CN112924744A - 纹波电流的测量方法和装置、计算机设备、线圈组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纹波电流的测量方法和装置、计算机设备、线圈组件。该纹波电流的测量方法包括：采集线圈组件对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压；对感应电压进行积分处理，得到纹波电流的交流分量；利用直流分量补偿交流分量，得到纹波电流的测量值。采用本发明实施例中的技术方案，能够实时采集直流电容在变流器运行过程中的纹波电流，进而提升纹波电流采集的精准度。
Description
技术领域
本发明涉及变流器技术领域，尤其涉及一种纹波电流的测量方法和装置、计算机设备、线圈组件。
背景技术
变流器中直流侧安装有直流母线电容，用于稳定直流母线电压或者给供电系统提供无功支撑能量。在大功率变流系统中，直流母线电容通常由多个电容并联组成。直流电容之间的杂散电阻、电感会在电容之间形成纹波电流，导致电容发热、严重时甚至过热损坏。
目前主要通过对变流器的优化设计来减少纹波电流，但是随着变流器运行越久，直流电容容值以及杂散电阻都会发生变化，导致纹波电流也随之变化，实时采集直流电容在变流器运行过程中的纹波电流显得十分重要。
发明内容
本发明实施例提供了一种纹波电流的测量方法和装置、计算机设备、线圈组件，能够实时采集直流电容在变流器运行过程中的纹波电流，进而提升纹波电流采集的精准度，为直流母线电容的工作状态监控提供有力依据。
第一方面，本发明实施例提供一种纹波电流的测量方法，该方法包括：
采集线圈组件对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压；
对感应电压进行积分处理，得到纹波电流的交流分量；
利用直流分量补偿交流分量，得到纹波电流的测量值。
在第一方面的一种可能的实施方式中，利用直流分量补偿交流分量，得到纹波电流的测量值的步骤，包括：调整交流分量的幅值至预设采样幅值范围内，得到幅值调整后的交流分量；利用直流分量补偿幅值调整后的交流分量，得到纹波电流的中间值；对中间值进行幅值校准，得到纹波电流的测量值。
在第一方面的一种可能的实施方式中，利用直流分量补偿交流分量，得到纹波电流的测量值的步骤，包括：对交流分量进行滤波处理，得到滤波处理后的交流分量；利用直流分量补偿滤波处理后的交流分量，得到纹波电流的测量值。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在利用直流分量补偿交流分量，得到纹波电流的测量值的步骤之后，该方法还包括：根据纹波电流的测量值和对应纹波电流的给定值的差值，调整直流电容所在变流器的开关频率和/或输出电流。
第二方面，本发明实施例提供一种纹波电流的测量装置，该装置包括：电压采集模块，用于采集线圈组件对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压；积分模块，用于对感应电压进行积分处理，得到纹波电流的交流分量；补偿模块，用于利用直流分量补偿交流分量，得到纹波电流的测量值。
在第二方面的一种可能的实施方式中，补偿模块具体包括：幅值调整单元，用于调整交流分量的幅值至预设采样幅值范围内，得到幅值调整后的交流分量；补偿单元，用于利用直流分量补偿幅值调整后的交流分量，得到纹波电流的中间值；幅值校准单元，用于对中间值进行幅值校准，得到纹波电流的测量值。
在第二方面的一种可能的实施方式中，该装置设置在风力发电机组的主控制器或者变流器控制器中。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，其上存储有程序，程序被处理器执行时实现如上文所述的纹波电流的测量方法。
第四方面，本发明实施例提供一种线圈组件，该线圈组件包括：
基板，包括具有贯通孔的本体部，本体部具有第一孔组及第二孔组，第一孔组包括多个环绕贯通孔的轴线间隔设置的第一穿孔，第二孔组包括多个环绕轴线间隔设置的第二穿孔，多个第一穿孔所在分度圆的直径大于多个第二穿孔所在分度圆的直径；
线圈，环绕轴线设置且具有两个相对的自由端，其中一个自由端在线圈的环绕路径上交替穿过第一穿孔以及第二穿孔并且与另一个自由端聚拢；
线圈组件能够通过贯通孔套设于变流器的直流电容端子并通过线圈得到对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压。
在第四方面的一种可能的实施方式中，基板还包括远离基板的方向凸出的延伸板，延伸板的方向与贯通孔的轴向相交，延伸板上设置有两个引出端子，每个自由端固定于其中一个引出端子；线圈组件通过贯通孔套设于直流电容端子时，引出端子与直流电容之间有间隔。
