CN112542841B - 一种实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，根据有源电力滤波器的实际输出补偿电流和控制指令，由控制器计算得到开关器件的开关函数和开关电流频谱，计算出电容电流频谱；控制开关器件和电容形成一个RLC回路，通过测量震荡周期和幅值，计算并拟合得出不同频率下电容的等效串联电阻；依据电容电流频谱和等效串联电阻推算出电容损耗，将电容损耗、电容附近的温度传感器测量的环境温度、电容的热阻模型三者结合，计算得到电容内部的温升；根据温升、环境温度和既定的电容寿命计算公式，由控制器推算出电容的寿命损耗情况并给出预警。本发明考虑实际应用装置中的参数和ESR的频率特性，增加检测的可靠性及准确性。

Description

一种实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器技术领域，具体是一种实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法。

背景技术

随着电力电子技术的快速发展，变流设备得到了大量应用，但其具有的非线性特性不仅降低了电网的功率因数，还带来了很多谐波干扰，影响了电力设备的正常运行，因此电力系统的谐波补偿及功率因数的改善已成为迫切的需求。有源电力滤波器(APF)是解决这些问题的有效设备。

图1中展示了有源电力滤波器的整体结构，主要由电流电压互感器、信号调理及数据采集电路、谐波检测模块、电流跟踪控制模块及PWM逆变器组成。其中PWM指的是一种脉宽调制技术，就是对逆变器的开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，然后用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。各部分的主要作用：

电流电压互感器：将高压大电流信号转换为低压小电流信号；

信号调理及数据采集电路：将互感器输出的模拟量转换为数字量；

谐波检测模块：提取负载电流中的谐波分量以及无功分量。

电流跟踪控制模块：通过控制实际补偿电流与检测到的谐波电流之间的关系，来调节PWM逆变器的输出波形，让有源电力滤波器的实际输出的补偿电流与负载的谐波电流的差值最小。

PWM逆变器：由直流电容提供稳定的电压，通过PWM控制开关管的工作状态，生成与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，然后注入电网以抵消负载中的谐波分量。此处的逆变器可为两电平或三电平逆变器。

其中PWM逆变器是APF装置里的核心设备。由于电解电容具有容量大、价格低等优点，常被用作逆变器直流侧的母线电容。根据研究发现，随着电解电容的工作时间增长，其内部的电解液会不断挥发，造成电容的等效串联电阻(ESR)逐渐增大，使用寿命不断减少，从而影响着逆变器的性能甚至整个APF的安全运行与补偿效果。同时，流过电容的电流也会使电容内部温度升高，一般来说，电容工作温度每升高10℃，电容寿命减小一倍。因此在线监测电解电容ESR、计算电容电流及其温升并预测其使用寿命就具有十分重要的意义。

目前对于电解电容寿命的检测多为基于环境温度与内部温升的模型，但这种检测方法没有与实际应用装置的参数相结合，因此不能为APF装置直流侧电容的设计及选型提供参考；也有一些专利和文献将电容等效为恒定的ESR，然后利用电容电流及ESR来求解内部温升，从而可得出电容的寿命，这种检测方法忽略了电容的等效串联电阻随频率变化而变化的特性，因此准确性较低。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其主要针对电网中的谐波补偿装置APF，结合其输出补偿电流及环境温度给出APF装置自动在线计算电容ESR、电容电流及其温升，然后预测直流侧电容使用寿命并发出预警的方法，增加了检测装置的可靠性及准确性。

本发明采用下述技术方案：

一种实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，包括如下步骤：

A：首先控制器获得有源电力滤波器的实际输出补偿电流，然后控制器计算得出电容电流频谱；

B：控制输出线路的断路器，在直流侧形成振荡回路，然后控制器根据振荡回路测得振荡周期和幅值，计算不同频率下的等效串联电阻；

C：结合电容电流频谱和等效串联电阻，控制器计算得到电解电容内部温升；

D：将电解电容内部温升代入电解电容寿命公式，控制器计算得到电容寿命并预警。

进一步的，所述步骤A包括如下步骤：

A1：控制器通过电流互感器自动获得有源电力滤波器的实际输出补偿电流I_OA(t)；利用双重傅里叶级数得出开关函数表达式s(x,y)，从而可以计算出开关电流；

A2：结合实际输出补偿电流I_OA(t)，控制器计算得出电容电流频谱。

进一步的，所述步骤A1具体包括如下步骤：

A11：首先令载波时间变量、调制波时间变量分别为：

x(t)＝ω_ct (1)

y(t)＝ω₀t (2)

