直流支撑电容的生命周期预测方法、装置及系统与流程

本发明涉及电子器件可靠性检测技术领域，尤其涉及一种直流支撑电容的生命周期预测方法、装置及系统。

背景技术：

随着风力发电机装机量的不断增加，直流支撑电容作为变流器功率模块的关键部件，其寿命问题已经逐渐显现。图1为现有技术中功率模块的结构示意图，图1示出了直流支撑电容在功率模块中的位置，连接在正母排dc+和负母排dc-之间。风力发电系统中的变流器由于运行时间较长，使得直流支撑电容易出现疲劳进而导致损坏，如不及时发现并采取相关措施，甚至导致爆炸起火等严重的后果。

由此，为避免直流支撑电容损坏以及上述不良后果的发生，最重要的技术和数据依据就是直流支撑电容的生命周期。然而，目前并没有能够预测直流支撑电容的寿命的相关方法。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于，提供一种直流支撑电容的生命周期预测方法、装置及系统，能够提高直流支撑电容的生命周期的预测准确度。

为实现上述发明目的，本发明的实施例提供了一种直流支撑电容的生命周期预测方法，所述方法包括：按照预设时间长度实时获取直流支撑电容的多组运行工况数据；将所述预设时间长度划分为两个或两个以上反映所述直流支撑电容处于不同温度状态的时间段，并统计每个所述时间段内的运行工况数据；分别根据每个所述时间段内的运行工况数据计算得到分段寿命，并根据多个所述分段寿命计算所述直流支撑电容的生命周期。

本发明的实施例还提供了一种直流支撑电容的生命周期预测装置，所述装置包括：数据获取模块，用于按照预设时间长度实时获取直流支撑电容的多组运行工况数据；数据处理模块，用于将所述预设时间长度划分为两个或两个以上反映所述直流支撑电容处于不同温度状态的时间段，并统计每个所述时间段内的运行工况数据；生命周期预测模块，用于分别根据每个所述时间段内的运行工况数据计算得到分段寿命，并根据多个所述分段寿命计算所述直流支撑电容的生命周期。

本发明实施例还提供了一种直流支撑电容的生命周期预测系统，所述系统包括：数据采集装置以及如前述实施例所述的直流支撑电容的生命周期预测装置，所述数据采集装置包括测温装置以及电流传感器，所述测温装置包括温度传感器或红外测温装置；其中，所述电流传感器串联在所述直流支撑电容所处的支路上，所述测温装置设置于所述直流支撑电容的壳表面上，所述电流传感器的信号输出端，以及所述测温装置的信号输出端分别与所述直流支撑电容的生命周期预测装置相连接。

本发明实施例提供的直流支撑电容的生命周期预测方法、装置及系统，以直流支撑电容所处温度状态为时间分段依据，将预设时间长度划分时间段，统计各时间段内的直流支撑电容的运行工况数据，进一步分别根据各时间段内的直流支撑电容的运行工况数据计算分段寿命，进而根据分段寿命计算直流支撑电容的寿命。在体现不同温度状态的时间段内计算直流支撑电容的分段寿命，再根据各分段寿命计算最终的预测寿命，由于在预测环节考虑温度对寿命的影响，相比现有技术而言提高了对直流支撑电容的生命周期的预测准确度。

附图说明

图1为现有技术中功率模块的结构示意图；

图2为本发明实施例一的直流支撑电容的生命周期预测方法的流程示意图；

图3为本发明实施例二的直流支撑电容的生命周期预测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例三的直流支撑电容的生命周期预测装置的结构示意图；

图5为本发明实施例三的直流支撑电容的生命周期预测装置的另一结构示意图；

图6为本发明实施例四的直流支撑电容的生命周期预测系统的结构示意图；为便于理解，还示例性给出了功率模块中的其他部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例直流支撑电容的生命周期预测方法、装置及系统进行详细描述。

实施例一

图2为本发明实施例一的直流支撑电容的生命周期预测方法的流程示意图，可在如图4所示的直流支撑电容的生命周期预测装置上执行该方法：

步骤210：按照预设时间长度实时获取直流支撑电容的多组运行工况数据。

这里，运行工况数据可包括电压数据、纹波电流数据和表面温度数据，但不限于此。也就是说，在设定的时间段内以设定的时间间隔采集数据，例如，按照每一时刻t1、t2…tn采集运行工况数据，t1、t2…tn中两两时刻之间的差值相同，t1时刻采集到一组包含电压v1、纹波电流i1和表面温度ts1的运行工况数据，同理，t2时刻采集到一组包含电压v2、纹波电流i2和表面温度ts2的运行工况数据，以此类推，在此不再赘述。

