一种母线电容在线监测方法、装置、设备及存储介质

1.本技术涉及电容监测技术领域，尤其涉及一种母线电容在线监测方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.带有直流链(dc-link)支撑电容器的交直流功率变换器系统典型配置如图1所示，最常见的应用拓扑有ac-dc-dc级联变换器(整流)和dc-dc-ac级联变换器(逆变)，其应用涵盖了包括光伏系统、电机驱动器、电动汽车以及照明系统等众多领域。其中，直流母线电容作为关键部件，常被用来平衡谐波、抑制纹波、储存短时能量等。但是，电容是变换器系统中最薄弱的环节之一。统计结果表明，30％以上的变换器故障是由电容失效引起的。直流母线电容的高故障率给变换器系统带来了极大的潜在风险，极易导致系统非计划停机，进而引起严重的安全事故及经济损失。
3.研究表明，随着电容的退化，其老化特征参数(如等效串联电阻esr，容值等)会发生改变。对变换器中电容的老化特征参数进行在线监测，可实现元件的健康状态评估及失效预警，进而保障系统的安全可靠运行。因此，对母线电容进行在线监测、预测其健康状态，并其发生严重退化失效之前进行维护，对于保证功率变换器及供电系统的可靠运行具有重要意义。
4.但是，现有监测方法，采样及信号处理复杂，且普遍需要额外的隔离放大电路，不利于实施。


技术实现要素：

5.为了解决简单方便的对母线电容进行监测的技术问题，本技术提供了一种母线电容在线监测方法、装置、设备及存储介质。
6.第一方面，本技术提供了一种母线电容在线监测方法，所述方法包括：
7.获取母线参考电压和多组采样值，其中，每组采样值包括母线电流的平均值和母线电压；
8.获取预设的瞬态等效电路模型；
9.根据所述母线电流的平均值、所述母线电压、所述母线参考电压和所述瞬态等效电路模型，提取等效电路参数；所述等效电路参数至少包括母线电容的直流母线电容值；
10.进一步，根据所述母线电流的平均值、所述母线电压、所述母线参考电压和所述瞬态等效电路模型，提取等效电路参数，包括：
11.获取参数辨识算法；
12.根据所述母线电流的平均值、所述母线电压、所述母线参考电压和所述瞬态等效电路模型，基于所述参数辨识算法提取等效电路参数；所述参数辨识算法包括递归最小二乘法、卡尔曼滤波、遗传算法和神经网络中的至少一种；所述等效电路参数包括等效电感、等效电阻和所述直流母线电容值；
13.进一步，所述瞬态等效电路模型，包括：
14.δv
dc
(t)＝x
×
e-αt
×
sin(ωdt)
[0015][0016][0017][0018][0019]
其中，v
dc
为母线电压，δv
dc
为母线电压v
dc
与母线参考电压v
ref
的差值，x、ωd、α和ω0为中间变量，l
eq
为等效电感，r
eq
为等效电阻，c
dc
为母线电容的直流母线电容值，i'
rear
为母线电流的平均值，δi'
rear
为i'
rear
与瞬态前的稳态电流信号的差值；
[0020]
进一步，所述母线电压通过电压传感器采集；所述母线电流的平均值基于母线电流，通过平均值电路得到；所述母线电流通过电流传感器采集；所述电流传感器为感应式隧道磁阻电流传感器；
[0021]
进一步，获取母线电流的平均值，包括：
[0022]
获取稳态采样阈值和瞬态采样阈值；
[0023]
当所述母线电压与所述母线参考电压差值的绝对值小于所述稳态采样阈值时，采集当前开关周期对应的稳态电流信号；
[0024]
当所述母线电压大于所述瞬态采样阈值时，采集当前开关周期对应的瞬态电流信号；
[0025]
根据所述稳态电流信号和所述瞬态电流信号得到所述母线电流的平均值；
[0026]
进一步，所述方法还包括：
[0027]
获取母线电容对应的电容参考值，以及电容健康状态评估标准；
[0028]
根据所述电容参考值、所述直流母线电容值和所述电容健康状态评估标准，确定所述母线电容的健康状态。
[0029]
第二方面，本技术提供了一种母线电容在线监测装置，所述装置包括：
[0030]
第一获取模块，用于获取母线参考电压和多组采样值，其中，每组采样值包括母线电流的平均值和母线电压；
[0031]
第二获取模块，用于获取预设的瞬态等效电路模型；
[0032]
提取模块，用于根据所述母线电流的平均值、所述母线电压、所述母线参考电压和所述瞬态等效电路模型，提取等效电路参数；所述等效电路参数至少包括母线电容的直流母线电容值。