其中ω_c为载波频率，ω₀为基波频率；

A12：利用双重傅里叶级数，开关函数s(t)转化为s(x,y)，结合实际输出补偿电流I_OA(t)，从而可以得出开关电流：

系数表示为：

式(3)中各项可理解为：第一项表示脉冲的直流分量；第二项代表调制波及对应整数倍次谐波含量；第三项代表载波及对应整数倍次谐波含量；最后一项代表载波整数倍次谐波附近所有可能的边频带。

进一步的，所述步骤A2具体包括如下步骤：

A21：控制器通过电流互感器自动获得有源电力滤波器实际输出补偿电流，A相输出电流表示为：

结合开关函数表达式，开关电流表示为：

i_T1(t)＝s(t)×i_OA(t) (6)

开关电流还表示为：

A22：结合两电平空间矢量几何墙模型得出有源电力滤波器中两电平逆变器上桥臂的开关电流：

其中I_OA为输出相电流的幅值，M(y)＝M·cos(ωt)为调制波的函数，M为调制比；

A23：对于其它两相的开关T2和T3，可在i_T1基础上乘以系数e^2jnπ/3和e^-2jnπ/3，直流侧电容电流频谱表示为：

进一步的，所述步骤B包括如下步骤：

B1：控制器控制输出线路上的断路器，断开与电网侧的连接，从而在直流侧形成振荡回路，可等效为一个RLC回路；

B2：控制器向开关管T1输入方波脉冲序列，通过控制方波的周期从而改变开关频率；

B3：控制器通过收集RLC回路的电容电流振荡周期和幅值，计算在不同频率下的电容等效串联电阻；

B4：得出不同频率下的等效串联电阻离散点后，控制器通过拟合的数学方法得出等效串联电阻的频率特性，等效串联电阻的频率特性结合电容电流频谱可计算出电容损耗。

进一步的，所述步骤B3具体包括如下步骤：

B31：控制器采集从零时刻起前4-5个波峰波谷，作为电容的纹波电压和电流，使该电压电流通过一个中心频率(fc)为开关频率(fs)的数字带通滤波器，保留开关频率及附近频带的电流电压，并落入ESR的主导区域；

B32：控制器计算电容纹波电压、电流的开关频率分量的有效值RMS及其比值，该比值是电容器在开关频率区域的阻抗，大约等于电容器的ESR，表示为：

利用代数恒等式，可化为：

最终得到：

其中

为在开关频率下电容纹波电压的RMS值；

为在开关频率下电容电流的RMS值；

为开关频率附近的电容纹波电压的边带幅度RMS值；

为开关频率附近的电容电流的边带幅度RMS值。

进一步的，所述步骤C具体包括如下步骤：

C1：结合电容电流频谱和等效串联电阻，控制器计算出电容损耗：

C2：结合电容损耗和电容的热阻模型，控制器计算得出电容的内部温升：

ΔT＝R_th·P_th (14)

其中R_th为电容内部制造厂商给出的电解电容内部到环境的热阻。

进一步的，所述步骤D中，根据温升、环境温度和既定的电容寿命计算公式，控制器推算出电容寿命的使用情况：

其中L_x为电解电容寿命，L₀为电解电容制造厂商给出的其工作在最高温度及额定电压下的使用时间，T₀为额定温度，Δt为额定温度时最大允许温升，T为环境工作温度，ΔT为由纹波电流产生的温升；

控制器对得出的电容寿命值进行判断，向工作人员发出预警。

进一步的，所述步骤D中还包括：

所述的控制器接收温度传感器检测的电容工作环境温度，将工作环境温度与电容温升进行叠加得到电容实际温度。

进一步的，所述步骤D中还包括：

所述控制器预设阈值L_m，当L_x≤L_m时，所述控制器向报警器发出触发信号，以触发报警器发出报警信号。

本发明的电解电容寿命预测不仅考虑了实际应用装置中的参数，还考虑到了ESR的频率特性，并且所采用的一个RLC回路能够根据要求设定检测频率，增加了检测装置的可靠性及准确性。

