一种基于卡尔曼滤波算法的直流母线电容在线监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于卡尔曼滤波算法的直流母线电容在线监测方法，包括：建立直流母线电容的等效电路模型，并获取模型状态空间方程；采集直流母线电容两端的电流与电压，并进行滤波处理；基于模型状态空间方程和滤波处理后的电流与电压，通过卡尔曼滤波算法估算直流母线电容等效串联电阻与电容。本发明专利技术能够在设备运行过程中实时监测直流母线电容状态，且不需要在设备中注入激励信号，能够有效避免在设备中增加额外操作，而且适用于UPS等无法实现频繁停机的设备中。频繁停机的设备中。频繁停机的设备中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于卡尔曼滤波算法的直流母线电容在线监测方法


[0001]本专利技术涉及电力设备监测
，具体涉及一种基于卡尔曼滤波算法的直流母线电容在线监测方法。

技术介绍

[0002]随着全球环境问题与能源危机日益严重，世界各国开始重视新能源技术的发展；其中，电力电子技术作为新能源领域的重要支撑技术之一，被广泛应用于新能源发电、电动汽车、储能系统等现代工业中。伴随着新能源的进一步开发与利用，电力电子器件的投入使用量逐渐增多；但电力电子器件在长时间的工作过程中存在老化现象，其器件性能会逐渐下降直至失效，从而影响整个系统的稳定性，这使得越来越多的人开始关注电力电子器件的可靠性。
[0003]电容作为目前常用的电力电子器件，被广泛应用于工业领域中；其中，直流母线电容是功率变流器中的关键器件，负责连接两级变流器，实现功率平衡与平滑电压波动，其器件状态直接影响整个功率变流器的性能；但直流母线电容在应用过程中失效率较高，严重影响系统的稳定性。因此，为避免由于直流母线电容老化导致的系统故障，对直流母线电容进行在线监测是十分有必要的。
[0004]现有电容在线监测技术主要分为两类，一类是通过监测设备停机过程中电容的暂态变化获取电容状态，但该方法并不适用于例如不间断电源(Uninterruptible Power Supply，UPS)等无法实现频繁停机的设备中；另一类是电压注入法，在系统运行过程中注入其他频率的电压分量作为激励信号，通过监测该激励信号下电容的电压与电流变化获取电容状态，但是该方法在设备中增加了额外的操作，容易影响设备性能。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供一种基于卡尔曼滤波算法的直流母线电容在线监测方法，该方法能够在设备运行过程中实时监测直流母线电容状态，并且不需要额外注入激励信号。
[0006]本专利技术公开了一种基于卡尔曼滤波算法的直流母线电容在线监测方法，包括：
[0007]建立直流母线电容的等效电路模型，并获取模型状态空间方程；
[0008]采集直流母线电容两端的电流与电压，并进行滤波处理；
[0009]基于模型状态空间方程和滤波处理后的电流与电压，通过卡尔曼滤波算法估算直流母线电容等效串联电阻与电容。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述等效电路模型由一个串联RC环节组成，R为直流母线电容等效串联电阻，C为直流母线电容等效电容。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述模型状态空间方程为：
[0012][0013][0014]式中，T表示采样周期，ESR与C分别为直流母线电容等效串联电阻与电容，u和i分别为经巴特沃斯二阶带通滤波器处理后的直流母线电容电压采样与电流采样，w
k
为过程噪声，v
k
为测量噪声，k代表当前时刻迭代计算步数。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述模型状态空间方程简化为：
[0016]x
k
＝Ax
k
‑1+w
k
‑1[0017]u
k
＝u
k
‑1+H
c,k
x
k
+v
k
[0018]式中，
[0019]作为本专利技术的进一步改进，采用巴特沃斯二阶带通滤波器对采集的直流母线电容电流与电压进行滤波处理，滤除电压与电流中的直流分量与高频分量。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述通过卡尔曼滤波算法估算直流母线电容等效串联电阻与电容，包括：
