CN111190057A - 一种直流电容esr在线监测方法及系统 - Google Patents

一种直流电容esr在线监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流电容ESR在线监测方法及系统，该方法包括以下步骤：1)获得吸收电容容值参数Cs；2)在变流器系统正常运行时在线检测PWM高频振荡信号Sosc；3)对PWM高频振荡信号Sosc进行调理得到高频谐振信号Sres；4)从高频谐振信号Sosc中提取PWM谐振回路谐振频率f0与衰减时间常数τ；5)根据高频谐振信号Sosc的谐振频率f0和衰减时间常数τ计算PWM谐振回路总电阻Rtot；6)将PWM谐振回路总电阻Rtot与谐振回路总电阻初始值Rtot0相减得到直流电容器ESR的变化值ΔESR。与现有技术相比，本发明具有灵敏度高、准确性高、实施简便、安全等优点。

Description

一种直流电容ESR在线监测方法及系统
技术领域
本发明涉及直流电容监测领域，尤其是涉及一种直流电容ESR在线监测方法及系统。
背景技术
直流电容是变流器中的重要器件，广泛应用于新能源汽车、并网逆变器、光伏发电、地铁和高铁等行业，起着滤波、储能、稳压的作用。实际系统中，直流电容长期受机、电、热等应力作用容易出现老化甚至失效。在线监测直流电容健康状态可实现故障及时预测与状态运维，对提高变流器系统运行可靠性具有重要意义。
串联等效电阻(ESR)是判断电容器老化状态的一个重要参数。一般而言，当ESR增加到初始值2～3倍时即可判断电容器已经失效。然而实际电容器ESR很小(电解电容器的ESR通常为几十到几百毫欧)，在线精确监测困难。现有技术大多通过检测电容器PWM电压纹波ΔUh和PWM电流纹波ΔIh在线计算直流电容ESR＝ΔUh/ΔIh。但由于电容器PWM电压和电流纹波幅值很小，测量精度要求很高。此外，受运行工况影响PWM电流纹波ΔIh减小时(特别在轻载运行时)，直流电容监测结果将出现明显误差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种直流电容ESR在线监测方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种直流电容ESR在线监测方法，包括以下步骤：
1)获得吸收电容容值参数Cs；
2)在变流器系统正常运行时在线检测PWM高频振荡信号Sosc；
3)对PWM高频振荡信号Sosc进行调理得到高频谐振信号Sres；
4)从高频谐振信号Sosc中提取PWM谐振回路谐振频率f0与衰减时间常数τ；
5)根据高频谐振信号Sosc的谐振频率f0和衰减时间常数τ计算PWM谐振回路总电阻Rtot；
6)将PWM谐振回路总电阻Rtot与谐振回路总电阻初始值Rtot0相减得到直流电容器ESR的变化值ΔESR。
所述的步骤2)中，PWM高频振荡信号Sosc为PWM高频振荡电压usw或PWM高频振荡电流isw。
所述的步骤4)中，在系统阻尼作用下PWM高频振荡信号Sosc按指数规律逐渐衰减，其衰减时间常数τ定义为在高频谐振信号包络线按指数规律衰减的时间。
所述的PWM谐振回路总电阻Rtot的计算式为：或
Rtot＝2/((2πf0)2τCs)。
所述的步骤1)中，谐振回路总电阻初始值Rtot0在变流器运行初期通过步骤1)-步骤5)在线监测得到。
一种直流电容ESR在线监测系统，该系统包括：
高频振荡电流/电压传感器：用以实现从变流器直流侧PWM谐振回路中通过非接触方式检测PWM高频振荡电流isw或PWM高频振荡电压usw；
调理模块：用以实现对PWM高频振荡电流isw或PWM高频振荡电压usw进行滤波、调幅处理提取其中的PWM高频谐振电流信号isw_res或PWM高频谐振电压信号usw_res；
ESR计算模块：根据PWM高频谐振电流信号isw_res或PWM高频谐振电压信号usw_res进行计算得到直流电容器ESR的变化值ΔESR。
所述的变流器直流侧PWM谐振回路包括直流电容段、正极直流母线段、吸收电容段和负极直流母线段。
所述的直流电容段、正极直流母线段、吸收电容段和负极直流母线段上的电流振荡特性和电压振荡特性相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、灵敏度高：在谐振条件下电容ESR的微弱变化可通过PWM高频谐振信号灵敏检测。
二、准确性高：由于PWM高频谐振的阻尼特性仅由谐振回路参数决定，本发明提出的ESR在线监测精度与变流器系统运行工况无关。此外，本发明通过检测高频谐振信号的时间特征(即谐振频率f0和衰减时间常数τ)计算电容ESR的变化量，其精度不受信号幅值测量误差(如传感器偏置、相移、温漂等)影响。
三、实施简便：本发明仅需一个传感器对PWM高频电压振荡或PWM高频电流振荡进行测量，无需同时对电压和电流两个变量进行测量。
四、安全：本发明采用非接触方式测量PWM高频谐振电流进行在线测量，不会对变流器原有电路安全、可靠运行造成影响。
附图说明
图1为基于PWM高频谐振电流进行在线监测的原理图。
图2为基于PWM高频谐振电压进行在线监测的原理图。
图3为本发明的方法流程图。
图4为PWM高频谐振信号示意图。
图5为感应电机变频调速系统仿真模型。
图6为变流器直流侧PWM高频振荡电流仿真结果。
图7为不同ESR条件下PWM高频谐振电流仿真结果。
图8为不同ESR条件下直流电容组PWM高频振荡电流实测波形。
图9为从高频谐振电流信号中提取衰减时间常数τ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
针对直流电容ESR在线监测精度要求高、现有技术易受工况和测量误差影响的问题，本发明提出一种利用PWM高频开关振荡阻尼特性在线监测直流电容ESR的系统和方法，本发明能够在线安全监测直流电容ESR的变化，且精度不受运行工况和测量误差的影响。
