基于電壓注入的雙PWM變流器直流母線電容的在線檢測

高亞真，黃守道，付雪婷，王海龍，付睿瀟

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基于電壓注入的雙PWM變流器直流母線電容的在線檢測

高亞真，黃守道，付雪婷，王海龍，付睿瀟

（湖南大學，長沙 410082）

本文提出了一種三相雙PWM變流器的直流母線電容的在線檢測方法。在空載條件下，將一個頻率略低于母線頻率的交流電壓信號注入到雙PWM變流器的直流母線電壓中，在直流輸出側產生同頻率的功率波動。通過使用數字濾波器提取直流輸出端的交流電壓和功率分量，利用最小二乘法可以估算出直流母線電容。所提出的方法可以僅通過軟件實現而無需額外的硬件，Matlab/Simulink仿真實驗結果表明使用此方法得到的電容值估算誤差較小。

雙PWM變流器；電容估算；電壓注入；數字濾波器；最小二乘法（RLS）

0 前言

近年來，三相PWM整流器在工業場合中的應用越來越廣泛，如軋機驅動、電梯、不間斷電源、風力發電系統等[1,2]。無論是從電路拓撲還是控制策略角度來說，功率整流技術均已成熟。對于三相AC-DC-AC PWM整流器，由電解電容器組成的直流母線電容器作為能量緩沖器通常是必不可少的。

一般來說，電解電容器的使用壽命要比功率整流器系統中其他元器件的使用壽命短。由于電解反應、溫度、濕度、及系統中其他不定因素等的影響，電容器會失去最初的特性，電容值也會隨著使用年限的增加而減小。當電容值下降超過標稱值的25%時，電容器一般被認為達到終止壽命[3,4]。因此，實時監測電容器狀態至關重要。

對電容器的劣化狀態檢測主要分為兩大類：離線檢測和在線檢測。在離線檢測中，一些方法是基于電解質損耗造成的電容器質量減輕；還有一些是基于電容的等效串聯電阻隨著電容使用年限增加而增加。這些方法都需要將電容器從電子電路中移除，造成了極大的不方便。

針對電容的在線檢測，一些方法被陸續改進提出。文獻[5]中提出了基于前饋整流器和buck-boost整流器的電解電容器的劣化診斷方案。該方法利用了電容器的等效串聯電阻（ESR）隨著其劣化程度增加而增加，并且紋波分量與ESR成比例地變化的特性。文獻[6]提出了通過處理紋波電壓來估計電容的等效串聯電阻（ESR），從而預測電容的壽命。不同于之前的離線檢測方法，文獻[5]和[6]中，是通過檢測相關變量來得到電容器的ESR，避免了直接測量。但如果幾個電容器之間相互并聯，則不能預測其中單獨某一個電容器的故障。另外，文獻[7]和[8]中也提出電容器從投入使用開始的壽命預測方法，但是涉及的使用算法較為復雜并且由于電容器特性容易受到系統運行頻率和溫度的影響，這使得難以做到精準預測。

為了克服這些困難，本文提出了一種用于AC / DC / AC PWM變流系統的新型在線電容估計方法，將電壓注入法和RLS方法結合來估算母線電容[9-11]。在初始空載條件下，將一個交流電壓信號注入到AC / DC PWM變流器的直流母線。當負載在初始狀態下斷開時，輸入的交流電壓會在母線側引發交流功率波動，將交流功率分量和電壓分量提取出來后，利用最小二乘法來估算出電容。三相AC / DC / AC PWM變流器的實驗結果也驗證了該算法的有效性。

1 基于電壓注入法的直流母線電容的在線檢測

1.1 三相AC/DC/AC PWM變流系統拓撲

圖1所示為三相AC/DC /AC PWM變流系統以及后端的PMSM負載，前端整流器模塊的控制框圖包括直流母線電壓控制環和兩個電流控制環。其中的交流相電流被轉換至d-q同步參考軸系。為了保證電源側功率因數一致，q軸電流采用i=0的控制，對于i采用直流電壓恒定的控制策略。后端機側采用傳統的矢量控制。

圖1 雙PWM 變流系統框圖

1.2 電壓注入法

在穩態時，AC/DC/AC PWM 變流系統的直流母線電壓是恒定的，除開關頻率相關的紋波分量外，很難從恒壓信號中獲得系統的有效信息。為了達到參數估算的目的，需要在系統中注入激勵信號。本文將一個低頻交流電壓分量注入進原本恒定的直流母線電壓中：

