單元串聯(lián)型高壓變頻器及其母線電容在線監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及變頻器領(lǐng)域，尤其涉及一種單元串聯(lián)型高壓變頻器及其母線電容在線 監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 如圖1所示，交直交電壓源型變頻器中，中間直流環(huán)節(jié)往往需要大量電容，通常也 稱為直流母線電容或是支撐電容，在電路中起直流支撐與濾波作用。在單元串聯(lián)型高壓變 頻器中通常大量使用鋁電解電容作為直流支撐電容。
[0003] 電解電容是比較容易老化的元件，老化的一個特征是容量降低。鋁電解電容器的 電容量在工作早期緩慢下降，但是在使用后期，由于電解液耗損較多、溶液變稠，電阻率因 黏度增大而上升，使工作電解質(zhì)的等效串聯(lián)電阻增大，導(dǎo)致電容器損耗明顯增大。同時，黏 度增大的電解液難于充分接觸經(jīng)腐蝕處理的凹凸不平鋁箱表面上的氧化膜層，這樣就使鋁 電解電容器的極板有效面積減小，引起電容量急劇下降，這也是電容器使用壽命臨近結(jié)束 的表現(xiàn)。此外，如果工作電解液在低溫下黏度增大過多，也會造成損耗增大與電容量急劇下 降的后果，從而引起鋁電解電容器在嚴寒環(huán)境中使用時失效。除了老化，電解電容通常還 存在漏液、爆炸、開路、擊穿等失效模式。其中部分失效是由于瞬態(tài)沖擊引起的，例如高壓擊 穿、電容短路等。此外，大部分情況下的電容失效是由非瞬態(tài)沖擊引起的，且在出現(xiàn)嚴重故 障或失效之前，都會出現(xiàn)電容量的顯著下降。
[0004] 針對高壓變頻器，傳統(tǒng)的直流母線電容檢測方法是離線式監(jiān)測，包括定期預(yù)防性 檢修、事故后維修等。這類檢測方法存在如下問題：1)要求斷電診斷，給用戶的生產(chǎn)、生活 帶來嚴重的影響；2)有效性和靈敏性差，停電后設(shè)備狀態(tài)（例如電壓、溫度等）和運行中不 符，影響判斷的準(zhǔn)確度；3)周期性定期檢查，而不是連續(xù)地在線監(jiān)測，設(shè)備仍有可能在定期 檢查期間發(fā)生故障，即造成維修不足。
[0005] 鑒于以上原因，目前對電容的監(jiān)測開始轉(zhuǎn)向在線監(jiān)測的方向發(fā)展，即在設(shè)備正常 運行過程中實時監(jiān)測直流母線電容的狀態(tài)，及時反映其缺陷和劣化程度，在發(fā)出故障征兆 時及時采取必要的處理措施（例如降額運行或停機），避免故障的發(fā)生或進一步惡化。
[0006] 常見的電容在線監(jiān)測方法有紅外診斷法和介質(zhì)損耗角正切值法等。其中，紅外診 斷法需要熱成像儀，但不可能針對單元串聯(lián)型高壓變頻器的每個單元都配置熱成像儀；此 外，單元內(nèi)其它發(fā)熱裝置容易使得測量結(jié)果產(chǎn)生誤判斷，甚至測試工作根本無法進行。介質(zhì) 損耗角正切值法能較好的實時反映電容的狀態(tài)，但需要增加額外的硬件電路來檢測實時電 容電壓和電流。對于單元串聯(lián)型高壓變頻器來說，單元數(shù)較多，每個單元都增加額外的檢測 電路，既增加了成本，又增加了復(fù)雜性，因此并不實用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移植性差 的缺陷，提供一種不用增加硬件成本的單元串聯(lián)型高壓變頻器及其母線電容在線監(jiān)測方 法。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種單元串聯(lián)型高壓變頻器的 母線電容在線監(jiān)測方法，所述高壓變頻器包括多個串聯(lián)的功率單元，所述功率單元為單相 輸出的交直交電壓源型的功率單元，所述方法包括：
[0009] 針對每個功率單元分別執(zhí)行以下步驟：
[0010] S1、多次采樣功率單元內(nèi)的直流母線電壓、功率單元的輸出交流電壓、功率單元的 輸出交流電流/所述高壓變頻器的輸出相電流；
[0011] S2、基于多次采樣的所述直流母線電壓計算得到母線電壓平均值和母線電容上的 最大二次脈動幅值，
