一种基于电流开关谐波的变流器直流电压检测系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于电流开关谐波的变流器直流电压检测系统及方法，该检测方法，包括以下步骤：1)在基准直流电压V

说明书

技术领域

本发明涉及状态检测与故障预测技术领域，尤其是涉及一种基于电流开关谐波的变流器直流电压检测系统及方法。

背景技术

变流器利用电力电子器件(如IGBT、MOSFET)对电能进行变换与控制。目前世界上大部分电能均通过变流器进行处理，因此其核心器件的运行可靠性十分重要。状态检测与故障预测技术可提高电力电子器件的运行可靠性，是目前国内外积极研发的新技术。

电力电子器件状态检测与故障预测需要获取变流器运行直流电压的信息，现有变流器系统中大多采用电阻分压采样、电压霍尔传感器以及线性光耦测量直流电压，但除非修改系统内部硬件结构，否则现有的直流电压信息难以从变流器系统外部直接获取以实现电力电子器件检测与故障预测，此外，现有直流电压传感器需并联安装在变流器直流母线正负极之间，这种电气接触式测量可能存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电流开关谐波的变流器直流电压检测系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电流开关谐波的变流器直流电压检测系统，包括依次连接的电网、开关、变流器和负载，该系统还包括连接在变流器和负载之间的变流器直流电压检测单元，所述的变流器直流电压检测单元包括：

运行频率检测模块：用以在线获取变流器的运行频率f₁；

电流开关谐波检测模块：用以在变流器电流中在线获取电流开关谐波I_h的幅值；

基准谐波特性模块：用以根据预先标定的特性I_h0＝G(f₁)通过查表获取不同运行频率工况下的基准谐波I_h0；

灵敏度特性模块：根据预先标定的特性K＝H(f₁)通过查表获取不同运行频率工况下的灵敏度K；

直流电压计算模块：根据特性标定时的基准直流电压V_dc0以及在线测得的电流开关谐波I_h、基准谐波I_h0、灵敏度K计算变流器的直流电压V_{dc_est}。

一种基于电流开关谐波的变流器直流电压检测方法，包括以下步骤：

1)在基准直流电压V_dc0条件下对不同运行频率时的谐波电流幅值进行标定以及对不同运行频率时的灵敏度K进行标定；

2)对变流器输出电流进行在线测量，并在线获取电流开关谐波和运行频率；

3)根据标定结果、电流开关谐波和运行频率计算变流器直流电压。

所述的步骤3)中，变流器直流电压的计算式为：

V_{dc_est}＝V_dc0+K(I_h-I_h0)。

所述的步骤1)中，根据在变流器直流电压变化的情况下，谐波电流的变化量与系统运行频率的关系进行不同运行频率时的灵敏度K进行标定。

在变流器直流电压变化的情况下，谐波电流的变化量与系统运行频率的关系为：

K＝H(f₁)＝(V_dc-V_dc0)/(I_h-I_h0)

其中，V_dc为直流电压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、简便：直流母排通常集成在变流器内部导致直流电压测量困难，而变流器输出电流可从变流器端部方便测得，因此本发明可在不改变变流器硬件结构的条件下检测直流电压，具有实施简便的优点。

二、安全：由于变流器电流通常采取非接触方式测量(如霍尔电流传感器、罗氏线圈)，因此本发明方法与变流器主回路无直接电气连接，提高了直流电压检测的安全性。

三、经济：由于省去了直流电压测量环节，本发明可减小整个变流器系统的体积与成本。

附图说明

图1为基于电流开关谐波的变流器直流电压检测系统原理图。

图2为基于开关谐波电流的变流器直流电压检测方法流程图。

图3为异步电机变频调速系统直流电压检测仿真结果。

图4为利用示波器测得的不同直流电压时变频器开关谐波电流幅值。

图5为变频器输出谐波电流幅值检测硬件电路原理图。

图6为利用硬件电路测得的变频器不同直流电压下谐波电流特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

为克服现有技术的困难，本专利提出一种利用变流器输出电流检测直流电压的系统与方法。由于变流器输出电流开关谐波大小与直流电压存在一定的关系，因此利用电流可间接测量直流电压，本发明方法可在不改变系统硬件结构的条件下检测直流电压，省去直接测量直流电压的环节，利用电流霍尔传感器或罗氏线圈等技术，可实现变流器输出电流非接触式测量，确保系统安全。