附图说明

显然，附图中给出的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本发明实施例有源电力滤波器的模块图；

图2为本发明实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法的流程图；

图3为本发明实施例两电平空间矢量几何墙模型；

图4为本发明有源电力滤波器进行在线检测电容ESR的拓扑图；

图5为本发明有源电力滤波器进行在线检测电容ESR的简化电路；

图6为本发明所述的控制器在线预估拟合电容ESR频率特性的流程图；

图7为本发明有源电力滤波器的控制器在线检测电容ESR的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行完整、清晰地描述。

如图2所示，本发明实施例提供一种实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，包括如下步骤：

A：首先控制器获得有源电力滤波器的实际输出补偿电流，然后控制器计算得出电容电流频谱；

所述步骤A包括如下步骤：

A1：如图1所示为有源电力滤波器的模块图，其中逆变器采用两电平电压型拓扑结构。首先控制器通过有源电力滤波器的电流互感器TA2自动实际输出补偿电流I_0A(t)，然后利用双重傅里叶级数得出开关函数表达式s(t)；

A2：结合输出补偿电流I_0A(t)，控制器计算得出电容电流频谱。

所述步骤A1具体包括如下步骤：

A11：该实例采用正弦调制波与三角载波相比较的调制方式，当调制波大于三角波时，开关信号为1，此时开关管开通；当调制波小于三角波时，开关信号为0，此时开关管关断。

首先令载波时间变量、调制波时间变量分别为：

x(t)＝ω_ct (1)

y(t)＝ω₀t (2)

其中ω₀为基波频率，ω_c为载波频率。

A12：利用双重傅里叶级数，开关函数s(t)可转换为s(x,y)，结合实际输出补偿电流I_OA(t)，从而可以得出开关电流：

系数可表示为：

式(3)中各项可理解为：第一项表示脉冲的直流分量；第二项代表调制波及对应整数倍次谐波含量；第三项代表载波及对应整数倍次谐波含量；最后一项代表载波整数倍次谐波附近所有可能的边频带。

所述步骤A2具体包括如下步骤：

A21：控制器通过电流互感器TA自动获得有源电力滤波器实际输出补偿电流I_0A(t)，A相输出电流可表示为：

结合开关函数表达式，那么开关电流就可表示为：

i_T1(t)＝s(t)×i_OA(t) (6)

在时域内的乘积可以转换为在频域中的卷积，其在频域内起到频谱搬移的作用。因此还可表示为：

A22：利用几何墙的方法，可便于分析任意调制方式下的直流侧电容电流的傅立叶系数。如图3所示，图中阴影部分表示在该调制方式下，电流i_T1(t)导通的区域，其中y表示电流基波相角ω₀t，x表示载波的相角ω_ct，系数p表示载波频率与调制波频率之比即载波比，函数y＝x/p与调制波的交叉点表示的为脉冲对的起始与结束时刻。

据此可以得出有源电力滤波器中两电平逆变器上桥臂的开关电流：

其中I_OA为输出相电流的幅值，M(y)＝M·cos(ωt)为调制波的函数，M为调制比。

A23：对于其它两相的开关T2和T3来说，可以在i_T1基础上乘以系数e^2jnπ/3和e^-2jnπ/3，因此，直流侧电容电流频谱可以表示为：

B：控制输出线路的断路器，在直流侧形成振荡回路，然后控制器根据振荡回路测得振荡周期和幅值，计算不同频率下的等效串联电阻；

所述步骤B包括如下步骤：

B1：如图1所示，控制器控制输出线路上的断路器K，断开与电网侧的连接，从而在直流侧形成振荡回路，电容电流I_c(t)流向如图4所示，图中的滤波电感L₁和接地电容C₀只会改变回路的阻抗参数，对于电容ESR的计算几乎没有影响。

B2：控制器向开关管T1输入方波脉冲序列，为了计算的方便，可设置方波占空比为50％，幅度为E/2且周期为T，此方波表达式可表示为：

其傅里叶级数展开式为：

其中ω₀为基波角频率。

控制器通过控制方波的周期便可控制开关频率，其等效电路如图5所示，实际上就为一个RLC放电回路；

B3：如图1所示，首先控制器通过有源电力滤波器原有的电流互感器TA2获得电容电流I_c(t)(即未断开断路器时的I_OA(t))，通过电压互感器VM获得电容纹波电压U_c(t)，然后控制器测量它们振荡周期和幅值，最后计算在不同频率下的电容等效串联电阻；