在第四方面的一种可能的实施方式中，线圈组件还包括绝缘封装层，绝缘封装层包覆线圈设置。
根据线圈的磁感应原理，在本发明实施例中，可以利用电流变化率采集感应电压，之后对感应电压做积分运算得到纹波电流交流分量，并通过直流分量补偿得到最终的纹波电流幅值，从而能够实时采集直流电容在变流器运行过程中的纹波电流，通过采集的实时性，提升了纹波电流采集的精准度，为直流母线电容的工作状态监控提供有力依据。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明实施例提供的纹波电流的测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的线圈组件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的线圈组件的安装示意图；
图4为本发明实施例提供的基于硬件电路加软件的电压处理逻辑示意图；
图5为本发明实施例提供的纹波电流的测量装置的结构示意图。
附图标记说明：
201-基板；2011-贯通孔；2012-第一穿孔；2013-第二穿孔；
2014-引出端子；202-线圈；301-直流电容端子；401-积分电路；
402-幅值调整电路；403-AD采集单元；404-变流器控制器。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
直流电容的纹波电流由直流分量和一定幅值频率交流分量叠加组成，并且实时变化，方向为垂直于电容端子表面。
直流电容的纹波电流I(t)的表达式为：
I(t)＝I0+I1cos at+I2cos bt+I3cos ct (1)
其中，I0为纹波电流的直流分量，I1、I2、I3为纹波电流的交流分量。
其中，交流分量垂直于电容端子表面，并可产生平行于电容端子表面的交变磁场。若将一组线圈置于电容端子表面的交变磁场中，根据线圈的磁感应原理，线圈的感应电压U的表达式为：
U＝L×di/dt (2)
其中，L为线圈电感，di/dt为纹波电流的变化率。
基于此，本发明实施例提供了一种纹波电流的测量方法和装置、线圈组件、变流器控制器。采用本发明实施例中的技术方案，能够实时采集直流电容在变流器运行过程中的纹波电流。
图1为本发明实施例提供的纹波电流的测量方法的流程示意图。如图1所示，该纹波电流的测量方法包括步骤101至步骤103。
在步骤101中，采集线圈组件对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压。
在步骤102中，对感应电压进行积分处理，得到纹波电流的交流分量。
在步骤103中，利用直流分量补偿交流分量，得到纹波电流的测量值。
参见公式(2)，根据线圈的磁感应原理，可以利用电流变化率采集感应电压，之后对感应电压做积分运算得到纹波电流交流分量，并通过直流分量补偿得到最终的纹波电流幅值，从而能够实时采集直流电容在变流器运行过程中的纹波电流。通过采集的实时性，提升了纹波电流采集的精准度，为直流母线电容的工作状态监控提供有力依据。
为了准确、方便地实时采集直流母线电容在变流器运行过程中的纹波电流，可以将线圈组件以PCB板的形式安装与直流电容的输出端子上，相比于市场上的传感器具有体积小、成本低和易于实现的优点。
此外，本发明实施例采用无磁芯结构的线圈来采集直流电容的纹波电流，不会产生磁饱和现象，因此这种方式采集的电流变化率准确，提高了纹波电流的采集精度。
图2为本发明实施例提供的线圈组件的结构示意图。
如图2所示，该线圈组件包括基板201和线圈202。
其中，基板201包括具有贯通孔2011的本体部，本体部具有第一孔组及第二孔组，第一孔组包括多个环绕贯通孔2011的轴线(O点所在位置)间隔设置的第一穿孔2012，第二孔组包括多个环绕轴线间隔设置的第二穿孔2013，多个第一穿孔2012所在分度圆r1的直径大于多个第二穿孔2013所在分度圆r2的直径。
线圈202环绕轴线设置且具有两个相对的自由端(P1和P2)，其中一个自由端在线圈202的环绕路径上交替穿过第一穿孔2012以及第二穿孔2013并且与另一个自由端聚拢。
图3为本发明实施例提供的线圈组件的安装示意图。
如图3所示，直流电容的出线端设置至少5mm厚的接线端子，以与直流母排连接，线圈组件能够通过贯通孔2011套设于变流器的直流电容端子301并通过线圈202得到对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压。
在本发明实施例中，由于线圈202是套设于变流器的直流电容端子301上的，因此能够360度感测直流电容端子301处的纹波电容产生的交变磁场，从而不会遗漏任何磁场数据，对纹波电流的测量精度较高。