本发明提出的一种基于电流开关谐波的变流器直流电压检测系统，其原理图如图1所示，其中：

变流器直流电压检测单元利用变流器电流实现直流电压检测，实际工程中可采用硬件或软件等不同方式实现。

运行频率f₁检测模块根据变流器电流检测变流器运行频率，实际工程中可采用过零点检测、锁相算法等不同的软硬件方法实现。

电流开关谐波I_h检测模块从变流器电流中检测出开关谐波的幅值，实际工程中可采用带通滤波以及幅值检测等不同的软硬件方法实现。

基准谐波I_h0特性模块根据预先标定的特性I_h0＝G(f₁)通过查表计算不同运行频率工况下的基准谐波。

灵敏度K特性模块根据预先标定的特性K＝H(f₁)通过查表计算不同运行频率工况下的灵敏度。

直流电压计算模块根据特性标定时的基准直流电压V_dc0以及在线测得的电流开关谐波I_h、基准谐波I_h0、灵敏度K计算直流电压V_{dc_est}。

如图2所示，本发明方法提出的检测直流电压的流程主要包括标定、测量以及直流电压计算三步。

1)标定

变流器输出电流开关谐波的幅值与系统的运行频率有关，需在基准直流电压V_dc0条件下对不同运行频率时的谐波电流幅值进行标定，即I_h0＝G(f₁)；

在直流电压变化的情况下，谐波电流的变化量与系统运行频率也存在一定的关系，即K＝H(f₁)＝(V_dc-V_dc0)/(I_h-I_h0)，K为不同运行频率下电流变化的灵敏度。需开展标定实验对不同运行频率时的灵敏度K进行标定。

2)测量

对变流器输出电流进行在线测量，并检测出电流开关谐波与运行频率。

3)直流电压计算

直流电压变化时，开关谐波电流幅值将相应发生变化。利用在线测得的电流开关谐波与运行频率，结合预先标定的特性计算直流电压V_dc＝V_dc0+K(I_h-I_h0)。

实施例：

1)异步电机变频调速系统仿真

以异步电机变频调速系统为例，利用Matlab/Simulink进行了建模与仿真以验证本发明的可行性与有效性。异步电机为380V/3kW/4极电机，控制方式采用转速闭环恒压频比控制，调制方式为SPWM，开关频率5kHz。

仿真模型中首先测量异步电机定子电流，然后采用二阶数字带通滤波器提取开关谐波电流I_h(频率为二倍频10kHz)，最后经过直流电压检测仿真模块实现直流电压检测。直流电压检测仿真模块中的基准谐波电流可根据运行频率查表计算。

为验证直流电压检测的有效性，仿真中设定直流电压在1.5s时从311V阶跃上升到342V(增加10％)，仿真结果如图3所示。仿真结果表明利用开关谐波电流检测到的直流电压能动态跟踪实际直流电压的变化，且具有较好的动静态性能。

2)基于示波器的变频器直流电压检测

本实施例以一套380V/3kW异步电机变频调速实验系统为例，利用示波器测量电机电流并从中提取开关谐波电流以实现直流电压离线检测。

实验系统中变频器开关频率为5kHz。首先使用虚拟示波器测量并记录变频器输出电流信号，然后将实验数据导入Matlab中进行处理，通过数字滤波提取谐波电流(频率为二倍频10kHz)幅值。不同直流电压条件下谐波电流的幅值如图4所示。根据谐波电流的变化，进一步采用本发明专利提出的方法可实现直流电压检测。

3)基于硬件电路的变频器直流电压检测

通过硬件电路可在线提取开关谐波电流并根据其变化检测变流器直流电压。本实施例提出的一种硬件电路原理图如图5所示。

检测电路中首先采用霍尔电流传感器得到电流信号，然后经过调理电路(包括检测电阻和电压跟随器)变成稳定的电压信号，再通过四阶有源带通滤波器(中心频率f₀＝10kHz)提取谐波电流信号，接下来经过有源整流电路检测谐波电流幅值，最后将谐波电流幅值信号输入单片机A/D进行采样。

在380V/3kW异步电机变频调速实验系统中采用硬件电路检测得的不同直流电压下谐波电流特性曲线如图6所示。实验结果表明：硬件电路输出电压的大小直接反映了谐波电流的大小。在不同的系统运行频率下，变频器输出谐波电流随直流电压的变化而线性变化。在此基础上，根据硬件电路输出信号的变化可进一步实现直流电压的在线检测。

电力电子器件状态检测与故障预测需要获取变流器运行直流电压的信息，本发明提出一种利用变流器输出电流检测直流电压的系统与方法，由于变流器输出电流开关谐波大小与直流电压存在一定的关系，因此利用电流可间接测量直流电压，本发明方法可在不改变系统硬件结构的条件下检测直流电压，省去直接测量直流电压的环节，计算简单准确。