[0012] S3、基于多次采樣的所述輸出交流電壓、輸出交流電流/輸出相電流，計算得到交 流電壓幅值、交流電流幅值；
[0013] S4、基于以下公式計算母線電容：
[0014]
[0015] 其中，Cd。代表母線電容，V d。、Δ Vniax分別代表步驟S2中的所述母線電壓平均值、最 大二次脈動幅值，I、I1分別代表步驟S3中的交流電壓幅值、交流電流幅值，f i代表所述高 壓變頻器的輸出頻率；
[0016] S5、基于計算得到的母線電容判斷是否需要停機處理，如果不需要，則轉(zhuǎn)步驟Sl 繼續(xù)監(jiān)測所述母線電容。
[0017] 在本發(fā)明所述的單元串聯(lián)型高壓變頻器的母線電容在線監(jiān)測方法中，所述步驟S2 中：母線電壓平均值通過累加求平均計算獲得，所述最大二次脈動幅值基于FFT算法計算 獲得。
[0018] 在本發(fā)明所述的單元串聯(lián)型高壓變頻器的母線電容在線監(jiān)測方法中，所述步驟S3 中：基于以下函數(shù)關(guān)系：
，結(jié)合數(shù)學(xué)算法計算 得到交流電壓幅值、交流電流幅值，其中，V1代表輸出交流電壓、I1代表輸出交流電流/輸 出相電流，O1為輸出交流電壓的角頻率。
[0019] 在本發(fā)明所述的單元串聯(lián)型高壓變頻器的母線電容在線監(jiān)測方法中，所述步驟S5 包括：
[0020] S51、根據(jù)母線電容的額定容量與計算得到的母線電容，確定母線電容的變化容 值；
[0021] S52、當(dāng)所述變化容值不超過第一設(shè)定值時，轉(zhuǎn)步驟Sl ;
[0022] S53、當(dāng)所述變化容值超過第一設(shè)定值且不超過第二設(shè)定值時，判定母線電容開始 出現(xiàn)異常，進行初步處理后繼續(xù)轉(zhuǎn)步驟Sl ;
[0023] S54、當(dāng)所述變化容值超過第二設(shè)定值時，判定母線電容狀態(tài)嚴重異常，進行停機 處理。
[0024] 本發(fā)明還公開了一種單元串聯(lián)型高壓變頻器，所述高壓變頻器包括多個串聯(lián)的功 率單元以及控制單元，所述功率單元為單相輸出的交直交電壓源型的功率單元，所述控制 單元包括：
[0025] 采集單元：用于針對每個功率單元，分別多次采樣功率單元內(nèi)的直流母線電壓、功 率單元的輸出交流電壓、功率單元的輸出交流電流/所述高壓變頻器的輸出相電流；
[0026] 直流側(cè)參數(shù)處理單元：基于多次采樣的所述直流母線電壓計算得到母線電壓平均 值和母線電容上的最大二次脈動幅值；
[0027] 交流側(cè)參數(shù)處理單元：基于多次采樣的所述輸出交流電壓、輸出交流電流/輸出 相電流，計算得到交流電壓幅值、交流電流幅值；
[0028] 容值計算單元：基于以下公式計算母線電容：
[0029]
⑴
[0030] 其中，Cd。代表母線電容，V d。、Δ Vniax分別代表步驟S2中的所述母線電壓平均值、最 大二次脈動幅值，I、I1分別代表步驟S3中的交流電壓幅值、交流電流幅值，f i代表所述高 壓變頻器的輸出頻率；
[0031] 處理單元：用于基于計算得到的母線電容判斷是否需要停機處理，如果不需要，則 觸發(fā)所述采集單元、直流側(cè)參數(shù)處理單元、交流側(cè)參數(shù)處理單元、容值計算單元繼續(xù)工作以 繼續(xù)監(jiān)測所述母線電容。
[0032] 在本發(fā)明所述的單元串聯(lián)型高壓變頻器中，所述直流側(cè)參數(shù)處理單元通過累加求 平均計算獲得母線電壓平均值，基于FFT算法計算獲得所述最大二次脈動幅值。
[0033] 在本發(fā)明所述的單元串聯(lián)型高壓變頻器中，所述交流參數(shù)處理單元基于以下函數(shù) 關(guān)系：
，結(jié)合數(shù)學(xué)算法計算得到交流電壓幅 值、交流電流幅值，其中，V1代表輸出交流電壓、I1代表輸出交流電流/輸出相電流，ω 輸出交流電壓的角頻率。
[0034] 在本發(fā)明所述的單元串聯(lián)型高壓變頻器中，所述處理單元還用于在所述變化容值 超過第一設(shè)定值且不超過第二設(shè)定值時，判定母線電容開始出現(xiàn)異常，進行