B4：得出不同频率下的等效串联电阻离散点后，控制器通过拟合的数学方法得出等效串联电阻的频率特性，再结合电容电流频谱，可以计算出电容损耗。如图6为控制器计算并拟合电容ESR的流程图。

所述步骤B3具体包括如下步骤：

B31：控制器采集从零时刻起前4-5个波峰波谷，并作为电容的纹波电压和电流，使该电压电流通过一个中心频率(fc)为开关频率(fs)的数字带通滤波器，保留开关频率及附近频带的电流电压，并落入ESR的主导区域。

B32：如图7所示为控制器自动在线计算ESR的流程图。因任意形状的周期波形都可以由不同正弦波分量的总和表示，且在任意给定的时刻，电压和电流的不同正弦波分量的RMS值之比将等于特定频率分量的电容的阻抗。该比值是电容器在开关频率区域的阻抗，大约等于电容器的ESR。

等效串联电阻ESR可表示为：

利用代数恒等式，可化为：

最终得到：

其中

为在开关频率下电容纹波电压的RMS值；

为在开关频率下电容电流的RMS值；

为开关频率附近的电容电压的边带幅度RMS值；

为开关频率附近的电容电流的边带幅度RMS值。

C：结合电容电流频谱和等效串联电阻，控制器计算得到电解电容内部温升；

所述步骤C具体包括如下步骤：

C1：依据电容电流频谱和等效串联电阻，控制器计算出电容损耗：

C2：控制器结合电容损耗和电容的热阻模型，计算得出电容的内部温升：

ΔT＝R_th·P_th (16)

其中R_th为电容内部制造厂商给出的电解电容内部到环境的热阻。

D：将电解电容温升代入电解电容寿命公式，控制器计算得到电容寿命并预警。

所述步骤D中，根据温升、环境温度和既定的电容寿命计算公式，控制器推算出电容寿命的使用情况：

其中L_x为电解电容寿命，L₀为电解电容制造厂商给出的其工作在最高温度及额定电压下的使用时间，T₀为额定温度，Δt为额定温度时最大允许温升(比如5℃)，T为环境工作温度，ΔT为由纹波电流产生的温升。

控制器通过判断得出的电容寿命值，向工作人员发出预警。

所述步骤D中还可包括：

检测所述电解电容的工作环境温度T；

所述的控制器接受所述温度传感器的电容工作环境温度T，将工作环境温度T与电容温升进行叠加得到电容实际温度。

所述步骤D中还可包括：

所述控制器预设阈值L_m，当L_x≤L_m时，所述控制器向报警器发出触发信号。

本发明首先根据有源电力滤波器的实际输出补偿电流和控制指令，由控制器计算得到开关器件的开关函数和开关电流频谱；再计算出电容电流频谱；然后控制开关器件和电容形成一个RLC回路，通过测量震荡周期和幅值，计算并拟合得出不同频率下电容的等效串联电阻；接着依据电容电流频谱和等效串联电阻推算出电容损耗，将电容损耗、电容附近的温度传感器测量的环境温度、电容的热阻模型三者结合，计算得到电容内部的温升(温度值)；根据温升、环境温度和既定的电容寿命计算公式，由控制器推算出电容的寿命损耗情况并给出预警。

本发明利用的是有源电力滤波器已有的传感器和控制器，没有增加额外的成本。本发明对评估有源电力滤波器在实际现场的使用寿命具有重要意义，也可以对有源电力滤波器的直流侧电容的设计选型提供指导，还可以为设备运行方式的优化调度提供依据。

需要强调的是，上述实施示例是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的拓扑结构以及调制方式在经过微小的改变后均适应，任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：包括如下步骤：

A：首先控制器获得有源电力滤波器的实际输出补偿电流，然后控制器计算得出电容电流频谱；

B：控制输出线路的断路器，在直流侧形成振荡回路，然后控制器根据振荡回路测得振荡周期和幅值，计算不同频率下的等效串联电阻；

C：结合电容电流频谱和等效串联电阻，控制器计算得到电解电容内部温升；

D：将电解电容内部温升代入电解电容寿命公式，控制器计算得到电容寿命并预警；

步骤B中控制器通过收集RLC回路的电容电流振荡周期和幅值，计算在不同频率下的电容等效串联电阻，具体包括如下步骤：

控制器采集从零时刻起前4-5个波峰波谷，作为电容的纹波电压和电流，使该电压电流通过一个中心频率为开关频率的数字带通滤波器，保留开关频率及附近频带的电流电压，并落入ESR的主导区域；

