一种直流电容组不平衡运行状态的检测系统及方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种直流电容组不平衡运行状态的检测系统及方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，电力变换技术被广泛应用于高铁、新能源汽车、光伏发电等场合的变流器中。其中，直流电容在变流器电路中起着稳压、耦合、滤波等重要作用。
3.实际系统中，常常会将多个直流电容并联为电容组来使用，正常运行状态下，各电容的运行状态基本一致，当某一电容出现劣化等不正常运行状态时，电容组就会处于一种不平衡运行状态，这种不平衡运行状态通常会缩减电容组的寿命，对电路的安全运行造成极大的隐患。在线监测直流电容组的不平衡运行状态对变流器的运维和故障检测有重要意义，可进一步提高变流器的可靠性。
4.直流电容的串联等效电阻esr是一个反应其运行状态的重要参数，电容的劣化及温度的变化等都会引起esr的变化。现有技术一般通过pwm纹波电压δu和纹波电流δi检测esr＝δu/δi来实现在线监测直流电容健康状态，但实际直流电容中既有esr也有串联等效电感esl，只有在pwm纹波频率刚好与电容的自谐振频率f＝1/(2πesl*c)相等或比较接近时，才可忽略esl和电容容值对阻抗的影响，因此该方法很难得到精确esr。尤其在电容组并联的情况下，若只有一个电容劣化较严重，电容组整体的esr变化很小，只检测电容组整体的pwm纹波难以分辨故障的发生；若在每个电容上都装设电压和电流检测装置，将增加电路成本、降低安全性。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种直流电容组不平衡运行状态的检测系统及方法，用以在线安全检测出电容组不平衡运行程度及其位置。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种直流电容组不平衡运行状态的检测系统，用以在线安全检测出电容组不平衡运行程度及位置，该系统包括：
8.高频振荡电流传感器：设有多个并分别安装在直流电容组的每条电容支路上，用以每条电容支路的高频振荡电流i
cdcn
；
9.信号调理和采样模块：与高频振荡电流传感器连接，用以对每条电容支路的高频振荡电流进行滤波和调幅处理并采集电流幅值i
cdcn_res
；
10.不平衡度计算模块：用以根据各电容支路电流幅值计算得到各电容支路对应的不平衡程度a，进而判断异常支路位置。
11.所述的高频振荡电流传感器从变流器直流侧pwm谐振回路的直流电容组中通过非接触方式检测并采集各电容支路的pwm高频振荡电流i
cdcn
。
12.各电容支路对应的不平衡程度a定义为：
13.各电容支路中最大的电流幅值与当前电容支路的电流幅值之比。
14.在各条电容支路处于健康状态下时，不平衡程度a值略大于1。
15.一种直流电容组不平衡运行状态的检测方法，包括以下步骤：
16.1)采集pwm高频振荡电流：在系统工作时，通过安装在各电容支路的高频电流传感器采集对应电容支路的高频振荡电流：
17.2)提取高频振荡电流的幅值：对各电容支路的高频振荡电流进行滤波和调幅处理并采集电流幅值；
18.3)计算不平衡程度a：获取各电容支路的高频振荡电流中的最大电流幅值，并计算当前电容支路的不平衡程度a；
19.4)判断电路运行状态。
20.所述的步骤2)中，当直流电容组处于不平衡运行状态时，各电容支路的电流幅值不同，健康支路的阻抗最小，电流幅值最大，劣化最严重的支路阻抗最大，电流最小。
21.所述的步骤3)中，当前电容支路的不平衡程度a的计算式为：
22.a＝i1/i2
23.其中，i1为各电容支路的高频振荡电流中的最大电流幅值，i2为当前电容支路的电流幅值。
24.所述的步骤4)中，直流电容组在初始状态时，不平衡程度a略大于1，当某一电容支路上的电容出现劣化时，则发生劣化的电容支路使得该电容支路的不平衡程度a增加，以此判断直流电容组的不平衡运行状态及确定该支路位置。
25.当电容支路的不平衡程度a超过设定的不平衡程度阈值时，则判定为发生劣化，并将其定位。
26.所述的不平衡程度阈值为1.1。
27.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