步骤220：将预设时间长度划分为两个或两个以上反映直流支撑电容处于不同温度状态的时间段，并统计每个时间段内的运行工况数据。

继续参照前述示例，可以直流支撑电容所处温度状态为分段依据，将上述设定的时间段划分为多个子时间段，例如t1～t6是一个反映直流支撑电容处于低温状态的子时间段，低温状态对应的温度区间例如(0℃，60℃)。再例如，t7～t15是一个反映直流支撑电容处于中温状态的子时间段，中温状态对应的温度区间例如(60℃，70℃)。并且，每一子时间段内都包含多个采集时刻，采集时刻又对应在该时刻采集到的运行工况数据。由此，可统计每个子时间段内的运行工况数据，即是本步骤中的统计每个时间段内的运行工况数据的处理。

步骤230：分别根据每个时间段内的运行工况数据计算得到分段寿命，并根据多个分段寿命计算直流支撑电容的生命周期。

也就是说，划分时间段后按照每一时间段分别计算寿命即分段寿命，然后再根据分段寿命计算总寿命即直流支撑电容的生命周期。

本发明的直流支撑电容的生命周期预测方法，以直流支撑电容所处温度状态为时间分段依据，将预设时间长度划分时间段，统计各时间段内的直流支撑电容的运行工况数据，进一步分别根据各时间段内的直流支撑电容的运行工况数据计算分段寿命，进而根据分段寿命计算直流支撑电容的寿命。提高了对直流支撑电容的生命周期的预测准确度。从而为重要器件的维护和运行状态数据库的建立，以及人工决策维修提供技术依据。

实施例二

图3为本发明实施例二的直流支撑电容的生命周期预测方法的流程示意图，所述实施例可视为图2的又一种具体的实现方案。可在如图5所示的直流支撑电容的生命周期预测装置上执行该方法：

步骤310：按照预设时间长度实时获取直流支撑电容的多组运行工况数据。

这里，本步骤与上述实施例一中步骤210处理方式相同，具体可参见上述步骤210的步骤内容，在此不再赘述。

步骤320：根据多组运行工况数据计算得到直流支撑电容的多个内芯温度数据。

这里，运行工况数据可包括电压数据、纹波电流数据和表面温度数据。

根据本发明示例性的实施例，步骤320可包括：根据多组直流支撑电容的表面温度数据、纹波电流数据，以及直流支撑电容的内阻和内芯到壳表面的热阻，计算得到多个内芯温度数据。

在具体的实现方式中，可以根据以下公式(1)计算内芯温度数据：

t＝ts+irms²*r*rth……………………………………………………式(1)

其中，t为直流支撑电容的内芯温度数据，ts为直流支撑电容的表面温度数据，irms为直流支撑电容的纹波电流数据，r为直流支撑电容的内阻，rth为直流支撑电容的内芯到壳表面的热阻。

或者，根据以下公式(2)计算内芯温度数据：

t＝ts+kirms²·r·rth……………………………………………………式(2)

其中，t为直流支撑电容的内芯温度数据，ts为直流支撑电容的表面温度数据，irms为直流支撑电容的纹波电流数据，r为直流支撑电容的内阻，rth为直流支撑电容的内芯到壳表面的热阻，k为预定的常量。

步骤330：根据计算得到的内芯温度数据与两个或两个以上预设的内芯温度阈值，将预设时间长度划分为对应两个或两个以上温度区间的两个或两个以上时间段，并统计每个时间段内的运行工况数据。

举例来说，以薄膜电容为例，假设预设的内芯温度阈值为60℃和70℃，将计算得到的内芯温度数据与预设的内芯温度阈值相比较，此外，每组运行工况数据对应时刻，由运行工况数据计算得到的内芯温度数据也对应时刻，由此，预设时间长度可划分为三个时间段，即小于60℃为低温状态对应的时间段，大于等于60℃且小于等于70℃为中温状态对应的时间段，大于70℃为高温状态对应的时间段。从而也就可统计每个时间段内的运行工况数据。同时，还可获得各个时间段对应的温度区间的持续时间长度。

步骤340：分别根据每个所述时间段内的运行工况数据计算得到分段寿命。

在具体的实现方式中，可以根据以下公式(3)计算分段寿命：

其中，l为分段寿命，l0为直流支撑电容的理论基准寿命，t0为直流支撑电容的理论最高内芯温度，tave为每个时间段内的内芯温度数据的平均值，vrate为直流支撑电容的额定电压，vave为每个时间段内的电压数据的平均值。