在一些实施例中，基板201还包括远离基板201的方向凸出的延伸板，延伸板的方向与贯通孔2011的轴向相交，延伸板上设置有两个引出端子2014，每个自由端固定于其中一个引出端子2014。其中，引出端子2014与直流电容之间有间隔，以加强线圈组件中线圈202和变流器直流电压的绝缘，避免对影响直流电容工作。安装时，可以将引出端子2014朝下，防止引出端子2014和直流母排干涉。
在一些实施例中，线圈组件还包括绝缘封装层，绝缘封装层包覆线圈202设置，以进一步加强线圈组件中线圈202和变流器直流电压的绝缘。
具体实施时，线圈组件可以为PCB板结构，感应线圈202可以通过双层布线的形式设置在PCB板内，形成基于PCB板厚的多匝串联垂直线圈202。示例性地，PCB板厚可以设置为2-3mm。
此外，PCB板中的线圈202匝数变化性较大，可以通过调整PCB板上的线圈202匝数可以控制感应电压幅值，限制PCB板输入信号电压信号过高。
下面对线圈组件采集的感应电压的处理过程进行说明。
需要说明的是，电压处理部分可以全部采用硬件电路的形式实现，也可以全部采用软件实现，还可以采用硬件电路加软件的实现方式。
图4为本发明实施例提供的基于硬件电路加软件的电压处理逻辑示意图。图4中示出的硬件电路部分包括积分电路401、幅值调整电路402和AD采集单元403。
具体地，感应电压U0经过积分电路401还原纹波电流波形，输出U1，其中，通过调节电阻R1和电容Cf可以调整还原纹波电流波形的幅值。积分电路401之后U1经过幅值调整电路402进行幅值调制，通过调整电阻R3和电阻R4，可以保证输出信号U2满足AD采集单元403的采样幅值需求。示例性地，AD采样单元的预设采样幅值为0～5V。此处不限定积分电路401和幅值调整电路402的具体结构，具有积分功能和幅值调整功能的电路结构均可以。
图4中示出的软件部分由变流器控制器404实现，AD采集单元403将幅值调整后的交流分量发送至变流器控制器404，变流器控制器404利用直流分量补偿幅值调整后的交流分量，得到纹波电流的中间值。该实施例中，电流纹波经过AD采集单元403进入变流器控制器404软件参与纹波电流的计算，幅值进行压缩调整，因此需要再对中间值进行幅值校准，才能得到纹波电流的测量值。
具体地，可以使用标准的电流传感器采集直流电容的纹波电流并通过示波器装置显示出来，以对变流器控制器404计算出来的纹波电流的中间值进行校准，使输出结果与实际纹波电流幅值保持一致。这里，标准的电流传感器一般价格昂贵。
在一些实施例中，为了滤除噪声信号，变流器控制器404也可以对交流分量进行滤波处理，得到滤波处理后的交流分量，再利用直流分量补偿滤波处理后的交流分量，得到纹波电流的测量值。
在一些实施例中，变流器控制器404也可以对幅值调整后的交流分量进行滤波处理，得到滤波处理后的交流分量，再利用直流分量补偿滤波处理后的交流分量，得到纹波电流的中间值，再对中间值进行幅值校准，得到纹波电流的测量值。
如上所述，本发明实施例采用感应线圈测量纹波电流的变化率，通过调整电路参数和软件滤波参数，变流器系统可以在运行中实时采集直流纹波电流，通过采集的实时性，提升了纹波电流采集的精准度，为直流母线电容的工作状态监控提供有力依据，比如，能够有效预防电容过热失效，也能够指导电容容值的设计。
进一步地，在得到纹波电流的测量值之后，还可以将电容纹波电流作为软件的控制量，根据纹波电流的测量值和对应纹波电流的给定值的差值，调整直流电容所在变流器的开关频率和/或输出电流，使直流电容的纹波电流控制在合理范围内。比如，当纹波电流的测量值对应纹波电流的给定值的差值较大时，说明直流电容的纹波电流较高，持续运行下容易导致直流电容失效。针对这种情况，可以通过降低变流器的开关频率或者输出电流的方式来降低纹波电流幅值，延长直流电容的使用寿命。
图5为本发明实施例提供的纹波电流的测量装置的结构示意图，图1中的解释说明可以应用于本实施例。如图5所示，该纹波电流的测量装置包括：电压采集模块501(其具有与步骤101对应的功能)、积分模块502(其具有与步骤102对应的功能)和补偿模块503(其具有与步骤103对应的功能)。
其中，电压采集模块501用于采集线圈组件对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压。积分模块502用于对感应电压进行积分处理，得到纹波电流的交流分量。补偿模块503用于利用直流分量补偿交流分量，得到纹波电流的测量值。
根据线圈的磁感应原理，电压采集模块501可以利用电流变化率采集感应电压，之后积分模块502对感应电压做积分运算得到纹波电流交流分量，补偿模块503通过直流分量补偿得到最终的纹波电流幅值，从而能够实时采集直流电容在变流器运行过程中的纹波电流。将线圈组件以PCB板的形式安装与直流电容的输出端子上，相比于市场上的传感器，能够准确、方便地实时采集直流母线电容在变流器运行过程中的纹波电流，具有体积小、成本低和易于实现的优点。