[0033]
第三方面，本技术提供了一种母线电容在线监测设备，所述设备包括：电压采样单元、电流采样单元、微控制单元、自供电电路和上位机；
[0034]
所述电压采样单元，用于获取母线电压和母线参考电压，并发送至所述微控制单元；
[0035]
所述电流采样单元，用于获取母线电流的平均值，并发送至所述微控制单元；
[0036]
所述微控制单元，用于将所述母线电压、所述母线参考电压和所述母线电流的平均值发送至所述上位机；
[0037]
所述上位机用于，根据所述母线电流的平均值、所述母线电压、所述母线参考电压和瞬态等效电路模型，提取等效电路参数；所述等效电路参数至少包括母线电容的直流母线电容值；
[0038]
所述自供电电路，用于对所述电压采样单元、所述电流采样单元、所述微控制单元供电。
[0039]
第四方面，本技术提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
[0040]
存储器，用于存放计算机程序；
[0041]
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第一方面任一项实施例所述的母线电容在线监测方法的步骤。
[0042]
第五方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项实施例所述的母线电容在线监测方法的步骤。
[0043]
本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0044]
本技术实施例提供的该方法，获取母线参考电压和多组采样值，其中，每组采样值包括母线电流的平均值和母线电压；获取预设的瞬态等效电路模型；根据所述母线电流的平均值、所述母线电压、所述母线参考电压和所述瞬态等效电路模型，提取等效电路参数；所述等效电路参数至少包括母线电容的直流母线电容值。通过本方法，不需要额外的隔离放大电路，即可简单方便的对母线电容进行监测，提高在线监测的便捷性。
附图说明
[0045]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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附图。
[0047]
图1为现有技术中直流母线电容的典型应用图；
[0048]
图2为本技术实施例提供的基于瞬态轨迹的母线支撑电容监测方案原理图；
[0049]
图3为本技术实施例提供的一种母线电容在线监测方法的流程示意图；
[0050]
图4为本技术实施例提供的一种应用母线电容在线监测方法的场景图；
[0051]
图5为本技术实施例提供的一种应用母线电容在线监测方法的硬件结构示意图；
[0052]
图6为本技术实施例提供的另一种母线电容在线监测方法的流程示意图；
[0053]
图7为本技术实施例提供的一种三相交错并联boost拓扑结构示意图；
[0054]
图8为本技术实施例提供的一种三相交错并联boost拓扑结构的仿真波形图；
[0055]
图9为本技术实施例提供的一种三相交错并联boost拓扑结构的参数辨识结果；
[0056]
图10为本技术实施例提供的一种母线电容在线监测装置的结构示意图；
[0057]
图11为本技术实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0058]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0059]
本技术第一实施例提供了一种母线电容在线监测方法，该方法可以应用于如图2所示的系统架构，该系统架构中至少包括电容器组、前级和后级，其中，前级和后级可以为任意的变换器，不作限制，该方法可以将电容器组等效为瞬态等效电路，简单方便的实现对电容器组的电容进行在线监测，其中v
dc
和i'
rear
两段曲线为示意从该位置可以采集到母线电压v
dc
和母线电流的平均值i'
rear
的曲线。
[0060]
针对直流母线电容的实时在线状态监测，根据实现方法可以将其分为白盒法，黑盒法以及灰盒法，典型案例如表1所示。根据表1可知，白盒法依赖于变换器的拓扑结构、运行模式及控制策略，不能将参数辨识模型应用在其它类型变换器中。而黑盒法需要大量的训练数据，实现较为复杂。灰盒法中的稳态纹波和开关振铃具有高频、小幅度的特点，但是需要高频采样装置和设备，增加了电容状态监测的复杂度。