[0021]初始值设置：设置状态变量初始值x0、状态误差协方差初始值P0、过程噪声协方差Q初始值以及测量噪声协方差R初始值；
[0022]状态变量一步预测：
[0023]式中，为状态变量k时刻一步预测值，为k
‑
1时刻状态变量最优估计值；
[0024]测量矩阵更新：
[0025]式中，为k时刻一步预测观测值，u
k
‑1为k
‑
1时刻经巴特沃斯二阶带通滤波器处理后的直流母线电容电压采样值，ESR
k|k
‑1和C
k|k
‑1分别为k时刻一步预测直流母线电容等效串联电阻值与电容值；
[0026]预测误差协方差矩阵：P
k|k
‑1＝AP
k
‑
1|k
‑1A
T
+Q
[0027]式中，P
k|k
‑1为k时刻误差协方差一步预测值，P
k
‑
1|k
‑1为k
‑
1时刻误差协方差，A
T
为矩阵A的转置，Q为过程噪声协方差；
[0028]计算卡尔曼滤波增益：H
k
＝P
k|k
‑1H
c,kT
(H
c,k
P
k|k
‑1H
c,kT
+R)
‑1[0029]式中，H
k
为k时刻卡尔曼滤波增益，H
c,kT
为矩阵H
c,k
的转置；
[0030]更新状态变量的最优估计值协方差矩阵P
k|k
：
[0031][0032]P
k|k
＝[I
‑
H
k
H
c,k
]P
k|k
‑1[0033]式中，u
k
为k时刻经巴特沃斯二阶带通滤波器处理后的电容电压采样值；
[0034]根据状态变量的最优估计值更新直流母线电容等效串联电阻值ESR
k|k
与电容值C
k|k
：
[0035][0036][0037]循环上述步骤，实时估算直流母线电容等效串联电阻与电容。
[0038]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0039]本专利技术能够在设备运行过程中实时监测直流母线电容状态，且不需要在设备中注入激励信号，能够有效避免在设备中增加额外操作，而且适用于UPS等无法实现频繁停机的设备中。
附图说明
[0040]图1为本专利技术一种实施例公开的基于卡尔曼滤波算法的直流母线电容在线监测方法的流程图；
[0041]图2为本专利技术一种实施例公开的直流母线电容的等效电路图；
[0042]图3为本专利技术一种实施例公开的应用实例系统结构示意图。
具体实施方式
[0043]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0044]下面结合附图对本专利技术做本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滤波算法的直流母线电容在线监测方法，其特征在于，包括：建立直流母线电容的等效电路模型，并获取模型状态空间方程；采集直流母线电容两端的电流与电压，并进行滤波处理；基于模型状态空间方程和滤波处理后的电流与电压，通过卡尔曼滤波算法估算直流母线电容等效串联电阻与电容。2.如权利要求1所述的直流母线电容在线监测方法，其特征在于，所述等效电路模型由一个串联RC环节组成，R为直流母线电容等效串联电阻，C为直流母线电容等效电容。3.如权利要求1所述的直流母线电容在线监测方法，其特征在于，所述模型状态空间方程为：程为：式中，T表示采样周期，ESR与C分别为直流母线电容等效串联电阻与电容，u和i分别为经巴特沃斯二阶带通滤波器处理后的直流母线电容电压采样与电流采样，w
k
为过程噪声，v
k
为测量噪声，k代表当前时刻迭代计算步数。4.如权利要求3所述的直流母线电容在线监测方法，其特征在于，所述模型状态空间方程简化为：x
k
＝Ax
k
‑1+w
k
‑1u
k
＝u
k
‑1+H
c,k
x
k
+v
k
式中，5.如权利要求1所述的直流母线电容在线监测方法，其特征在于，采用巴特沃斯二阶带通滤波器对采集的直流母线电容电流与电压进行滤波处理，滤除电压与电流中的直流分量与高频分量。6.如权利要求1所述的直流母线电容在线监测方法，其特征在于，所述通过卡尔曼滤波算法估算直流母线电容等效串联电阻与电容，包括：初始值设置：设置状态变量初始值x0、状态误差协方差初始值P0、过程噪声协方差Q初始值以及测量噪声协方差R初始值；状态变量一步预测：式中，为状态变量k时刻一步预测值，为k
‑
1时刻状态变量最优估计值；
测量矩阵更新：式中，为...

【专利技术属性】
技术研发人员：周娟，林加顺，郭智诚，杨晓全，公铮，戴鹏，杜伟，王广铭，原亚雷，马希哲，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：