或者，根据以下公式(4)计算分段寿命：

其中，l为分段寿命，l0为直流支撑电容的理论基准寿命，t0为直流支撑电容的理论最高内芯温度，tave为每个时间段内的内芯温度数据的平均值，vrate为直流支撑电容的额定电压，vn为第n个时刻采集的电压数据。

步骤350：根据两个或两个以上时间段对应的持续时间长度以及各分段寿命，计算得到各分段寿命的平均值，各分段寿命的平均值为直流支撑电容的生命周期。

在具体的实现方式中，可以根据以下公式(5)计算直流支撑电容的生命周期：

其中，lave为生命周期，n为时间段的个数，tn为时间段对应的温度区间的持续时间长度，ln为时间段的分段寿命。

或者，根据以下公式(6)计算直流支撑电容的生命周期：

其中，lave为生命周期，n为时间段的个数，tn为时间段对应的温度区间的持续时间长度，ln为时间段的分段寿命。

继续以前述划分为低温状态、中温状态、高温状态三个时间段为例，假设由前述公式(3)计算出低温状态预测的分段寿命l01、中温状态预测的分段寿命l02和高温状态预测的分段寿命l03，然后套用上述公式(5)得到以下公式(7)：

其中，lave为生命周期，l01为低温状态预测的分段寿命，l02为中温状态预测的分段寿命，l03为高温状态预测的分段寿命，tsum1为低温状态的持续时间长度，tsum2为中温状态的持续时间长度，tsum3为高温状态的持续时间长度。

步骤360：如果满足预设的异常状态条件中的至少一个，则判定直流支撑电容处于异常状态。其中，预设的异常状态条件包括：计算的直流支撑电容的生命周期超过预设的生命周期阈值，直流支撑电容的电压数据超过预设的电压阈值，直流支撑电容的纹波电流数据超过预设的电流阈值和直流支撑电容的表面温度数据超过预设的温度阈值。

也就是说，根据获取的直流支撑电容的运行电压、纹波电流和表面温度，以及预测的生命周期，与直流支撑电容的额定限额参数进行比较，如果超出则表明该直流支撑电容处于异常状态。

步骤370：在判定直流支撑电容处于异常状态后进行报警提示。

本发明的直流支撑电容的生命周期预测方法，具有如下技术效果：

一方面，通过计算直流支撑电容的内芯温度，根据内芯温度进行时间段的划分进而分段计算寿命，并且，综合考虑每一时间段对应的持续时间的比重和相应的分段寿命，得出直流支撑电容的寿命，提高了直流支撑电容的生命周期的预测准确度。

另一方面，依据监测的直流支撑电容的工况数据进行异常判断步骤和报警提示步骤，实现了及时针对寿命超限电容、异常电容进行判定和报警，提高了直流支撑电容的工作环境的安全性。

实施例三

图4为本发明实施例三的直流支撑电容的生命周期预测装置的结构示意图。可用于执行本发明实施例一的直流支撑电容的生命周期预测方法步骤。

参照图4，该直流支撑电容的生命周期预测装置包括数据获取模块410、数据处理模块420和生命周期预测模块430。

数据获取模块410用于按照预设时间长度实时获取直流支撑电容的多组运行工况数据。

数据处理模块420用于将预设时间长度划分为两个或两个以上反映直流支撑电容处于不同温度状态的时间段，并统计每个时间段内的运行工况数据。

生命周期预测模块430用于分别根据每个时间段内的运行工况数据计算得到分段寿命，并根据多个分段寿命计算直流支撑电容的生命周期。

本发明的直流支撑电容的生命周期预测装置，以直流支撑电容所处温度状态为时间分段依据，将预设时间长度划分时间段，统计各时间段内的直流支撑电容的运行工况数据，进一步分别根据各时间段内的直流支撑电容的运行工况数据计算分段寿命，进而根据分段寿命计算直流支撑电容的寿命。提高了对直流支撑电容的生命周期的预测准确度。从而为重要器件的维护和运行状态数据库的建立，以及人工决策维修提供技术依据。

进一步地，在图4所示的实施例的基础上，图5为本发明实施例三的直流支撑电容的生命周期预测装置的另一结构示意图。

具体地，如图4所示的数据处理模块420可包括：

内芯温度计算单元4201用于根据多组运行工况数据计算得到直流支撑电容的多个内芯温度数据。这里，运行工况数据可包括纹波电流数据和表面温度数据。

时间段划分及数据统计单元4202用于根据计算得到的内芯温度数据与两个或两个以上预设的内芯温度阈值，将所述预设时间长度划分为对应两个或两个以上温度区间的两个或两个以上时间段，并统计每个所述时间段内的运行工况数据。