其中，注入電壓幅值V為10V，頻率為2πf=2π30rad/s。

1.3 電容估算原理

由于電容估算的精度取決于注入交流電壓的控制性能，因此應精確控制直流母線電壓。所以引入了前饋補償控制器。

如果忽略變流器損耗，則直流母線兩側的功率平衡可以表示為式（2）

采用單位功率因數控制情況下，則有

忽略整流器側的電壓降時，則有

式中，為交流電壓源的有效值。

可以得出，前饋補償的d軸電流參考值應為

進行信號注入后的直流母線電壓參考值為

實際上，V0>>V，則

前饋補償項如式（11）

圖2為涉及電容估算算法模塊的三相AC / DC /AC PWM變流系統的控制框圖。圖中有一個直流母線電壓控制環和兩個dq電流控制環路。三相電流在同步參考系中轉換為d軸和q軸電流。對于單位功率因數運行工況，d軸電流被控制為零。對d軸電流進行控制以保持直流電壓恒定。在負載條件下，如果直流輸出電壓被很好地控制在其參考值，則d軸參考電流可以響應有功功率分量，直流母線電壓保持恒定（不考慮開關頻率相關的紋波分量）。

由于注入的電壓分量，變流器的的d軸電流包含具有相同頻率的紋波分量。直流母線電容的功率可以根據源端變流器的輸出功率與負載側變流器的輸入功率之間的差值來計算。使用帶通濾波器就可以提取功率紋波分量并用RLS方法估計電容值。

圖2 在線檢測電容方法的控制框圖

1.4 濾波器

為了從得到的直流母線功率和母線電壓中得到注入頻率附近的交流分量，以此來進行電容檢測，設置了帶通濾波器來提取30Hz的交流電壓和頻率分量。

K是增益，Q是質量因數，f是截止頻率，w=2πf。濾波器輸出特性受質量因數影響較小，因為在30Hz頻率附近無其它分量，取K=1，Q=4，f=30Hz。

2 RLS法

電容的功率和電壓之間的關系如式（12）所示，使用帶通濾波器以后，如式（13）所示：

其中，[·]表示帶通濾波器。

然后，參數未知的電容就可以通過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數，允許每當新數據可用時在每個采樣間隔更新系統的估計參數。

考慮到誤差標準規范，誤差成本函數如式（14）：

3 Matlab/Simulink仿真實驗驗證

為了驗證所提出的研究方法的有效性與正確性，在Matlab/simulink環境下搭建系統仿真模型進行仿真后，在實驗平臺進行驗證，系統相關參數見表1，實驗裝置如圖3所示。

表1 系統參數

雖然本文的仿真驗證模型是基于三相AC/DC/AC PWM變流系統，但實際上只有變流器的整流器側被用于電容值的在線檢測。空載條件下，變流器的逆變器側對結果無影響。

在DSP中進行控制程序的編寫，AC/DC/AC的功率容量使用IGBT模塊的PWM變流器為3kVA。雖然三相AC/DC/AC PWM變流器是為感應電機驅動器準備的，但只有源端AC/DC PWM整流器用于電容器組診斷，而PWM逆變器處于空閑狀態。

圖4為直流母線電容的功率，其中（a）為濾波之前，（b）為經過帶通濾波器以后的波形。由圖5可以看出，經過BPF后，30Hz以外的其它諧波分量幾乎被完全濾除。

圖6所示為直流母線電壓，系統控制性能較好。

圖7為采用本文所提出的方法得到的電容，分別約為A=38700μF、B=32900μF，估算誤差分別為0.76%、0.30%。（b）和（c）分別為對直流母線電壓和電流的微分，在0.5s時，電容值發生突變，但仍然可以快速地檢測出新的電容值，同時具有較高的檢測精度。

圖4 電容功率

圖5 電容功率的諧波含量

圖6 信號注入后的母線電壓參考值和實際值

圖7 在線檢測電容值

4 結論

本文提出了一種新的基于最小二乘法的對三相PWM變流系統直流母線電容的在線檢測方法。向直流母線電壓注入一個可控的交流電壓，對應地，在直流輸出側產生功率波動。然后利用最小二乘法對直流母線電壓和功率的交流分量進行處理，得到直流母線電容值。

由實驗分析可得如下結論：該方法不需要建立數學模型，受參數擾動的影響較小；數據量小，檢測結果偏差小，可靠性高；算法簡便，可以做到實時快速的準確檢測。

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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

國家自然科學基金青年項目(51707062)；中國博士后科學基金資助項目(2016M602407)

2018-06-20

高亞真（1993-），現為湖南大學電氣工程全日制碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。