本发明提出直流电容ESR在线监测系统有两种实现方案，分别是利用PWM高频谐振电流(如图1所示)和利用PWM高频谐振电压(如图2所示)的方案。
方案1：基于PWM高频谐振电流的直流电容ESR在线监测系统
利用PWM高频谐振电流监测直流电容ESR的系统由高频振荡电流传感器、调理模块、ESR计算模块组成。
1)高频振荡电流传感器：从变流器直流侧PWM谐振回路中通过非接触方式检测PWM高频振荡电流isw，如图1所示，变流器直流侧PWM谐振回路由四部分组成：AD段直流电容、AB段正极直流母线、BC段吸收电容以及CD段负极直流母线。实际系统中，高频电流传感器可检测谐振回路中任一位置的高频振荡电流信号，如：AD段的直流电容电流iCdc，AB段的正极直流母线电流idc2，BC段的吸收电容电流iCs，CD段的负极直流母线电流idc2；
2)调理电路：对高频电流传感器检测到的PWM高频振荡电流isw信号进行处理提取其中的PWM高频谐振电流信号isw_res，调理模块的处理手段包括但不限于滤波、调幅；
3)ESR计算模块：对PWM高频谐振电流信号isw_res进行处理，得到直流电容ESR的变化量ΔESR。
方案2：基于PWM高频谐振电流的直流电容ESR在线监测系统
利用PWM高频谐振电压监测直流电容ESR的系统由高频振荡电压传感器、调理模块、ESR计算模块组成。
1)高频振荡电压传感器：从变流器直流侧PWM谐振回路中检测PWM高频振荡电压usw，如图2所示，变流器直流侧PWM谐振回路由四部分组成：AD段直流电容、AB段正极直流母线、BC段吸收电容以及CD段负极直流母线。实际系统中，高频电压传感器可检测谐振回路中任一部分的高频振荡电压信号，如：AD段的直流电容电压uCdc，AB段的正极直流母线电压udc_AB，BC段的吸收电容电压uCs，CD段的负极直流母线电压udc_CD；
2)调理电路：对高频电压传感器检测到的PWM高频振荡电压usw信号进行处理提取其中的PWM高频谐振电压信号usw_res，调理模块的处理手段包括但不限于滤波、调幅；
3)ESR计算模块：对PWM高频谐振电压信号usw_res进行处理，得到直流电容ESR的变化量ΔESR。
2.直流电容ESR在线监测方法
本发明提出的直流电容ESR在线监测的方法如图3所示：
1)在初始化准备阶段输入吸收电容容值参数Cs，相对于直流电容，吸收电容通常采用薄膜电容，具有功耗小、发热低、寿命长的特点，其容值变化可以忽略。实际系统中吸收电容容值参数Cs可利用电桥测量获得或采用设计值；
2)在变流器系统正常运行时在线检测PWM高频振荡信号Sosc，包括PWM高频振荡电压usw或PWM高频振荡电流isw；
3)对PWM高频振荡信号Sosc进行调理得到高频谐振信号Sres；
4)从高频谐振信号Sosc中提取PWM谐振回路谐振频率f0与衰减时间常数τ，在系统阻尼作用下PWM高频振荡信号Sosc按指数规律逐渐衰减，其衰减时间常数τ定义为在高频谐振信号包络线按指数规律衰减的时间(如图4)；
5)根据高频谐振信号Sosc的谐振频率f0和衰减时间常数τ计算PWM谐振回路总电阻Rtot：Rtot＝2/((2πf0)2τCs)；
6)将在线检测到的谐振回路总电阻Rtot与其初始值Rtot0相减得到直流电容器ESR的变化值ΔESR，其中，谐振回路总电阻初始值Rtot0可在新变流器运行初期通过步骤1)-步骤5)在线监测得到。
实施例
1、仿真实例
结合典型电机变频调速系统，通过仿真对本发明的可行性与有效性进行了验证。系统仿真模型与参数分别如图5与表1所示，其中变流器直流侧由直流电源供电，交流侧负载为感应电机，直流电容器是由4只450V/1000μF电解电容通过两串两并连接而成的电容器组。
表1感应电机变频调速系统仿真模型参数
电机额定功率 7.5kW 直流电容组C<sub>dc</sub> 1000μF
电机额定电压 380V 直流电容组ESR<sub>Cdc</sub> 40mΩ
电机额定频率 50Hz 直流电容组ESL<sub>Cdc</sub> 20nH
直流电源电压 600V 吸收电容C<sub>s</sub> 0.47μF
直流母线电感L<sub>dc2</sub> 180nH 吸收电容ESR<sub>Cs</sub> 10mΩ
直流母线电阻R<sub>dc2</sub> 55mΩ 吸收电容ESL<sub>Cs</sub> 20nH
变流器直流侧PWM高频振荡电流仿真结果如图6所示，其中ia是变频器输出A相电流、idc2是PWM谐振回路正极直流母线电流、iCdc是直流电容组电流、iCs是吸收电容电流。由图可知：变流器PWM开关暂态过程会在变流器直流侧由直流电容、吸收电容及其之间的直流母线构成的回路中引起明显的高频振荡。其频率(495kHz)与理论值
Figure BDA0002377236070000051
基本一致，这表明该振荡是由PWM开关激励在该回路中引起电容与电感谐振产生的。
仿真进一步模拟了直流电容老化对PWM高频振荡的影响。如图7所示，随着直流电容ESR逐渐增大PWM高频谐振电流信号的阻尼明显增加。利用该特性可有效检测出直流电容ESR的变化情况。
2、实验实例
搭建一套380V/7.5kW感应电机变频调速实验系统，其基本参数和运行条件表1所示的仿真模型相同。实验中，通过改变直流电容组连接方式的方法模拟直流电容组ESR的变化。不同ESR条件下直流电容组PWM高频振荡电流波形如图8所示。与仿真结果相一致，随着ESR逐渐增大，PWM高频振荡电流阻尼明显增加。对高频振荡电流进行适当调理后可得到高频谐振信号。在此基础上，可采用曲线拟合等方法从中高频谐振信号中提取衰减时间常数τ(如图9)并计算谐振回路总电阻Rtot。
不同条件下直流电容组ESR在线监测的实验结果如表2所示，其中ESR实测值是通过高精度电桥测得的电容ESR结果。以两串三并连接的电容组ESR为基准，利用计算得到的回路总电阻Rtot可在线监测出电容组ESR的变化量，结果与实测值一致。
表2直流电容组ESR在线监测实验结果
Figure BDA0002377236070000061

