用于估计DC链路电容的方法和设备技术

本发明专利技术涉及用于估计DC链路电容的方法和设备。本公开内容描述了用于估计三相电压源转换器的DC链路的电容的方法和设备。所述电压源转换器包括用于响应于控制参考来控制DC链路的功率流的装置。所述方法包括：生成具有多个功率流电平的激励信号；使用激励信号暂时作为控制参考以控制功率流的暂时变化；监测由功率流的暂时变化引起的对DC链路电压的电压响应；计算由功率流的暂时变化引起的在DC链路中存储的电能的变化；以及基于电压响应和在DC链路中存储的电能的变化来估计DC链路的电容。

【技术实现步骤摘要】
用于估计DC链路电容的方法和设备
本专利技术涉及电压源转换器，并且具体地涉及对电压源转换器中的DC链路的电容的估计。
技术介绍
电压源并网转换器被广泛地用于诸如电动马达驱动器、电动车辆和可再生能源发电的各种应用中的AC-DC(交流-直流)和DC-AC(直流-交流)功率转换。这些转换器的DC链路电容器或电容器组发挥着重要作用：作为电能缓冲器以及平衡DC电压变化。然而，电容器在转换器中是最脆弱的电子元件。电容器故障的常见原因是长期耗尽，这可以通过电容器的电气参数的变化来观测。因此，监测电容器的电气参数可以提供电容器状况的信息。例如，可以通过估计或测量电容器的电容来监测电容器的状况。电容通常会在电容器的寿命结束时减小。在一些情况下，因为测量方法常常需要额外的可能昂贵的装备(例如，传感器)，所以估计方法可以是优选的。存在用于估计DC链路电容的各种方法。例如，在与电动马达连接的电驱动器中，可以通过在马达停止时使电容器电能向马达的定子绕组放电来估计电容。然后基于检测到的电容器电荷的变化来估计电容。然而，该方法不能应用于没有马达的应用例如太阳能逆变器中。可替选地，可以利用转换器中的制动电路来使电容器放电。还可以通过监测当正在通过与电容器组的电容器并联的微调电阻器使电容器组电能放电时的电压下降来估计电容。然而，这些方法不能在转换器的正常操作期间使用。用于估计电容的另一种方法将电容器的波纹电压和电流用作卡尔曼(Kalman)滤波器的输入信号。基于波纹电压的方法的缺点是：包括传感器的测量系统可能必须具有高带宽，以便能够捕获从脉冲宽度调制得到的波纹波形。另外，高带宽的测量可能对噪声敏感，并且传感器可能更昂贵。用于估计电容的又一种方法是基于向转换器的控制参考注入低频正弦电流，使得注入信号对电容器的电压引起振荡。可以通过利用带通滤波器对电压进行滤波来提取DC电压的振荡分量。基于所提取的振动分量和电容器的电流来估计电容。然而，向控制参考添加注入信号以及使用带通滤波器来确定振荡分量可能会显著增加控制系统的复杂性。
技术实现思路
本公开内容的目的是提供一种方法和用于实现该方法的设备以减轻上述缺点。通过由独立权利要求中所述内容表征的方法和布置来实现本专利技术的目的。在从属权利要求中公开了本专利技术的优选实施方式。本公开内容描述了一种用于估计转换器的DC链路电容器的电容的方法。在该方法的观测时段期间，转换器的正常控制回路可以被旁路，并且用于电容识别的简单激励信号可以被馈送至转换器电流或功率参考。通过确定由激励信号引起的DC链路的电能和电压的变化的幅度，可以确定DC链路的电容。虽然激励信号被用作参考，但是转换器的DC链路电压和相电流可以被测量并且例如与转换器的调制器的输出电压参考一起被存储。例如，可以基于相电流和输出电压参考来计算电容器电能，并且可以通过使用所测量的DC链路电压和所计算的电容器电能作为用于最小二乘估计器的输入信号来估计电容。可以在转换器的正常操作期间或启动时执行电容的估计。根据本公开内容的方法使得能够在线跟踪DC链路电容，这在电容器的状况监测以及电容故障之前的预测性维护中是有用的。由于电容估计可以在转换器操作期间重复进行，所以该方法还使得控制系统例如DC链路电压控制器能够自适应调节。对于通常的并网转换器例如太阳能逆变器，或者对于马达驱动器的有源前端整流器，该方法可以被容易地实现。不需要任何硬件修改，而是仅要求转换器控制软件的微小变化。附图说明下文中，将参照附图借助于优选实施方式来更加详细地描述本专利技术，在附图中：图1示出了并网转换器的等效电路的示例性功率流图；图2示出了可以对其应用根据本公开内容的方法的激励信号的电压源转换器的示例性控制系统；图3a和图3b示出了具有不同大小和长度的两个或三个脉冲的两个示例性激励信号；以及图4示出了根据本公开内容的在电压源转换器的正常操作期间的示例性激励信号。具体实施方式本公开内容描述了用于估计三相电压源转换器的DC链路的电容的方法。电压源转换器可以被配置成例如从DC源供给电网。电压源转换器包括用于响应于控制参考来控制DC链路的功率流的装置。在本文中，DC链路的功率流(简称为DC链路功率流)表示流向DC链路的第一功率与从DC链路流出的第二功率之间的差。图1示出了三相并网转换器的示例性等效功率流图。图1中的转换器10包括DC侧连接11、DC链路12、半导体桥14、电网侧滤波器16以及AC侧连接17，其中，转换器10通过AC侧连接17连接至电网18。图1示出了与功率流相关联的电压、电流和功率。正的功率方向被选择为对应于以逆变器模式(即，将DC功率转换成AC功率)操作的转换器的功率流。在图1中，外部功率pdc通过DC侧连接11供给DC链路12，从而充当流向DC链路12的第一功率。在图1中，外部功率pdc由DC电源13提供。DC电源可以是例如一个或更多个太阳能电池板。例如，可以如下来计算外部功率pdc：pdc＝udcidc，(1)其中，udc是DC链路电压，并且idc是外部DC电源的直流电流。DC侧转换器功率psw(充当第二功率)从DC链路流向半导体桥14。半导体桥14可以是包括例如半导体开关的逆变器桥。转换器10使用半导体桥14将DC侧转换器功率psw转换成AC侧转换器功率pc。假定图1中的量在开关周期内被取平均。复值空间向量用黑体符号来标记。转换器输出功率可以被计算为：其中，为静止坐标系中的转换器电压以及为静止坐标系中的转换器电流，以及uc和ic为同步坐标系中的对应量。复共轭用上标*来表示。例如，DC侧转换器功率psw与AC侧转换器功率pc之间的关系可以表示为如下：psw＝pc+pl，(3)其中，pl表示在半导体桥14中所引起的转换损耗。在一些应用中，可能不能测量转换器电压因此可能无法直接利用等式(2)。然而，可以基于用于电压源转换器的调制器的电压参考和电压源转换器的输出电流来计算AC侧转换器功率pc，例如：其中，Ts为采样时间，并且由于控制算法的有限计算时间而考虑一个采样延迟DC侧转换器功率pc通过电网侧滤波器16被提供给电网18。在图1中被馈送到电网中的功率为pg。DC链路电压的动态可以被定义为如下：其中，Cdc为电容，isw为从DC链路至半导体桥的电流。通过在等式(5)的两侧乘以DC链路电压udc，可以得到以下电容器电能动态：其中，表示在电容器中所存储的电能，pdc-psw表示DC链路的功率流。在积分形式中，在观测时段0≤t≤te期间的电能W可以表示为DC链路功率流的积分：W(t)＝∫[pdc(t)-psw(t)]dt+W0，(8)其中，W0是在观测时段开始时(t＝0)电容器中所存储的初始电能。在观测时段0≤t≤te期间，可以假定图1中充当第一功率的外部功率pdc(t)在初始外部功率电平pdc0处保持不变(即，pdc(t)＝pdc0)。初始外部功率电平pdc0表示在观测时段开始时(t＝0)外部功率pdc(t)的电平。另外，DC链路电容器12的功率损耗可以忽略不计，使得初始电平pdc0对应于DC侧转换器功率psw(t)在观测时段开始时的初始功率电平psw0(即，pdc0-psw0≈0)。从而，外部功率可以写为pdc(t)≈psw0。换言之，可以使用第二功率的初始电平作为用于近似恒定的第一功率电平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于估计三相电压源转换器的DC链路的电容的方法，其中，所述电压源转换器包括用于响应于控制参考来控制所述DC链路的功率流的装置，所述功率流表示流向所述DC链路的第一功率与从所述DC链路流出的第二功率之间的差，以及其中，所述方法包括：生成具有多个功率流电平的激励信号，使用所述激励信号暂时作为所述控制参考来控制所述功率流的暂时变化，监测由所述功率流的暂时变化引起的对DC链路电压的电压响应，计算由所述功率流的暂时变化引起的在所述DC链路中存储的电能的变化，以及基于所述电压响应和在所述DC链路中存储的电能的变化来估计所述DC链路的电容。

