基于电压注入的双PWM变流器直流母线电容的在线检测

高亚真，黄守道，付雪婷，王海龙，付睿潇



基于电压注入的双PWM变流器直流母线电容的在线检测

高亚真，黄守道，付雪婷，王海龙，付睿潇

（湖南大学，长沙 410082）

本文提出了一种三相双PWM变流器的直流母线电容的在线检测方法。在空载条件下，将一个频率略低于母线频率的交流电压信号注入到双PWM变流器的直流母线电压中，在直流输出侧产生同频率的功率波动。通过使用数字滤波器提取直流输出端的交流电压和功率分量，利用最小二乘法可以估算出直流母线电容。所提出的方法可以仅通过软件实现而无需额外的硬件，Matlab/Simulink仿真实验结果表明使用此方法得到的电容值估算误差较小。

双PWM变流器；电容估算；电压注入；数字滤波器；最小二乘法（RLS）

0 前言

近年来，三相PWM整流器在工业场合中的应用越来越广泛，如轧机驱动、电梯、不间断电源、风力发电系统等[1,2]。无论是从电路拓扑还是控制策略角度来说，功率整流技术均已成熟。对于三相AC-DC-AC PWM整流器，由电解电容器组成的直流母线电容器作为能量缓冲器通常是必不可少的。

一般来说，电解电容器的使用寿命要比功率整流器系统中其他元器件的使用寿命短。由于电解反应、温度、湿度、及系统中其他不定因素等的影响，电容器会失去最初的特性，电容值也会随着使用年限的增加而减小。当电容值下降超过标称值的25%时，电容器一般被认为达到终止寿命[3,4]。因此，实时监测电容器状态至关重要。

对电容器的劣化状态检测主要分为两大类：离线检测和在线检测。在离线检测中，一些方法是基于电解质损耗造成的电容器质量减轻；还有一些是基于电容的等效串联电阻随着电容使用年限增加而增加。这些方法都需要将电容器从电子电路中移除，造成了极大的不方便。

针对电容的在线检测，一些方法被陆续改进提出。文献[5]中提出了基于前馈整流器和buck-boost整流器的电解电容器的劣化诊断方案。该方法利用了电容器的等效串联电阻（ESR）随着其劣化程度增加而增加，并且纹波分量与ESR成比例地变化的特性。文献[6]提出了通过处理纹波电压来估计电容的等效串联电阻（ESR），从而预测电容的寿命。不同于之前的离线检测方法，文献[5]和[6]中，是通过检测相关变量来得到电容器的ESR，避免了直接测量。但如果几个电容器之间相互并联，则不能预测其中单独某一个电容器的故障。另外，文献[7]和[8]中也提出电容器从投入使用开始的寿命预测方法，但是涉及的使用算法较为复杂并且由于电容器特性容易受到系统运行频率和温度的影响，这使得难以做到精准预测。

为了克服这些困难，本文提出了一种用于AC / DC / AC PWM变流系统的新型在线电容估计方法，将电压注入法和RLS方法结合来估算母线电容[9-11]。在初始空载条件下，将一个交流电压信号注入到AC / DC PWM变流器的直流母线。当负载在初始状态下断开时，输入的交流电压会在母线侧引发交流功率波动，将交流功率分量和电压分量提取出来后，利用最小二乘法来估算出电容。三相AC / DC / AC PWM变流器的实验结果也验证了该算法的有效性。

1 基于电压注入法的直流母线电容的在线检测

1.1 三相AC/DC/AC PWM变流系统拓扑

图1所示为三相AC/DC /AC PWM变流系统以及后端的PMSM负载，前端整流器模块的控制框图包括直流母线电压控制环和两个电流控制环。其中的交流相电流被转换至d-q同步参考轴系。为了保证电源侧功率因数一致，q轴电流采用i=0的控制，对于i采用直流电压恒定的控制策略。后端机侧采用传统的矢量控制。

图1 双PWM 变流系统框图

1.2 电压注入法

在稳态时，AC/DC/AC PWM 变流系统的直流母线电压是恒定的，除开关频率相关的纹波分量外，很难从恒压信号中获得系统的有效信息。为了达到参数估算的目的，需要在系统中注入激励信号。本文将一个低频交流电压分量注入进原本恒定的直流母线电压中：

其中，注入电压幅值V为10V，频率为2πf=2π30rad/s。

1.3 电容估算原理

由于电容估算的精度取决于注入交流电压的控制性能，因此应精确控制直流母线电压。所以引入了前馈补偿控制器。

如果忽略变流器损耗，则直流母线两侧的功率平衡可以表示为式（2）

采用单位功率因数控制情况下，则有

忽略整流器侧的电压降时，则有

式中，为交流电压源的有效值。

可以得出，前馈补偿的d轴电流参考值应为

进行信号注入后的直流母线电压参考值为

实际上，V0>>V，则

前馈补偿项如式（11）

图2为涉及电容估算算法模块的三相AC / DC /AC PWM变流系统的控制框图。图中有一个直流母线电压控制环和两个dq电流控制环路。三相电流在同步参考系中转换为d轴和q轴电流。对于单位功率因数运行工况，d轴电流被控制为零。对d轴电流进行控制以保持直流电压恒定。在负载条件下，如果直流输出电压被很好地控制在其参考值，则d轴参考电流可以响应有功功率分量，直流母线电压保持恒定（不考虑开关频率相关的纹波分量）。