[0061]
表1
[0062][0063]
本技术提出了基于瞬态响应模型的电容状态监测灰盒方法，建立了变换器瞬态响应特征的等效电路模型，利用瞬态等效电路可以推导出母线电容参数。无需知道变换器的拓扑结构、运行模式及控制策略，仅需了解变换器系统的连接结构，便可实现电容的状态监测，是一种通用型的方法。接下来，对本技术的母线电容在线监测方法进行详细的说明。
[0064]
一种母线电容在线监测方法，如图3，包括：
[0065]
步骤301，获取母线参考电压和多组采样值，其中，每组采样值包括母线电流的平均值和母线电压。
[0066]
步骤302，获取预设的瞬态等效电路模型。
[0067]
步骤303，根据母线电流的平均值、母线电压、母线参考电压和瞬态等效电路模型，提取等效电路参数；等效电路参数至少包括母线电容的直流母线电容值。
[0068]
本方法将电容器组等效为瞬态等效电路，根据母线电流的平均值、母线电压、母线参考电压可以通过瞬态等效电路模型提取直流母线电容值，实现对母线电容的在线监测。本方法不需要额外增加隔离放大电路，简单方便，并且，对前级和后级电路不作限制，可以适用于不同的变换器及负载工况，无需知道变换器的拓扑结构、运行模式及控制策略，仅需了解变换器系统的连接结构，如电容的安装位置，便可实现母线电容的状态监测，具有通用性。
[0069]
一个实施例中，根据母线电流的平均值、母线电压、母线参考电压和瞬态等效电路模型，提取等效电路参数，包括：获取参数辨识算法；根据母线电流的平均值、母线电压、母线参考电压和瞬态等效电路模型，基于参数辨识算法提取等效电路参数；参数辨识算法包括递归最小二乘法、卡尔曼滤波、遗传算法和神经网络中的至少一种；等效电路参数包括等效电感、等效电阻和直流母线电容值。
[0070]
本实施例中，通过参数辨识算法可以从母线电流的平均值、母线电压、母线参考电压中提取出瞬态等效电路模型中的等效电路参数，比如等效电感、等效电阻和直流母线电容值。根据直流母线电容值就可以确定母线电容的健康状态，可在其发生严重退化失效之前进行维护，对于保证应用母线电容的系统的可靠运行具有重要意义，比如功率变换器及供电系统等。
[0071]
一个实施例中，瞬态等效电路模型，包括：
[0072]
δv
dc
(t)＝x
×
e-αt
×
sin(ωdt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0073][0074][0075][0076][0077]
其中，v
dc
为母线电压，δv
dc
为母线电压v
dc
与母线参考电压v
ref
的差值，x、ωd、α和ω0为中间变量，l
eq
为等效电感，r
eq
为等效电阻，c
dc
为母线电容的直流母线电容值，i'
rear
为母线电流的平均值，δi'
rear
为i'
rear
与瞬态前的稳态电流信号的差值。
[0078]
基于所提瞬态等效的思路，母线电容状态监测的实现方案如图4所示。其中，母线电压通过电压传感器采集，母线电流通过电流传感器采集。为了不破坏原有电路的结构，可采用感应式的隧道磁阻电流传感器进行母线电流采集。需要说明的是，采用隧道磁阻电流传感器为本技术实施例的一种不破坏原有电路的结构的实现方式，不代表对电流传感器的限制，也可采用其他电流传感器。
[0079]
一个实施例中，母线电压通过电压传感器采集；母线电流的平均值基于母线电流，
通过平均值电路得到；母线电流通过电流传感器采集。
[0080]
本实施例中，详细的母线电容在线监测设备硬件方案示意图如图5所示，母线电容在线监测设备包括：电压采样单元、电流采样单元、微控制单元、自供电电路和上位机；
[0081]
电压采样单元，用于获取母线电压和母线参考电压，并发送至微控制单元；
[0082]
电流采样单元，用于获取母线电流的平均值，并发送至微控制单元；
[0083]
微控制单元，用于将母线电压、母线参考电压和母线电流的平均值发送至上位机；
[0084]
上位机用于，根据母线电流的平均值、母线电压、母线参考电压和瞬态等效电路模型，提取等效电路参数；等效电路参数至少包括母线电容的直流母线电容值；
[0085]
自供电电路，用于对电压采样单元、电流采样单元、微控制单元供电。
[0086]
