CN115015794A - 基于铝电解电容的ups健康状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于铝电解电容的UPS健康状态评估方法，包括：将铝电解电容的电容值和等效串联电阻值作为故障特征参数；根据UPS中的逆变器分析建立UPS混杂系统模型，然后将UPS混杂系统模型离散型，再将确定的故障特征参数输入至模型中进行参数辨识；从而确立电路中铝电解电容的特征值；最后基于特征值评估UPS的健康状态。本发明通过分析铝电解电容的失效机制以及对铝电解电容进行参数辨识，采用判断特征参数偏离初始值程度的方法，结合铝电解电容的失效标准得出的失效阈值，将辨识得到的特征参数与得到的失效阈值进行比较，有效提高了判断UPS健康状态的准确性。

Description

基于铝电解电容的UPS健康状态评估方法

技术领域

本发明涉及电力电子设备技术领域，特别涉及基于铝电解电容的UPS健康状态评估方法。

背景技术

不间断电源(Uninterruptible Power System，UPS)，是一种新型的交流不间断电源系统，其可以在市电异常或者断电的情况下，为负载不间断电源提供电能并保证供电质量。在日常生活中，电网可能由于配置不合理，容量不足等各种各样的问题，导致市电存在电压浪涌、过电压、频率偏移等供电质量不佳问题，但随着科技创新及技术的逐步发展，越来越多的尖端设备对供电质量的要求也愈发的严格，如果供电质量不高或供电突然中断，轻者会造成设备数据丢失、系统运行状况不良及生产不合格产品等因素，重则会导致系统直接瘫痪，从而在经济上造成难以估量的损失，因此，对UPS的研究受到广泛关注。UPS的健康状况直接关乎到UPS能否继续提供优质电流。对移动UPS进行健康状态评估，不仅能够有效的判断UPS的状态，并且对负载的保护及是否能为负载提供其所需的优质电流都具有重要意义。

现有技术中电力电子电路健康状况的诊断方法大多是针对开路、短路等结构性故障，而对由于电力电子内部元器件老化引起的参数性故障的技术较少，由于内部元器件老化会造成电源性能变差以及其他输出参数发生变化的问题，导致难以判断UPS的健康状态，从而不能为负载提供优质电源。

发明内容

针对UPS系统的参数性故障，本发明目的在于提出基于铝电解电容的UPS健康状态评估方法。通过对铝电解电容的进行失效分析和故障特征参数辨识判断UPS当前的健康状况。

本申请实施例第一方面提供了基于铝电解电容的UPS健康状态评估方法，包括：

采集故障特征参数，所述故障特征参数为铝电解电容的电容值和等效串联电阻值；

将所述故障特征参数输入至离散型UPS混杂系统模型中进行参数辨识，所述离散型UPS混杂系统模型根据UPS中的逆变器分析得到；

根据所述参数辨识确定所述故障特征参数对应的特征值；

基于所述特征值评估所述UPS的健康状态。

可选的，所述采集故障特征参数，所述故障特征参数为铝电解电容的电容值和等效串联电阻值，包括：

通过铝电解电容的等效模型的分析结果选取故障特征参数，所述故障特征参数为铝电解电容的电容值和等效串联电阻值。

可选的，所述将所述故障特征参数输入至离散型UPS混杂系统模型中进行参数辨识，包括：

建立离散型UPS混杂系统模型，通过最小二乘法对UPS故障特征参数中进行参数辨识，表达式为：

其中

根据辨识参数θ_c3，θ_c4，θ_b9，θ_a12，θ_b12，θ_b22，θ_c15推算所述辨识参数的表达式为：

可选的，所述UPS混杂系统模型为：

其中

并且a₁＝1/(R+R_c),a₂＝1/(R+R_c),a₃＝R R_c/(R+R_c),∑＝L_aL_b+L_bL_c+L_aL_c。

可选的，所述基于所述特征值评估所述UPS的健康状态，包括：

获取所述铝电解电容的失效阈值，所述失效阈值为：

将所述特征值与所述失效阈值进行比较来评估所述UPS的健康状态。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请中，系统将铝电解电容的电容值和其等效串联电阻值作为故障特征参数，将确定的故障特征参数输入至离散型UPS混杂系统模型中进行参数辨识，其中离散型UPS混杂系统模型根据UPS中的逆变器分析得到，根据参数辨识从而确定故障特征参数对应的特征值，最后系统基于特征值来判断UPS系统当前的健康状态，本发明通过分析铝电解电容以及进行故障特征参数辨识，有效提高了判断UPS健康状态的准确性。

附图说明

图1为本发明的评估方法流程示意图；

图2为铝电解电容的等效模型；

图3为铝电解电容的等效简化模型；

图4为UPS简化等效模型；

图5为仿真数据表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作更进一步的说明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

本实施例中，基于铝电解电容的UPS健康状态评估方法可在系统中实现，可以在服务器实现，也可以在终端实现，具体不做明确限定。

请参阅图1至图5，本申请实施例使用系统举例描述，本申请实施例中基于铝电解电容的UPS健康状态评估方法一个实施例包括：

101、系统采集故障特征参数，故障特征参数为铝电解电容的电容值和等效串联电阻值；

本实施例中系统通过铝电解电容的等效模型分析结果选取故障特征参数，其中故障特征参数为铝电解电容值与其等效串联电阻值，电容和等效串联电阻的退化模型分别为：

ΔC(t)＝e^αt-β

其中，t为电解电容的工作时间，α、β为模型参数，k为定值，仅由组成电容的材料本身所决定。

102、系统将故障特征参数输入至离散型UPS混杂系统模型中进行参数辨识，离散型UPS混杂系统模型根据UPS中的逆变器分析得到；

本实施例中移动UPS的混杂系统模型为：

其中

并且a₁＝1/(R+R_c),a₂＝1/(R+R_c),a₃＝R R_c/(R+R_c),∑＝L_aL_b+L_bL_c+L_aL_c。

将移动UPS的混杂系统模型离散化，并根据最小二乘法原理，并将其表示为参数形式：

其中

最终选取所需辨识的参数为R，R_c，C，L_a，L_b，L_c，因此取θ_c3，θ_c4，θ_b9，θ_a12，θ_b12，θ_b22，θ_c15七个参数作为计算量，推出所需辨识参数表达式为：