28.一、简便：本发明利用变流器直流侧pwm高频谐振电流信号在线监测直流电容组状态，能够通过简单的不平衡程度比较定位异常电容位置。
29.二、安全：本发明通过电容支路的电流幅值比来在线监测直流电容组各支路的不平衡程度和异常状态电容位置，高频电流传感器通过非接触的方式进行检测，对电路安全性没有影响。
附图说明
30.图1为变流器电路系统的系统结构图。
31.图2为检测直流电容组不平衡运行状态的方法流程图。
32.图3为感应电机变频调速系统仿真模型。
33.图4为电容组支路电流仿真波形图。
34.图5为本发明提出的一种直流电容组不平衡运行状态的检测系统的系统框图。
具体实施方式
35.下面结合典型电机变频调速系统仿真实例对本发明对本发明的可行性与有效性进行验证。
36.针对直流电容在线监测精度要求高、电容组并联时不平衡状态难检测的难点，本发明提出一种直流电容组不平衡运行状态的检测系统及方法，通过安装在直流电容组每个支路上的高频电流传感器获取该直流电容支路的高频振荡电流，利用处理器获取各支路高频振荡电流的幅值，由幅值比得到电容组中各电容阻抗之比，在esl基本不变的情况下，能够通过检测其幅值比来判断其esr的差异从而判断电容组运行的不平衡程度。
37.如图5所示，该直流电容组不平衡运行状态的检测系统主要包括以下三个部分：
38.(1)高频振荡电流传感器：从变流器直流侧pwm谐振回路中通过非接触方式检测各电容支路的pwm高频振荡电流i
cdcn
，其通频带范围为百khz级别至10mhz级别，能够有效检测到i
cdcn
，如图1所示，在直流电容组的每条支路上均安装一个高频振荡电流传感器，从而实现对每条支路的信号提取。
39.(2)信号调理和采样模块：对高频电流传感器检测到的pwm高频振荡电流i
cdcn
并处理，信号处理手段包括但不限于滤波、调幅，然后通过fpga/adc完成对i
cdcn
的幅值采样，得到i
cdcn_res
。
40.(3)不平衡度计算模块：对信号调理和采样模块输出得到的i
cdcn_res
进行处理，得到各支路的不平衡程度a，实现对异常支路位置的判断。
41.如图2所示，基于上述直流电容组不平衡运行状态的检测系统，本发明还提出了直流电容组不平衡运行状态的检测方法，包括以下步骤：
42.1)获取pwm高频振荡电流：在系统工作时，通过安装在各支路的高频电流传感器从各电容支路中获取高频振荡电流；
43.2)检测高频振荡电流的幅值：当电容组处于不平衡运行状态时，各电容支路的阻抗不同导致其电流幅值不同。其中健康支路的阻抗最小，电流幅值最大，劣化最严重的支路阻抗最大，电流最小；
44.3)不平衡度计算：各支路的振荡电流的幅值大小，即可反映各支路的阻抗相对大小，在esl保持不变的情况下，即可判断esr的相对大小，从而反映电容组的不平衡程度，此处不平衡程度用电容组中各支路最大电流i1与当前电容支路电流i2之比：a＝i1/i2来表示；
45.4)判断电路运行状态：电容组在初始状态下，各支路可能存在微小差异，不平衡程度略大于1，当某一支路上的电容出现劣化等不正常状态，esr发生变化，该支路与其他支路计算出的不平衡度会增加。根据经验可以得出，当本支路不平衡度a大于1.1左右的阈值时(具体阈值需要根据不同电容组器件确定)，可以判断该支路电容已劣化并得到该支路位置。
46.实施例
47.系统仿真模型与参数分别如图3与表1所示，其中变流器直流侧由直流电源供电，交流侧负载为感应电机，直流电容组是由4只450v/1000μf电解电容并联而成。
48.表1感应电机变频调速系统仿真模型参数
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在额定条件下工作时电容组各支路的电流如图4所示，取任一时刻相同振荡的幅值比都可以计算支路esr，这里以第二个波峰和第二个波谷幅值为例，计算结果如表2所示。在第四支路，电容劣化较为严重，此时，不平衡程度a达到了1.15，由此可以定位到第四支路出现了不正常运行状态。
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表2仿真计算结果
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