其中b代表磁感应强度，mcu为微控制单元，adc为mcu内部的模数转换单元，sci为mcu的串口通信单元。考虑到在级联变换器系统中后级电流(母线电流)i
rear
是脉动电流，不易采样。因此，采用平均值电路对采样的后级电流进行处理，得到平均值i'
rear
，其中平均值电路由电阻rav和电容cav组成。另外，mcu将采集到的电压、电流数据通过sci发送至上位机进行参数辨识及健康状态评估。其中，电压采样单元为可以为霍尔传感器，自供电电路用于给电压采样单元、电流采样单元(隧道磁阻传感器和平均值电路)和mcu供电，可以实现母线电容在线监测设备的即插即用，不需要额外的供电电源，在使用时更加方便。
[0087]
一个实施例中，获取母线电流的平均值，包括：获取稳态采样阈值和瞬态采样阈值；当母线电压与母线参考电压差值的绝对值小于稳态采样阈值时，采集当前开关周期对应的稳态电流信号；当母线电压大于瞬态采样阈值时，采集当前开关周期对应的瞬态电流信号；根据稳态电流信号和瞬态电流信号得到母线电流的平均值。
[0088]
通过设定稳态采样阈值和瞬态采样阈值，当满足条件时，分别得到采样值，实现对母线电流的采样，进而得到母线电流的平均值，为母线电容的在线监测提供准确的数据基础。
[0089]
一个实施例中，方法还包括：获取母线电容对应的电容参考值，以及电容健康状态评估标准；根据电容参考值、直流母线电容值和电容健康状态评估标准，确定母线电容的健康状态。
[0090]
本实施例中，在根据瞬态等效电路模型提取到直流母线电容值后，获取该母线电容的电容参考值和电容健康状态评估标准，对母线电容的健康状态进行评估，预测母线电容的健康状态，可提示在其发生严重退化失效之前进行维护，实现母线电容的健康状态评估及失效预警，进而保障系统的安全可靠运行。比如，提取的直流母线电容值为90μf，该母线电容的电容参考值为100μf，电容健康状态评估标准为实际电容值大于电容参考值的80％为可以正常使用的健康状态，则可以确定该母线电容健康状态为正常。需要说明的是，以上电容健康状态评估标准为80％只是举例说明，具体应用时可根据实际应用场景的重要程度进行调整，不作限制。
[0091]
本实施例中，详细的参数估计流程如图6所示，主要包括两部分，即，数据获取及状态评估。数据获取时首先采样v
dc
和i'
rear
，当|v
dc-v
ref
|＜δv
th1
时系统采集稳态电流信号，记录该稳态数据，当v
dc
＞v
th2
时系统采集瞬态电流信号，记录该瞬态数据，其中，δv
th1
为稳态采样阈值，v
th2
为瞬态采样阈值。状态评估包括δv计算、δi估计、参数辨识和状态估计，其中，δv计算表示进行δv＝v
dc-v
ref
的计算，δi估计表示进行δi＝i1-i2的计算，其中，i2表
示采集的瞬态电流信号，i1为采集i2前的稳态的电流信号。随后，基于式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)，利用参数辨识算法如最小二乘、神经网络等获得rlc等效电路的参数，根据等效电路参数，如直流母线电容值对母线电容的状态进行评估。
[0092]
一个实施例中，母线电流的平均值还可以采集相电流和采样时间，通过计算得到。比如应用于交直交电机驱动器时，获取母线电流的平均值，包括：
[0093]
获取第一定子相电流、第二定子相电流和第三定子相电流，以及，获取采样时间；
[0094]
获取第一定子相电流对应的第一桥臂上管导通时间，获取第二定子相电流对应的第二桥臂上管导通时间，以及，获取第三定子相电流对应的第三桥臂上管导通时间；
[0095]
根据第一定子相电流、第二定子相电流、第三定子相电流、第一桥臂上管导通时间、第二桥臂上管导通时间、第三桥臂上管导通时间和采样时间，得到母线电流的平均值。
[0096]
在本实施例中，具体地，根据第一定子相电流、第二定子相电流、第三定子相电流、第一桥臂上管导通时间、第二桥臂上管导通时间、第三桥臂上管导通时间和采样时间，得到母线电流的平均值，包括：
[0097][0098]
其中，i
sa
为第一定子相电流，i
sb
为第二定子相电流，i
sc
为第三定子相电流，t
sa
为第一桥臂上管导通时间，t
sb
为第一桥臂上管导通时间，t
sc
为第一桥臂上管导通时间，ts为采样时间，i'
rear
为母线电流的平均值。
[0099]
通过式(6)计算得到的i'
rear
