单元串联型高压变频器及其母线电容在线监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变频器领域，尤其涉及一种单元串联型高压变频器及其母线电容在线 监测方法。
【背景技术】
[0002] 如图1所示，交直交电压源型变频器中，中间直流环节往往需要大量电容，通常也 称为直流母线电容或是支撑电容，在电路中起直流支撑与滤波作用。在单元串联型高压变 频器中通常大量使用铝电解电容作为直流支撑电容。
[0003] 电解电容是比较容易老化的元件，老化的一个特征是容量降低。铝电解电容器的 电容量在工作早期缓慢下降，但是在使用后期，由于电解液耗损较多、溶液变稠，电阻率因 黏度增大而上升，使工作电解质的等效串联电阻增大，导致电容器损耗明显增大。同时，黏 度增大的电解液难于充分接触经腐蚀处理的凹凸不平铝箱表面上的氧化膜层，这样就使铝 电解电容器的极板有效面积减小，引起电容量急剧下降，这也是电容器使用寿命临近结束 的表现。此外，如果工作电解液在低温下黏度增大过多，也会造成损耗增大与电容量急剧下 降的后果，从而引起铝电解电容器在严寒环境中使用时失效。除了老化，电解电容通常还 存在漏液、爆炸、开路、击穿等失效模式。其中部分失效是由于瞬态冲击引起的，例如高压击 穿、电容短路等。此外，大部分情况下的电容失效是由非瞬态冲击引起的，且在出现严重故 障或失效之前，都会出现电容量的显著下降。
[0004] 针对高压变频器，传统的直流母线电容检测方法是离线式监测，包括定期预防性 检修、事故后维修等。这类检测方法存在如下问题：1)要求断电诊断，给用户的生产、生活 带来严重的影响；2)有效性和灵敏性差，停电后设备状态（例如电压、温度等）和运行中不 符，影响判断的准确度；3)周期性定期检查，而不是连续地在线监测，设备仍有可能在定期 检查期间发生故障，即造成维修不足。
[0005] 鉴于以上原因，目前对电容的监测开始转向在线监测的方向发展，即在设备正常 运行过程中实时监测直流母线电容的状态，及时反映其缺陷和劣化程度，在发出故障征兆 时及时采取必要的处理措施（例如降额运行或停机），避免故障的发生或进一步恶化。
[0006] 常见的电容在线监测方法有红外诊断法和介质损耗角正切值法等。其中，红外诊 断法需要热成像仪，但不可能针对单元串联型高压变频器的每个单元都配置热成像仪；此 外，单元内其它发热装置容易使得测量结果产生误判断，甚至测试工作根本无法进行。介质 损耗角正切值法能较好的实时反映电容的状态，但需要增加额外的硬件电路来检测实时电 容电压和电流。对于单元串联型高压变频器来说，单元数较多，每个单元都增加额外的检测 电路，既增加了成本，又增加了复杂性，因此并不实用。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述成本高、结构复杂、移植性差 的缺陷，提供一种不用增加硬件成本的单元串联型高压变频器及其母线电容在线监测方 法。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单元串联型高压变频器的 母线电容在线监测方法，所述高压变频器包括多个串联的功率单元，所述功率单元为单相 输出的交直交电压源型的功率单元，所述方法包括：
[0009] 针对每个功率单元分别执行以下步骤：
[0010] S1、多次采样功率单元内的直流母线电压、功率单元的输出交流电压、功率单元的 输出交流电流/所述高压变频器的输出相电流；
[0011] S2、基于多次采样的所述直流母线电压计算得到母线电压平均值和母线电容上的 最大二次脉动幅值，
[0012] S3、基于多次采样的所述输出交流电压、输出交流电流/输出相电流，计算得到交 流电压幅值、交流电流幅值；
[0013] S4、基于以下公式计算母线电容：
[0014]
[0015] 其中，Cd。代表母线电容，V d。、Δ Vniax分别代表步骤S2中的所述母线电压平均值、最 大二次脉动幅值，I、I1分别代表步骤S3中的交流电压幅值、交流电流幅值，f i代表所述高 压变频器的输出频率；
[0016] S5、基于计算得到的母线电容判断是否需要停机处理，如果不需要，则转步骤Sl 继续监测所述母线电容。
[0017] 在本发明所述的单元串联型高压变频器的母线电容在线监测方法中，所述步骤S2 中：母线电压平均值通过累加求平均计算获得，所述最大二次脉动幅值基于FFT算法计算 获得。
[0018] 在本发明所述的单元串联型高压变频器的母线电容在线监测方法中，所述步骤S3 中：基于以下函数关系：
，结合数学算法计算 得到交流电压幅值、交流电流幅值，其中，V1代表输出交流电压、I1代表输出交流电流/输 出相电流，O1为输出交流电压的角频率。
[0019] 在本发明所述的单元串联型高压变频器的母线电容在线监测方法中，所述步骤S5 包括：
[0020] S51、根据母线电容的额定容量与计算得到的母线电容，确定母线电容的变化容 值；
[0021] S52、当所述变化容值不超过第一设定值时，转步骤Sl ;
[0022] S53、当所述变化容值超过第一设定值且不超过第二设定值时，判定母线电容开始 出现异常，进行初步处理后继续转步骤Sl ;
[0023] S54、当所述变化容值超过第二设定值时，判定母线电容状态严重异常，进行停机 处理。
[0024] 本发明还公开了一种单元串联型高压变频器，所述高压变频器包括多个串联的功 率单元以及控制单元，所述功率单元为单相输出的交直交电压源型的功率单元，所述控制 单元包括：
[0025] 采集单元：用于针对每个功率单元，分别多次采样功率单元内的直流母线电压、功 率单元的输出交流电压、功率单元的输出交流电流/所述高压变频器的输出相电流；
[0026] 直流侧参数处理单元：基于多次采样的所述直流母线电压计算得到母线电压平均 值和母线电容上的最大二次脉动幅值；
[0027] 交流侧参数处理单元：基于多次采样的所述输出交流电压、输出交流电流/输出 相电流，计算得到交流电压幅值、交流电流幅值；
[0028] 容值计算单元：基于以下公式计算母线电容：
[0029]
⑴
[0030] 其中，Cd。代表母线电容，V d。、Δ Vniax分别代表步骤S2中的所述母线电压平均值、最 大二次脉动幅值，I、I1分别代表步骤S3中的交流电压幅值、交流电流幅值，f i代表所述高 压变频器的输出频率；
[0031] 处理单元：用于基于计算得到的母线电容判断是否需要停机处理，如果不需要，则 触发所述采集单元、直流侧参数处理单元、交流侧参数处理单元、容值计算单元继续工作以 继续监测所述母线电容。
[0032] 在本发明所述的单元串联型高压变频器中，所述直流侧参数处理单元通过累加求 平均计算获得母线电压平均值，基于FFT算法计算获得所述最大二次脉动幅值。
[0033] 在本发明所述的单元串联型高压变频器中，所述交流参数处理单元基于以下函数 关系：
，结合数学算法计算得到交流电压幅 值、交流电流幅值，其中，V1代表输出交流电压、I1代表输出交流电流/输出相电流，ω 输出交流电压的角频率。
[0034] 在本发明所述的单元串联型高压变频器中，所述处理单元还用于在所述变化容值 超过第一设定值且不超过第二设定值时，判定母线电容开始出现异常，进行