在一些实施例中，补偿模块503具体包括：幅值调整单元、补偿单元和幅值校准单元。其中，幅值调整单元用于调整交流分量的幅值至预设采样幅值范围内，得到幅值调整后的交流分量。补偿单元用于利用直流分量补偿幅值调整后的交流分量，得到纹波电流的中间值；幅值校准单元用于对中间值进行幅值校准，得到纹波电流的测量值。
需要说明的是，本发明实施例中的纹波电流的测量装置可以设置在风力发电机组的主控制器或者变流器控制器中，从而不需要变更任何硬件，也可以是具有独立运算功能的逻辑器件，此处不进行限定。
本发明实施例还提供一种计算机设备，其上存储有程序，程序被处理器执行时实现如上所述的纹波电流的测量方法。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。
Claims (11)
1.一种纹波电流的测量方法，其特征在于，包括：
采集线圈组件对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压；
对所述感应电压进行积分处理，得到所述纹波电流的交流分量；
利用直流分量补偿所述交流分量，得到所述纹波电流的测量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用直流分量补偿所述交流分量，得到所述纹波电流的测量值的步骤，包括：
调整所述交流分量的幅值至预设采样幅值范围内，得到幅值调整后的交流分量；
利用所述直流分量补偿所述幅值调整后的交流分量，得到所述纹波电流的中间值；
对所述中间值进行幅值校准，得到所述纹波电流的测量值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用直流分量补偿所述交流分量，得到所述纹波电流的测量值的步骤，包括：
对所述交流分量进行滤波处理，得到滤波处理后的交流分量；
利用直流分量补偿所述滤波处理后的交流分量，得到所述纹波电流的测量值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述利用直流分量补偿所述交流分量，得到所述纹波电流的测量值的步骤之后，所述方法还包括：
根据所述纹波电流的测量值和对应纹波电流的给定值的差值，调整所述直流电容所在变流器的开关频率和/或输出电流。
5.一种纹波电流的测量装置，其特征在于，包括：
电压采集模块，用于采集线圈组件对变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压；
积分模块，用于对所述感应电压进行积分处理，得到所述纹波电流的交流分量；
补偿模块，用于利用直流分量补偿所述交流分量，得到所述纹波电流的测量值。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述补偿模块具体包括：
幅值调整单元，用于调整所述交流分量的幅值至预设采样幅值范围内，得到幅值调整后的交流分量；
补偿单元，用于利用直流分量补偿所述幅值调整后的交流分量，得到所述纹波电流的中间值；
幅值校准单元，用于对所述中间值进行幅值校准，得到所述纹波电流的测量值。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述装置设置在风力发电机组的主控制器或者变流器控制器中。
8.一种计算机设备，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的纹波电流的测量方法。
9.一种线圈组件，其特征在于，包括：
基板，包括具有贯通孔的本体部，所述本体部具有第一孔组及第二孔组，所述第一孔组包括多个环绕所述贯通孔的轴线间隔设置的第一穿孔，所述第二孔组包括多个环绕所述轴线间隔设置的第二穿孔，多个所述第一穿孔所在分度圆的直径大于多个所述第二穿孔所在分度圆的直径；
线圈，环绕所述轴线设置且具有两个相对的自由端，其中一个所述自由端在所述线圈的环绕路径上交替穿过所述第一穿孔以及所述第二穿孔并且与另一个所述自由端聚拢；
所述线圈组件能够通过所述贯通孔套设于变流器的直流电容端子并通过所述线圈得到对所述变流器中直流电容因纹波电流产生的交变磁场的感应电压。
10.根据权利要求9所述的线圈组件，其特征在于，
所述基板还包括远离基板的方向凸出的延伸板，所述延伸板的方向与所述贯通孔的轴向相交，所述延伸板上设置有两个引出端子，每个所述自由端固定于其中一个所述引出端子；
所述线圈组件通过所述贯通孔套设于所述直流电容端子时，所述引出端子与所述直流电容之间有间隔。
11.根据权利要求9所述的线圈组件，所述线圈组件还包括绝缘封装层，所述绝缘封装层包覆所述线圈设置。
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