【技术特征摘要】
2016.03.24 EP 16162278.21.一种用于估计三相电压源转换器的DC链路的电容的方法，其中，所述电压源转换器包括用于响应于控制参考来控制所述DC链路的功率流的装置，所述功率流表示流向所述DC链路的第一功率与从所述DC链路流出的第二功率之间的差，以及其中，所述方法包括：生成具有多个功率流电平的激励信号，使用所述激励信号暂时作为所述控制参考来控制所述功率流的暂时变化，监测由所述功率流的暂时变化引起的对DC链路电压的电压响应，计算由所述功率流的暂时变化引起的在所述DC链路中存储的电能的变化，以及基于所述电压响应和在所述DC链路中存储的电能的变化来估计所述DC链路的电容。2.根据权利要求1所述的方法，其中，监测所述电压响应包括：在观测时段期间对所述DC链路电压进行采样以确定所述电压响应，以及基于所述电压响应来形成数据点的第一集合，其中，每个数据点表示所采样的DC链路电压的平方与所述DC链路电压在所述观测时段开始时的初始值的平方之间的差。3.根据权利要求2所述的方法，其中，计算在所述DC链路中存储的电能的变化包括：确定所述DC链路在所述观测时段开始时的初始功率流，计算在所述观测时段期间的功率流的值，形成数据点的第二集合，其中，每个数据点表示所计算的所述DC链路的功率流的值的积分。4.根据权利要求3所述的方法，其中，假定所述第一功率恒定，以及计算所述功率流的值包括：基于所述第二功率在所述观测时段开始时的初始电平来近似所述第一功率的电平。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，估计所述DC链路的电容包括：计算所述第一集...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅尔诺·库科拉，马尔科·欣卡宁，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI