一种逆变器的支撑电容器状态监测方法及系统

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种逆变器的支撑电容器状态监测方法及系统。


背景技术：

2.随着电力电子技术的飞速发展，以现代开关器件igbt为核心的pwm逆变技术在交流电机驱动系统中得到了日益广泛的应用。在电压型逆变器中，一般采用多个电解电容串/并联作为直流支撑电容器。该支撑电容器作为能量储存和转化环节，可以稳定直流电压，阻止开关频率的电流谐波进入电网；补偿逆变器所需功率与输入功率之差，提供瞬时峰值功率；保护逆变器免受电网瞬时峰值冲击；吸收急停状态时所有功率开关器件关断下的电机去磁能量等，是变频器系统的重要装置。
3.然而，支撑电容器是电力电子电路中故障率最高的器件之一，是系统中容易发生故障的薄弱环节。因此，对于逆变器支撑电容器的状态监测管理方法的研究有利于减少因逆变器支撑电容器而造成的停机时间，提高设备的使用效率，具有十分重要的经济价值。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种逆变器的支撑电容器状态监测方法及系统，可以实现对支撑电容器老化程度和运行状态的在线监测，有利于支撑电容器的健康管理工作，实现对支撑电容器潜在故障的预警，能够有效避免支撑电容器发生未知故障造成的损失。
5.本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种逆变器的支撑电容器状态监测方法，包括如下步骤：
6.采集逆变器的支撑电容器两端的电压以及逆变器输出相电流；
7.根据采集的支撑电容器两端的电压数据计算逆变器每个开关周期内支撑电容器两端的电压波动值；
8.根据支撑电容器两端的电压波动值以及逆变器输出相电流计算支撑电容器的剩余容值。
9.进一步地，计算逆变器每个开关周期内支撑电容器两端的电压波动值，具体包括：按照采样频率f1采集逆变器的支撑电容器两端的电压，将采集到的支撑电容器两端的电压数据按时间分组，第i组电压数据记为：ui＝[u
i1
，u
i2
，
…
，u
ij
，
…
，u
in
]，n＝f1ts，式中ts为载波周期，对每组电压数据求极差，公式为得到逆变器每个开关周期内的电压波动值δu＝[δu1，δu2，
…
δui，
…
]。
[0010]
进一步地，根据支撑电容器两端的电压波动值计算支撑电容器的剩余容值，具体包括：根据公式计算支撑电容器的剩余容值c
t
，公式中，δu
t
为电压波动
值，ts为载波周期，im为相电流峰值，为相电流落后于调制波的相位角。
[0011]
计算支撑电容器的剩余容值c
t
时优选采用逆变器每个开关周期内的支撑电容器两端的电压波动数据的平均值以及每个调制波周期输出的相电流峰值数据的平均值。采用对电压、电流数据滤波后求得的平均值来计算支撑电容器的剩余容值c
t
更准确，当然，还可以用电压波动值以及电流的瞬时值，也可以对计算后的瞬时值进行滤波处理优化，取滤波后的中间值等等。
[0012]
进一步地，记录采集的逆变器的支撑电容器两端的电压，对存储的支撑电容器的电压波动值数据δu进行数据优化处理，使用优化处理后的支撑电容器电压波动值计算支撑电容器的剩余容值；
[0013]
对存储的支撑电容器的电压波动值数据进行数据优化处理，具体包括：
[0014]
采用滤波算法对数列δu中的元素进行滤波，剔除其中的离群数据；
[0015]
对滤波后的数据采用累加平均法计算逆变器每个开关周期内的支撑电容器两端的电压波动数据的平均值，公式为：利用计算支撑电容器的剩余容值。
[0016]
进一步地，记录每个调制波周期输出的相电流峰值，记为：im＝[i
m1
，i
m2
，
…
，i
mi
，
…
]，对存储的逆变器输出相电流数据im进行优化处理，使用优化处理后的逆变器输出相电流计算支撑电容器的剩余容值；
[0017]