，结合采集的v
dc
，通过式(1)至(5)可以得到直流母线电容值，实现对母线电容的在线监测。
[0100]
需要说明的是，上述实施例中的i'
rear
表示一段时间内的母线电流的平均值，可以是多个开关周期对应的值组成的曲线，v
dc
同理，表示一段时间内的母线电压。
[0101]
为验证本技术母线电容在线监测方法的可行性，以三相交错并联boost变换器为例，图7给出了三相交错并联boost变换器的拓扑结构。图8给出了仿真波形，利用瞬态仿真波形及任意一种参数辨识算法进行辨识，比如采用最小二乘算法，参数辨识的结果如图9所示。图9同样给出了利用辨识得到参数反推的波形结果，可以看出，利用辨识得到参数反推的波形结果与原始波形吻合，即，证明了该方法的可行性。
[0102]
基于同一技术构思，本技术第二实施例提供了一种母线电容在线监测装置，如图10，包括：
[0103]
第一获取模块1001，用于获取母线参考电压和多组采样值，其中，每组采样值包括母线电流的平均值和母线电压；
[0104]
第二获取模块1002，用于获取预设的瞬态等效电路模型；
[0105]
提取模块1003，用于根据所述母线电流的平均值、所述母线电压、所述母线参考电压和所述瞬态等效电路模型，提取等效电路参数；所述等效电路参数至少包括母线电容的直流母线电容值。
[0106]
本监测装置将电容器组等效为瞬态等效电路，第一获取模块获取母线电流的平均值、母线电压、母线参考电压，可以通过提取模块，根据第二获取模块获取的瞬态等效电路模型提取直流母线电容值，实现对母线电容的在线监测。本装置不需要额外增加隔离放大电路，简单方便，并且，对前级和后级电路不作限制，可以适用于不同的变换器及负载工况，
无需知道变换器的拓扑结构、运行模式及控制策略，仅需了解变换器系统的连接结构，如电容的安装位置，便可实现母线电容的状态监测，具有通用性。
[0107]
如图11所示，本技术第三实施例提供了一种电子设备，包括处理器111、通信接口112、存储器113和通信总线114，其中，处理器111，通信接口112，存储器113通过通信总线114完成相互间的通信，
[0108]
存储器113，用于存放计算机程序；
[0109]
在一个实施例中，处理器111，用于执行存储器113上所存放的程序时，实现前述任意一个方法实施例提供的母线电容在线监测方法，包括：
[0110]
获取母线参考电压和多组采样值，其中，每组采样值包括母线电流的平均值和母线电压；
[0111]
获取预设的瞬态等效电路模型；
[0112]
根据所述母线电流的平均值、所述母线电压、所述母线参考电压和所述瞬态等效电路模型，提取等效电路参数；所述等效电路参数至少包括母线电容的直流母线电容值。
[0113]
上述终端提到的通信总线可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称eisa)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0114]
通信接口用于上述终端与其他设备之间的通信。
[0115]
存储器可以包括随机存取存储器(random access memory，简称ram)，也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
[0116]
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0117]
本技术第四实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述任意一个方法实施例提供的母线电容在线监测方法的步骤。
[0118]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以
是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0119]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0120]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
[0121]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。