如图4所示的生命周期预测模块430可包括：

分段寿命计算单元4301用于分别根据每个时间段内的运行工况数据计算得到分段寿命。

生命周期计算单元4302用于根据两个或两个以上时间段对应的持续时间长度以及各分段寿命，计算得到各分段寿命的平均值，各分段寿命的平均值为直流支撑电容的生命周期。

优选地，该直流支撑电容的生命周期预测装置还可以包括：

异常状态判定模块440用于如果满足预设的异常条件中的至少一个，则判定直流支撑电容异常。

其中，预设的异常状态条件包括：计算的直流支撑电容的生命周期超过预设的生命周期阈值，直流支撑电容的电压数据超过预设的电压阈值，直流支撑电容的纹波电流数据超过预设的电流阈值和直流支撑电容的表面温度数据超过预设的温度阈值。这里，运行工况数据可包括直流支撑电容的电压数据、纹波电流数据和表面温度数据。

报警提示模块450用于在异常状态判定模块440判定直流支撑电容异常后进行报警提示。

进一步地，该直流支撑电容的生命周期预测装置可以集成在功率模块的驱动测量保护电路板中。

更进一步地，该直流支撑电容可以是用于风力发电系统的功率模块的薄膜电容或电解电容。

在实际应用中，该直流支撑电容的生命周期预测装置还可以包括通讯模块。具体地，如采用无线通讯与工控机建立连接，将携带有预测出的直流支撑电容的生命周期数据和/或直流支撑电容的工况数据发送给工控机，以便于相关管理维护人员依据工控机接收到的数据及时获知直流支撑电容的运行情况，以及容易引发较大事故的险情，进而采取相关保护措施。这里，无线通讯的实现方式可以是蓝牙、无线局域网802.11、红外数据传输、非接触式射频识别等短距离无线通讯技术。

综上，本发明还具有如下技术效果：

一是，通过计算直流支撑电容的内芯温度，根据内芯温度进行时间段的划分进而分段计算寿命，并且，综合考虑每一时间段对应的持续时间的比重和相应的分段寿命，得出直流支撑电容的寿命，提高了直流支撑电容的生命周期的预测准确度。

二是，依据监测的直流支撑电容的工况数据进行异常判断步骤和报警提示步骤，实现了及时针对寿命超限电容、异常电容进行判定和报警，提高了直流支撑电容的工作环境的安全性，避免了危害事件的发生。

实施例四

图6为本发明实施例四的直流支撑电容的生命周期预测系统的结构示意图。参照图6，直流支撑电容的生命周期预测系统包括：数据采集装610以及如前述实施例三所述的直流支撑电容的生命周期预测装置620，其中，数据采集装置610与生命周期预测装置620电连接。

具体地，数据采集装置可包括但不限于测温装置，以及电压传感器和电流传感器。其中，测温装置可以包括温度传感器或红外测温装置。继续参照图6，以用于风力发电系统的功率模块的直流支撑电容为例，电压传感器的正极和负极分别与直流支撑电容的正极和负极对应连接，电流传感器串联直流支撑电容所处的支路上，测温装置设置于直流支撑电容的壳表面上，电压传感器的信号输出端、电流传感器的信号输出端，以及测温装置的信号输出端分别与直流支撑电容的生命周期预测装置相连接。

进一步地，该直流支撑电容的生命周期预测系统还可以包括工控机(图中未示出)，工控机向与其连接的生命周期预测装置发送查询指令，并接收生命周期预测装置根据查询指令返回的查询结果数据，其中，查询结果数据包括直流支撑电容的生命周期数据和/或工况数据。

在具体的实现方式中，可在直流支撑电容的生命周期预测装置中设置通讯模块。通过通讯模块与工控机建立连接，从而在接收到查询指令后，可将查询结果发送给工控机，以便于相关管理维护人员依据工控机接收到的数据及时获知直流支撑电容的运行情况，以及容易引发较大事故的险情，进而采取相关保护措施。这里，查询结果数据可包括例如预测出的直流支撑电容的生命周期数据，和/或如电压、纹波电流、表面温度等工况数据。通讯方式可以是蓝牙、无线局域网802.11、红外数据传输、非接触式射频识别等短距离无线通讯技术。

本发明的直流支撑电容的生命周期预测系统，通过数据采集装置采集直流支撑电容的运行工况数据，生命周期预测装置获取数据采集装置采集的运行工况数据，进一步以运行工况数据为数据基础，实现了准确预测直流支撑电容的生命周期。从而为重要器件的维护和运行状态数据库的建立，以及人工决策维修提供技术依据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。