对存储的逆变器输出相电流数据im进行优化处理，具体包括：
[0018]
采用滤波算法对数列im中的元素进行滤波，剔除其中的离群数据；
[0019]
对滤波后的数据采用累加平均法计算每个调制波周期输出的相电流峰值数据的平均值，公式为：利用计算支撑电容器的剩余容值。
[0020]
进一步地，本发明的逆变器的支撑电容器状态监测方法还包括如下步骤：采集流过支撑电容器的电流；
[0021]
根据流过支撑电容器的电流数据和支撑电容器的剩余容值计算支撑电容器的等效串联电阻esr。
[0022]
进一步地，根据流过支撑电容器的电流数据和支撑电容器的剩余容值计算支撑电容器的等效串联电阻esr，具体包括：设定等效串联电阻的计算周期为tr，每个周期开始时，记录第一次开关动作前后的开关状态及对应的电压值，计算支撑电容器的等效串联电阻esr，计算公式为：式中，ub表示开关动作前一个开关状态初始时对应的电压值，ua表示开关动作后一个开关状态结束时对应的电压值，tb表示开关动作前一个开关状态的持续时间，ta表示开关动作后一个开关状态的持续时间，i
cb
表示开关动作前一个开关状态的电容电流，i
ca
表示开关动作后一个开关状态的电容电流。
[0023]
进一步地，根据计算得到的支撑电容器的剩余容值c
t
和等效串联电阻值esr
t
评估支撑电容器的老化程度以及支撑电容器的运行状态。
[0024]
进一步地，本发明的逆变器的支撑电容器状态监测方法还包括如下步骤：利用预
测算法对支撑电容器的剩余容值c和等效串联电阻esr进行时序外推，得到其预测结果；将预测结果与预设的失效阈值进行对比，实现对支撑电容器的故障预测。
[0025]
本发明还公开了一种逆变器的支撑电容器状态监测系统，包括控制单元和传感器单元，所述传感器单元包括电压传感器、第一电流传感器和第二电流传感器，所述电压传感器用于采集支撑电容器两端电压，并传递给控制单元，第一电流传感器用于采集流过支撑电容器的电流，并传递给控制单元，第二电流传感器用于采集逆变器输出相电流，并传递给控制单元，所述控制单元内设有程序，控制器执行所述程序时实现如上所述的逆变器的支撑电容器状态监测方法的步骤。
[0026]
本发明至少具有如下有益效果：(1)本发明利用电压型两电平三相逆变器的直流侧支撑电容器的电流电压信息计算支撑电容器的剩余容值c和等效串联电阻esr参数，实现对支撑电容器老化程度和运行状态的在线监测，有利于支撑电容器的健康管理工作。
[0027]
(2)本发明利用预测算法对支撑电容器的剩余容值c和等效串联电阻esr参数进行时序外推，对预测结果进行阈值判定，实现对支撑电容器潜在故障的预警，能够有效避免支撑电容器发生未知故障造成的损失。
附图说明
[0028]
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。
[0029]
图1为本发明实施例提供的电压型两电平三相逆变器及传感器拓扑结构示意图；
[0030]
图2为本发明实施例提供的逆变器的支撑电容器状态监测方法的流程图。
具体实施方式
[0031]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0033]
本发明以电压型两电平三相逆变器为例对本发明的具体方案进行详细说明，如图1所示为电压型两电平三相逆变器拓扑结构及传感器布置方式，传感器单元包括在支撑电容器两端并联的高采样频率的电压传感器，在支撑电容器回路上串联的高采样频率的第一电流传感器以及在逆变器的输出端串联的第二电流传感器，传感器单元用以采集逆变器工作过程中的电流、电压参数。
[0034]
实施例一
[0035]
参见图1和图2，本发明实施例提供一种适用于电压型两电平三相逆变器的支撑电容器状态监测方法，包括如下步骤：
[0036]
采集逆变器的支撑电容器两端的电压以及逆变器输出相电流；
[0037]