控制器计算电容纹波电压、电流的开关频率分量的有效值RMS及其比值，该比值是电容器在开关频率区域的阻抗，大约等于电容器的ESR，表示为：

利用代数恒等式，可化为：

最终得到：

其中

为在开关频率下电容纹波电压的RMS值；

为在开关频率下电容电流的RMS值；

为开关频率附近的电容纹波电压的边带幅度RMS值；

为开关频率附近的电容电流的边带幅度RMS值。

2.如权利要求1所述的实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：所述步骤A包括如下步骤：

A1：控制器通过电流互感器自动获得有源电力滤波器的实际输出补偿电流I_OA(t)；利用双重傅里叶级数得出开关函数表达式s(x,y)，从而可以计算出开关电流；

A2：结合实际输出补偿电流I_OA(t)，控制器计算得出电容电流频谱。

3.如权利要求2所述的实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：所述步骤A1具体包括如下步骤：

A11：首先令载波时间变量、调制波时间变量分别为：

x(t)＝ω_ct (1)

y(t)＝ω₀t (2)

其中ω_c为载波频率，ω₀为基波频率；

A12：利用双重傅里叶级数，开关函数s(t)转化为s(x,y)，结合实际输出补偿电流I_OA(t)，从而可以得出开关电流：

系数表示为：

式(3)中各项可理解为：第一项表示脉冲的直流分量；第二项代表调制波及对应整数倍次谐波含量；第三项代表载波及对应整数倍次谐波含量；最后一项代表载波整数倍次谐波附近所有可能的边频带。

4.如权利要求3所述的实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：所述步骤A2具体包括如下步骤：

A21：控制器通过电流互感器自动获得有源电力滤波器实际输出补偿电流，A相输出电流表示为：

结合开关函数表达式，开关电流表示为：

i_T1(t)＝s(t)×i_OA(t) (6)

开关电流还表示为：

A22：结合两电平空间矢量几何墙模型得出有源电力滤波器中两电平逆变器上桥臂的开关电流：

其中I_OA为输出相电流的幅值，M(y)＝M·cos(ωt)为调制波的函数，M为调制比；

A23：对于其它两相的开关T2和T3，可在i_T1基础上乘以系数e^2jnπ/3和e^-2jnπ/3，直流侧电容电流频谱表示为：

5.如权利要求1所述的实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：所述步骤B包括如下步骤：

B1：控制器控制输出线路上的断路器，断开与电网侧的连接，从而在直流侧形成振荡回路，可等效为一个RLC回路；

B2：控制器向开关管T1输入方波脉冲序列，通过控制方波的周期从而改变开关频率；

B3：控制器通过收集RLC回路的电容电流振荡周期和幅值，计算在不同频率下的电容等效串联电阻；

B4：得出不同频率下的等效串联电阻离散点后，控制器通过拟合的数学方法得出等效串联电阻的频率特性，等效串联电阻的频率特性结合电容电流频谱可计算出电容损耗。

6.如权利要求1所述的实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：所述步骤C具体包括如下步骤：

C1：结合电容电流频谱和等效串联电阻，控制器计算出电容损耗：

C2：结合电容损耗和电容的热阻模型，控制器计算得出电容的内部温升：

ΔT＝R_th·P_th (14)

其中R_th为电容内部制造厂商给出的电解电容内部到环境的热阻。

7.如权利要求1所述的实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：所述步骤D中，根据温升、环境温度和既定的电容寿命计算公式，控制器推算出电容寿命的使用情况：

其中L_x为电解电容寿命，L₀为电解电容制造厂商给出的其工作在最高温度及额定电压下的使用时间，T₀为额定温度，Δt为额定温度时最大允许温升，T为环境工作温度，ΔT为由纹波电流产生的温升；

控制器对得出的电容寿命值进行判断，向工作人员发出预警。

8.如权利要求7所述的实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：所述步骤D中还包括：

所述的控制器接收温度传感器检测的电容工作环境温度，将工作环境温度与电容温升进行叠加得到电容实际温度。

9.如权利要求7或8所述的实时监测有源电力滤波器直流侧电解电容寿命的方法，其特征在于：所述步骤D中还包括：

所述控制器预设阈值L_m，当L_x≤L_m时，所述控制器向报警器发出触发信号，以触发报警器发出报警信号。

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