30Hz电容电压和电流波形计算一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，再根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值C和等效电阻值ESR；
或将电压、电流数字信号通过WIZnet W5300芯片和以太网变压器传输至上位机，上位机中的MATLAB软件采用巴特波斯IIR带通滤波器分别对电压、电流数字信号进行带通滤波，通带频率为30Hz～31Hz，阶数为6，滤波得到30Hz电容电压和电流波形；根据得到的30Hz电容电压和电流波形计算一阶等效阻容电路的等效模值和等效相角，再根据公式(2)求取一阶等效阻容电路的等效电容值C和等效电阻值ESR；
式(1)中，|U30|、∠U30分别代表30Hz电压基波分量的幅值和相角，|I30|、∠I30分别代表30Hz电流基波分量的幅值和相角，|Z|代表一阶等效阻容电路的等效模值，∠Z代表一阶等效阻容电路的等效相角，
S10、根据一阶等效阻容电路的等效电容值、等效电阻值和用户输入的初始电容值和初始电阻值，判断当前电容状态和剩余寿命。
2.如权利要求1所述的三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法，其特征在于，所述在线监测系统采用可扩展接插件设计，所述可扩展接插件设计允许用户针对核心板的功能和目标功能自由设计底板。
3.如权利要求1所述的三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法，其特征在于，所述DSP系统采用窗口电压检测芯片进行过欠压保护电路设计，对DSP系统进行保护和复位操作；所述DSP最小系统包括晶振电路、复位电路、电源电路、引导模式设置电路和JTAG接口电路；所述DSP芯片的型号为TMS320F28377d；DSP系统还包含多种数据通信协议，多种数据通信协议包括I2C，SCI，SPI，CAN，USB；所述DSP系统自带ADC采样模块，用于实现16位精度的差分输入信号采样和12位精度的单端输入信号采样。
4.如权利要求1所述的三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法，其特征在于，所述FLASH芯片采用SST39VF822芯片，RAM芯片采用IS61LV25616AL-10TLI芯片；所述W5300通信模块通过以太网变压器HR911103A与上位机进行连接通信。
5.如权利要求1所述的三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法，其特征在于，所述上位机的通信界面包括示波器部分、电容等效电路、电容寿命和电容状态；所述示波器部分包括示波器控制箱，波形显示框和示波器设置部分，用于观测采样得到的电容电压和电容电流波形；所述电容等效电路采用一阶串联阻容等效电路，选择不同的算法计算实际电容值。
6.如权利要求1所述的三相全控整流系统直流电容剩余寿命监测方法，其特征在于，所述FPGA最小系统包括电源电路、时钟电路、JTAG电路、编程配置电路和输入输出电路，所述电源电路用于为FPGA芯片供电；所述时钟电路包括由外部有源晶振电路提供的50MHz时钟信号输入和DSP芯片输出的同步时钟信号输入；所述JTAG电路用于在线烧录程序和调试芯片；所述编程配置电路采用四路串行配置芯片EPCQ64，编程模式选择为主动串行模式，用于FPGA芯片上电启动时固化程序电路；所述输入输出电路包括数字输入和输出，能进行自由设计。
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