根据采集的支撑电容器两端的电压数据计算逆变器每个开关周期内支撑电容器两端的电压波动值；
[0038]
根据支撑电容器两端的电压波动值以及逆变器输出相电流计算支撑电容器的剩余容值。
[0039]
本发明可以将计算得到的支撑电容器的剩余容值返回到控制界面作为运维人员的维修参考，有利于支撑电容器的健康管理工作。
[0040]
采集逆变器的支撑电容器两端的电压，具体包括：
[0041]
并联在电容两端的电压传感器按照采样频率f1采集逆变器工作过程中的电压参数，将电压传感器采集到的数据按时间分组，第i组电压数据记为：
[0042]
ui＝[u
i1
，u
i2
，
…
，u
ij
，
…
，u
in
]
[0043]
n＝f1ts[0044]
式中ts为载波周期。
[0045]
对每组电压数据求极差：
[0046][0047]
则：
[0048]
δu＝[δu1，δu2，
…
δui，
…
]
[0049]
得到每个开关周期(载波周期)内的电压波动值。
[0050]
当记录的电压波动值数据达到设定的内存限制时，对存储的δu数据进行处理：
[0051]
采用滤波算法对数列δu中的元素进行滤波，剔除其中的离群数据；
[0052]
对滤波后的δu数据采用累加平均法计算得到每个开关周期内的电压波动数据的平均值：
[0053][0054]
采集逆变器输出相电流，具体包括：串联在逆变器输出回路的电流传感器记录每个调制波周期输出的相电流峰值，记为：
[0055]im
＝[i
m1
，i
m2
，
…
，i
mi
，
…
]
[0056]
当记录的逆变器输出相电流数据达到设定的周期数p时，对存储的im数据进行处理：
[0057]
采用滤波算法对数列im中的元素进行滤波，剔除其中的离群数据；
[0058]
对滤波后的im数据采用累加平均法计算得到每个调制波周期输出的相电流峰值数据的平均值：
[0059][0060]
利用求得的电容器两端的电压波动值以及逆变器输出相电流计算电容器的剩余容值：
[0061][0062]
式中，φ为相电流落后于调制波的相位角。
[0063]
本发明的方法通过滤波算法对监测得到的电压、电流数据进行优化，降低由测量精度带来的计算误差。
[0064]
作为一种优选实施例，本发明的方法该利用计算得到的电容值c和不同开关状态下电容电流实现对电容等效串联电阻的实时计算。
[0065]
具体步骤为：采集流过支撑电容器的电流；
[0066]
根据流过支撑电容器的电流数据和支撑电容器的剩余容值计算支撑电容器的等效串联电阻esr。
[0067]
采集流过支撑电容器的电流，具体包括：串联在支撑电容回路的电流传感器以频率f2对流过支撑电容的电流进行采样，记录每个开关状态下的电容电流ic，记为：
[0068][0069]
根据流过支撑电容器的电流数据和支撑电容器的剩余容值计算支撑电容器的等效串联电阻esr，具体包括：
[0070]
设定等效串联电阻的计算周期为tr，每个周期开始时，记录第一次开关动作前后的开关状态及对应的电压值，计算电容器的等效串联电阻esr：
[0071][0072]
，式中ub表示开关动作前一个开关状态初始时对应的电压值，ua表示开关动作后一个开关状态结束时对应的电压值，tb表示开关动作前一个开关状态的持续时间，ta表示开关动作后一个开关状态的持续时间，i
cb
表示开关动作前一个开关状态的电容，i
ca
表示开关动作后一个开关状态的电容电流。
[0073]
进一步地，根据计算得到的支撑电容器的剩余容值c
t
和等效串联电阻值esr
t
评估支撑电容器的老化程度以及支撑电容器的运行状态。本发明可以将计算得到的支撑电容器的老化程度以及电容的运行状态返回到控制界面作为运维人员的维修参考，有利于支撑电容器的健康管理工作。
[0074]
根据计算得到的支撑电容器的剩余容值c
t
和等效串联电阻值esr
t
判断支撑电容器的老化程度。
[0075]
如本实施例的支撑电容器的老化程度p具体计算公式为：