Claims (8)

1.一种直流电容ESR在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获得吸收电容容值参数Cs；
2)在变流器系统正常运行时在线检测PWM高频振荡信号Sosc；
3)对PWM高频振荡信号Sosc进行调理得到高频谐振信号Sres；
4)从高频谐振信号Sosc中提取PWM谐振回路谐振频率f0与衰减时间常数τ；
5)根据高频谐振信号Sosc的谐振频率f0和衰减时间常数τ计算PWM谐振回路总电阻Rtot；
6)将PWM谐振回路总电阻Rtot与谐振回路总电阻初始值Rtot0相减得到直流电容器ESR的变化值ΔESR。
2.根据权利要求1所述的一种直流电容ESR在线监测方法，其特征在于，所述的步骤2)中，PWM高频振荡信号Sosc为PWM高频振荡电压usw或PWM高频振荡电流isw。
3.根据权利要求1所述的一种直流电容ESR在线监测方法，其特征在于，所述的步骤4)中，在系统阻尼作用下PWM高频振荡信号Sosc按指数规律逐渐衰减，其衰减时间常数τ定义为在高频谐振信号包络线按指数规律衰减的时间。
4.根据权利要求1所述的一种直流电容ESR在线监测方法，其特征在于，所述的PWM谐振回路总电阻Rtot的计算式为：或
Rtot＝2/((2πf0)2τCs)。
5.根据权利要求1所述的一种直流电容ESR在线监测方法，其特征在于，所述的步骤1)中，谐振回路总电阻初始值Rtot0在变流器运行初期通过步骤1)-步骤5)在线监测得到。
6.一种实现如权利要求1所述的直流电容ESR在线监测方法的监测系统，其特征在于，该系统包括：
高频振荡电流/电压传感器：用以实现从变流器直流侧PWM谐振回路中通过非接触方式检测PWM高频振荡电流isw或PWM高频振荡电压usw；
调理模块：用以实现对PWM高频振荡电流isw或PWM高频振荡电压usw进行滤波、调幅处理提取其中的PWM高频谐振电流信号isw_res或PWM高频谐振电压信号usw_res；
ESR计算模块：根据PWM高频谐振电流信号isw_res或PWM高频谐振电压信号usw_res进行计算得到直流电容器ESR的变化值ΔESR。
7.根据权利要求6所述的直流电容ESR在线监测方法的监测系统，其特征在于，所述的变流器直流侧PWM谐振回路包括直流电容段、正极直流母线段、吸收电容段和负极直流母线段。
8.根据权利要求7所述的直流电容ESR在线监测方法的监测系统，其特征在于，所述的直流电容段、正极直流母线段、吸收电容段和负极直流母线段上的电流振荡特性和电压振荡特性相同。
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