由于注入的电压分量，变流器的的d轴电流包含具有相同频率的纹波分量。直流母线电容的功率可以根据源端变流器的输出功率与负载侧变流器的输入功率之间的差值来计算。使用带通滤波器就可以提取功率纹波分量并用RLS方法估计电容值。

图2 在线检测电容方法的控制框图

1.4 滤波器

为了从得到的直流母线功率和母线电压中得到注入频率附近的交流分量，以此来进行电容检测，设置了带通滤波器来提取30Hz的交流电压和频率分量。

K是增益，Q是质量因数，f是截止频率，w=2πf。滤波器输出特性受质量因数影响较小，因为在30Hz频率附近无其它分量，取K=1，Q=4，f=30Hz。

2 RLS法

电容的功率和电压之间的关系如式（12）所示，使用带通滤波器以后，如式（13）所示：

其中，[·]表示带通滤波器。

然后，参数未知的电容就可以通过最小二乘法估算得到。

RLS算法迭代地最小化最小二乘法成本函数，允许每当新数据可用时在每个采样间隔更新系统的估计参数。

考虑到误差标准规范，误差成本函数如式（14）：

3 Matlab/Simulink仿真实验验证

为了验证所提出的研究方法的有效性与正确性，在Matlab/simulink环境下搭建系统仿真模型进行仿真后，在实验平台进行验证，系统相关参数见表1，实验装置如图3所示。

表1 系统参数

虽然本文的仿真验证模型是基于三相AC/DC/AC PWM变流系统，但实际上只有变流器的整流器侧被用于电容值的在线检测。空载条件下，变流器的逆变器侧对结果无影响。

在DSP中进行控制程序的编写，AC/DC/AC的功率容量使用IGBT模块的PWM变流器为3kVA。虽然三相AC/DC/AC PWM变流器是为感应电机驱动器准备的，但只有源端AC/DC PWM整流器用于电容器组诊断，而PWM逆变器处于空闲状态。

图4为直流母线电容的功率，其中（a）为滤波之前，（b）为经过带通滤波器以后的波形。由图5可以看出，经过BPF后，30Hz以外的其它谐波分量几乎被完全滤除。

图6所示为直流母线电压，系统控制性能较好。

图7为采用本文所提出的方法得到的电容，分别约为A=38700μF、B=32900μF，估算误差分别为0.76%、0.30%。（b）和（c）分别为对直流母线电压和电流的微分，在0.5s时，电容值发生突变，但仍然可以快速地检测出新的电容值，同时具有较高的检测精度。

图4 电容功率

图5 电容功率的谐波含量

图6 信号注入后的母线电压参考值和实际值

图7 在线检测电容值

4 结论

本文提出了一种新的基于最小二乘法的对三相PWM变流系统直流母线电容的在线检测方法。向直流母线电压注入一个可控的交流电压，对应地，在直流输出侧产生功率波动。然后利用最小二乘法对直流母线电压和功率的交流分量进行处理，得到直流母线电容值。

由实验分析可得如下结论：该方法不需要建立数学模型，受参数扰动的影响较小；数据量小，检测结果偏差小，可靠性高；算法简便，可以做到实时快速的准确检测。

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[8] Siyuan Ma, Haoran Wang, Junchaojie Tang, et al. Lifetime estimation of DC-link capacitors in a single-phase converter with an integrated active power decoupling module[C]. IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2016: 6824-6829.

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OnlineDetectionof DC-link Capacitors for Dual-PWM Converter based on Voltage Injection

GAOYazhen,HUANGShoudao, FUXueting,WANG Hailong, FU Ruixiao

(Hunan University, Changsha 410082, China)

In this paper, a new method for the online estimation of DC-link Capacitors in three-phase AC-DC-DC PWM converter was proposed. At no-load condition, a controlled AC voltage with a lower frequency than the line frequency is injected into the DC-link voltage, which then causes the AC power ripples at the DC output side. By extracting the AC voltage and power components on the DC output side using digital filters, the capacitance can be calculated by using the recursive least squares(RLS) method. The proposed method can be implemented by software alone without additional hardware. The simulation results of Matlab/Simulink show that the error of capacitance value obtained by this method is very small.

dual-PWM converter;capacitor estimation;voltage injection;digital filter; recursive least squares(RLS)

TM46

A

1000-3983(2018)06-0079-05

国家自然科学基金青年项目(51707062)；中国博士后科学基金资助项目(2016M602407)

2018-06-20

高亚真（1993-），现为湖南大学电气工程全日制硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。