需要说明的是，用最小二乘法对电路进行参数辨识得到结果误差在可接受范围之内，并结合辨识参数的失效阈值，可得到UPS的健康状况。健康状态下的仿真数据如图5中的表1所示。

103、系统根据参数辨识确定故障特征参数对应的特征值；

由步骤102获得较为准确的UPS电解电容参数后，可将其作为描述UPS系统健康状况的特征参数，也就是参数对应的特征值，并结合辨识参数的失效阈值，对UPS当前的健康状况进行评估。

104、系统基于特征值评估UPS的健康状态。

本实施例中，系统在评估UPS健康状态之前还需要获取铝电解电容的失效阈值，由铝电解电容的失效机理可知，在其等效串联电阻ESR上升到初始值的3倍，或者其电容值下降为初始值的80％时，就可认为其已经失效。故因此可以的到其失效阈值：

若要得到UPS的健康状态，既可以根据UPS的输入电流，输入电压，输出电流与输出电压，对其电容的特征参数进行辨识，将辨识参数与其失效阈值相比较，有四种情况：

(1)当电容的等效电阻值与电容值均未处于失效阈值中，可判定电容状况良好，UPS的状态健康；

(2)当电容的等效电阻值ESR大于其初始值的3倍，而电容值仍处于健康范围之内，则判定电容已经失效，进而判定UPS状态不良；

(3)当电容的电容值小于其初始值的80％，但ESR仍处于健康范围之内，则电容已经失效，判定UPS的状态不良；

(4)当铝电解电容的电容值小于初始值的80％且其等效电阻值ESR大于初始值的3倍，则判定电解电容失效，UPS状态不良。

例如：在UPS系统中选择IGBT作为开关器件，输入电压的有效值为100V，频率为50Hz，滤波电感均为2mH，电容的等效串联电阻为0.1Ω，电容为1mF，负载电阻为10Ω，载波频率为1kHz，采样频率为1kHz。减小铝电解电容的电容值及增大其等效电阻值进行模拟故障分析，得出UPS的健康数据。

当减小电容值到0.8mF，进行仿真，观察仿真结果，此时电容值虽然减小，但是其还仍未到达失效，仿真数据如表2所示。

保持电容值不变，增大等效串联电阻值，使其等效串联电阻阻值为0.16Ω，进行仿真并观察仿真结果，此时电容的等效电阻值增大，但是其仍未失效，仿真数据如表3所示。

将电阻值得变化值超过健康阈值，即R_C>0.3R_C0，令R_C为0.4Ω，此时电容的等效电阻值已经超过其健康阈值，电容判定为失效，仿真数据如表4所示。

令R_C值不变，减小电容的电容值，使其小于0.8倍的初始值，超出其健康阈值，此时电容判定为失效，从而使UPS健康状态为故障，可得仿真结果如表5所示。

减小采样频率，电容值与电容的等效串联电阻值都保持初始值的状态，即电容的等效串联电阻为0.1Ω，电容为1mF，采样频率为800Hz，可得到仿真数据如表6所示。

本发明针对UPS系统的运行健康状态进行评估，并在一定程度上说明了采样频率与误差辨识之间的关系，另外采用判断特征参数偏离初始值程度的方法，结合铝电解电容的失效标准得出的失效阈值，将辨识得到的特征参数与得到的失效阈值进行比较，有效提高了判断UPS健康状态的准确性。

需要说明的是，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.基于铝电解电容的UPS健康状态评估方法，其特征在于，包括：

采集故障特征参数，所述故障特征参数为铝电解电容的电容值和等效串联电阻值；

将所述故障特征参数输入至离散型UPS混杂系统模型中进行参数辨识，所述离散型UPS混杂系统模型根据UPS中的逆变器分析得到；

根据所述参数辨识确定所述故障特征参数对应的特征值；

基于所述特征值评估所述UPS的健康状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集故障特征参数，所述故障特征参数为铝电解电容的电容值和等效串联电阻值，包括：

通过铝电解电容的等效模型的分析结果选取故障特征参数，所述故障特征参数为铝电解电容的电容值和等效串联电阻值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述故障特征参数输入至离散型UPS混杂系统模型中进行参数辨识，包括：

建立离散型UPS混杂系统模型，通过最小二乘法对UPS故障特征参数中进行参数辨识，表达式为：

其中

根据辨识参数θ_c3，θ_c4，θ_b9，θ_a12，θ_b12，θ_b22，θ_c15推算所述辨识参数的表达式为：

。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述UPS混杂系统模型为：

其中

并且a₁＝1/(R+R_c),a₂＝1/(R+R_c),a₃＝R R_c/(R+R_c),∑＝L_aL_b+L_bL_c+L_aL_c。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述特征值评估所述UPS的健康状态，包括：

获取所述铝电解电容的失效阈值，所述失效阈值为：

将所述特征值与所述失效阈值进行比较来评估所述UPS的健康状态。

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