CN111220863B - 全控交直交变流系统直流电容剩余寿命监测方法 - Google Patents

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CN111220863B CN201911051703.6A CN201911051703A CN111220863B CN 111220863 B CN111220863 B CN 111220863B CN 201911051703 A CN201911051703 A CN 201911051703A CN 111220863 B CN111220863 B CN 111220863B
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Abstract

本发明提供了一种全控交直交变流系统直流电容剩余寿命监测方法，提供了一种无需增加额外的硬件设备和特制的测量设备，便于移植和实现的，准确度较高的电容剩余寿命在线监测方案。该方案基于电容器一阶等效阻容电路，利用系统中已有的用于变流控制的电压电流传感器，在线实时测量出电容器等效电容值和等效电阻值，从而预测出电容器剩余寿命。

Description

全控交直交变流系统直流电容剩余寿命监测方法
技术领域
本发明涉及一种直流电容剩余寿命监测方法，具体涉及一种全控交直交变流系统直流电容剩余寿命监测方法。
背景技术
全控整流交直交变流系统具备高效率和高可靠性，同时提供了幅值和频率完全可控的三相或单相交流电源输出，因此被广泛的应用于各种场合。涉及该变流系统的可靠性研究中，直流侧电容器的剩余寿命在线监测成为近些年的研究热点。多数电容器剩余寿命在线监测方案针对电容器的等效参数进行监测，往往需要增加额外的硬件设备和特制的测量设备。也有些在线监测方案针对部分场合的特殊性，如电机驱动场合，在系统的启动和停机过程中，利用电容器的充放电特性进行电容器等效电容值的计算。这些在线监测方案要么不具备普适性，不便于移植；要么需要额外的经济投入，增加了成本；要么停留在理论研究阶段，抗干扰能力差。
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无需增加额外硬件设备和特制测量设备的，便于移植和实现的，准确度较高的电容剩余寿命在线监测方案。本方案基于电容器一阶等效阻容电路，利用系统中已有的用于变流控制的电压电流传感器，在线实时测量出电容器等效电容值和等效电阻值，从而预测出电容器剩余寿命。
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。
一种全控交直交变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、设置DSP系统的中断频率为10kHz，每中断一次触发一次采样，采样频率也为10kHz；
S4、初始化完毕后启动变流系统：执行三相变流程序，在直流侧输出稳定直流电压，并等待直流侧电压稳定；
S5、执行电流注入程序：在整流输入侧任意相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50Hz的波动；
S6、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；
S7、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；
S8、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50Hz，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，带通频率设为50Hz，通带宽度为2Hz，阶数为395，滤波得到50Hz电容电压和电流波形；根据得到的50Hz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，带通频率为49Hz～51Hz，阶数为4，滤波得到50Hz电容电压和电流波形；根据得到的50Hz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；
Figure BDA0002255490410000051
Figure BDA0002255490410000052
式(1)中，|U50|、∠U50分别代表50Hz电压谐波分量的幅值和相角，|I50|、∠I50分别代表50Hz电流谐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，
S9、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交直交变流系统电路拓扑图。
图2 PWM变流器直流支撑电容剩余寿命在线监测系统框图。
图3电流注入法原理图。
图4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、输入侧为三相交流输入；
2、整流侧为三相半桥全控整流拓扑；
3、直流侧有一个支撑电容，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、逆变侧由三桥臂六个IGBT构成三相交流逆变系统或者由双桥臂四个IGBT构成单相交流逆变系统；
5、负载为三相对称无源线性负载或者单相无源线性负载；
6、CT和VT分别为直流侧电流传感器和电压传感器，CT1、CT2分别为交流侧电流传感器。实线框传感器为监测系统所用传感器，虚线框传感器为监测系统未使用传感器。
基于以上电路拓扑，有如下理论事实：
(1)对于三相全控整流电路而言，可以通过电流注入法使得直流侧出现指定频率的电压脉动，从而使得直流侧电容器中存在相同频率电流分量，本发明向直流侧注入50Hz电流波动；
(2)对于三相三桥臂六个IGBT的三相逆变电路而言，在三相无源线性负载对称且无输入源的情况下，在直流侧电流中几乎没有50Hz的交流电流分量；同理，对于单相双桥臂四个IGBT的单相逆变电路而言，在负载线性无源的情况下，在直流侧电流中同样没有50Hz的交流电流分量；
(3)结合以上两点理论基础可知，直流侧频率为50Hz的电压波动产生的50Hz交流电流分量几乎全部流经电容器；
(4)因此，在电路直流侧安装的电压传感器和电流传感器所测到的50Hz交流电压电流分量可以近似为电容器两端的50Hz电压分量和流经电容的50Hz电流分量。
本文所述的电流注入法相较于传统的电流注入法有所不同，传统的电流注入法在直流侧产生的50Hz电压电流波动，会在50Hz的交流侧电流中引起直流偏置和100Hz的谐波分量，100Hz的谐波分量会使交流侧电流波形发生畸变，导致电流THD(总谐波失真)增加，影响系统稳定性。而本发明提出的电流注入法可以避免电流THD增加的情况。
本发明所述电流注入法如图3所示，基本原理如下所述：
(1)所述电流注入法基于传统的电压电流双闭环整流控制；
(2)所述电流注入法仅需在三相中任意相的电流采样信号中注入直流偏置；
(3)所述电流注入法将会在直流侧产生50Hz的电压波动；
(4)所述电流注入法不会在交流侧耦合出100Hz谐波分量；
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，交直交变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逆变系统输出功率。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)设置DSP系统中断频率为10kHz，在每个中断程序中触发一次采样，从而使得采样率也为10kHz。采样过程由DSP芯片将采样指令发送给FPGA，FPGA控制AD7656完成一次信号采样，并返回数据至DSP系统。
3、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；
4、在DSP芯片采集到电压电流数字信号后，一共有如图3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50Hz，并求取电压电流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，带通频率设为50Hz，通带宽度为2Hz，阶数为395，滤波得到50Hz电容电压和电流波形；根据得到的50Hz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49Hz～510Hz，阶数为4，滤波得到50Hz电容电压和电流波形；根据得到的50Hz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；
5、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。
Figure BDA0002255490410000091
Figure BDA0002255490410000092
式(1)中，|U50|、∠U50分别代表50Hz电压谐波分量的幅值和相角，|I50|、∠I50分别代表50Hz电流谐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)

1.一种全控交直交变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、设置DSP系统的中断频率为10kHz，每中断一次触发一次采样，采样频率也为10kHz；
S4、初始化完毕后启动变流系统：执行三相变流程序，在直流侧输出稳定直流电压，并等待直流侧电压稳定；
S5、执行电流注入程序：在整流输入侧任意相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50Hz的波动；
S6、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；
S7、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；
S8、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50Hz，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，带通频率设为50Hz，通带宽度为2Hz，阶数为395，滤波得到50Hz电容电压和电流波形；根据得到的50Hz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，带通频率为49Hz～51Hz，阶数为4，滤波得到50Hz电容电压和电流波形；根据得到的50Hz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；
Figure FDA0002696336090000031
Figure FDA0002696336090000032
式(1)中，|U50|、∠U50分别代表50Hz电压谐波分量的幅值和相角，|I50|、∠I50分别代表50Hz电流谐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，
S9、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所述的全控交直交变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所述的全控交直交变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所述的全控交直交变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所述的全控交直交变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所述的全控交直交变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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