[0076]
[0077][0078]
p＝max(pc，p
esr
)
[0079]
式中，c
t
为当前测得的支撑电容器的剩余容值，cb为初始状态下的支撑电容器的剩余容值，ce为电容失效的剩余容值阈值；esr
t
为当前测得的等效串联电阻值，esrb为初始状态下的等效串联电阻值，esre为电容失效的等效串联电阻阈值。
[0080]
根据计算得到的支撑电容器的剩余容值c
t
和等效串联电阻值esr
t
的变化趋势判断电容的运行状态，支撑电容器的剩余容值c
t
在一段时间t内的变化趋势kc为该支撑电容器在该段时间内的剩余容值c
t
的变化量与时间t的百分比。支撑电容器的等效串联电阻值esr
t
在一段时间t内的变化趋势k
esr
为该支撑电容器在该段时间内的等效串联电阻值esr
t
的变化量与时间t的百分比。变化趋势k为kc与k
esr
的较大值。
[0081]
具体计算公式为：
[0082][0083][0084]
k＝max(kc，k
esr
)
[0085]
式中，ci为第i时刻的支撑电容器的剩余容值，cj为第j时刻的支撑电容器的剩余容值，esri为第i时刻的支撑电容器的剩余容值，esrj为第j时刻的支撑电容器的剩余容值，ti为第i时刻的时间，tj为第j时刻的时间。
[0086]
作为一种优选实施例，本发明方法还采用电容器剩余容值c和等效串联电阻esr两项参数为判据，将通过时序外推得到的预测参数与故障阈值对比，实现对支撑电容器的故障预测。当预测到故障就发出故障预警及故障预测时间，由维修管理人员进行处理，方便维修管理人员对可能故障元件进行提前更换。
[0087]
具体步骤为：采用预测算法对计算得到的支撑电容器的剩余容值c
t
和等效串联电阻值esr
t
进行时序外推，得到其预测值：
[0088]cp
＝[c
t 1
，c
t 2
，
…
，c
t n
]
[0089]
esr
p
＝[esr
t 1
，esr
t 2
，
…
，esr
t n
]
[0090]
将预测结果即预测值c
p
、esr
p
分别对应与设定的电容器故障阈值进行对比，若其中一个预测值超过对应的设定的故障阈值，则发出故障预警及故障预测时间。
[0091]
预测算法采用自回归模型的预测算法即可，自回归模型的预测算法为现有技术，在此不再作详细说明。
[0092]
实施例二
[0093]
参见图1和图2，本发明实施例提供了一种适用于电压型两电平三相逆变器的支撑电容器状态监测系统，包括控制单元和传感器单元，所述传感器单元包括电压传感器、第一电流传感器和第二电流传感器，所述电压传感器用于采集支撑电容器两端电压，并传递给控制单元，第一电流传感器用于采集流过支撑电容器的电流，并传递给控制单元，第二电流
传感器用于采集逆变器输出相电流，并传递给控制单元，所述控制单元内设有程序，控制器执行所述程序时实现如实施例一所述的逆变器的支撑电容器状态监测方法的步骤。
[0094]
本发明基于电压型两电平三相逆变器直流侧支撑电容电流电压实时监测的支撑电容状态监测和故障预测方法，通过监测电路获得每个开关周期内电容两侧电压的波动值，并利用滤波算法对采集数据进行优化，消除测量误差，通过得到的电容电压波动值计算电容器的剩余容值c，并结合电流电压数据和计算得到的剩余容值c计算电容器的等效串联电阻esr，结合c和esr对电容器的老化程度和运行状态进行评估，实现对支撑电容器老化程度和运行状态的在线监测，有利于支撑电容器的健康管理工作。在此基础上，还可以利用预测算法对c和esr的值进行时序外推，预测未来一段时间内c和esr的变化情况，并将预测结果与电容器的故障阈值进行对比，实现对电容器的故障预测，实现对支撑电容器潜在故障的预警，能够有效避免支撑电容器发生未知故障造成的损失。
[0095]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。