阅读说明：本技术 一种直流电容esr的在线估算方法 (Online estimation method of ESR (equivalent series resistance) of direct current capacitor ) 是由 向大为 郑燕 李豪 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种直流电容ESR的在线估算方法,包括以下步骤：1)检测变流器系统的回路总电阻初始值R<Sub>res0</Sub>以及吸收电容的容值C<Sub>s</Sub>；2)截取直流电容器电流高频振荡信号S<Sub>sw_res</Sub>(t)中的第k个高频振荡片段S<Sub>sw_res</Sub>(k)；3)采用半功率法获取高频振荡信号片段S<Sub>sw_res</Sub>(k)的振荡阻尼比和谐振频率；4)计算谐振回路电阻R<Sub>res</Sub>；5)计算ESR变化量ΔESR<Sub>Cdc</Sub>,即直流电容ESR的在线估计值。与现有技术相比,本发明具有准确性高、容易实施、降低干扰等优点。(The invention relates to an online estimation method of a direct current capacitor ESR, which comprises the following steps: 1) detecting initial value R of total resistance of loop of converter system res0 And the capacitance C of the absorption capacitor s (ii) a 2) Intercepting DC capacitor current high-frequency oscillation signal S sw_res (t) the kth high-frequency oscillation section S sw_res (k) (ii) a 3) Method for acquiring high-frequency oscillation signal segment S by adopting half-power method sw_res (k) The oscillation damping ratio and the resonance frequency of (c); 4) calculating the resistance R of the resonant tank res (ii) a 5) Calculating the ESR variation DeltaESR Cdc I.e. an on-line estimate of the dc capacitance ESR. Compared with the prior art, the method has the advantages of high accuracy, easiness in implementation, interference reduction and the like.)

一种直流电容ESR的在线估算方法

技术领域

本发明涉及直流电容监测领域，尤其是涉及一种直流电容ESR的在线估算方法。

背景技术

直流电容器在变流器中具有滤波、储能以及输入输出隔离功能，广泛应用于电网、光伏、新能源汽车等重要领域。特别是大功率系统中的直流电容器工作电流大，功率高，发热严重，是变流器中最易劣化的元器件之一，因此直流电容器状态监测对变流系统安全、可靠运行具有重要意义。

直流电容器健康状态一般通过两个指标进行判断：容值和串联等效电阻ESR,以电解电容为例，当容值减小20％、ESR增大100％～200％即可判定电容器失效。现有技术一般通过ESR来监测电解电容的健康状态，利用电容器PWM电压纹波Δu_h和电流纹波Δi_h估算ESR＝Δu_h/Δi_h，但PWM纹波电压和电流幅值很小且随运行工况不断变化，难以精确检测。

中国专利202010070754.X提出一种通过检测变流器直流电容开关高频振荡阻尼特性的系统和方法在线获取直流电容器ESR的信息，这种方法不受信号幅值的影响，可避免工况变化带来的误差，鲁棒性高，该专利通过时域拟合的方法获取开关振荡的阻尼特性，但实际系统中开关振荡信号中通常还混叠有动态直流分量以及其它频率分量的信号，会对阻尼特性参数的准确提取造成干扰。

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基于半功率法在频域获取高频振荡阻尼信息实现直流电容器ESR在线监测的直流电容ESR的在线估算方法，使得免于其它频率信号分量的影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种直流电容ESR的在线估算方法，包括以下步骤：

1)检测变流器系统的回路总电阻初始值R_res0以及吸收电容的容值C_s；

2)截取直流电容器电流高频振荡信号S_{sw_res}(t)中的第k个高频振荡片段S_{sw_res}(k)；

3)采用半功率法获取高频振荡信号片段S_{sw_res}(k)的振荡阻尼比和谐振频率；

4)计算谐振回路电阻R_res；

5)计算ESR变化量ΔESR_Cdc，即直流电容ESR的在线估计值。

所述的步骤1)中，通过在线或离线的方式检测变流器系统的回路总电阻初始值R_res0以及吸收电容的容值C_s。

所述的步骤1)中，变流器系统中的吸收电容采用薄膜电容。

所述的步骤3)中，振荡阻尼比ζ的定义为阻尼振荡半功率区带宽与谐振频率的比值，所述的阻尼振荡半功率区定义为分布在频谱

峰值内的区域。

振荡阻尼比ζ的表达式为：

ζ＝(f₂-f₁)/f₀

其中，f₁、f₂为半功率点，f₂-f₁为半功率区带宽，f₀为谐振频率。

所述的步骤4)中，谐振回路电阻R_res的计算式为：

R_res＝ζ/(πC_sf₀)。

所述的步骤5)中，ESR变化量ΔESR_Cdc的计算式为：

ΔESR_Cdc＝R_res-R_res0。

所述的步骤5)中，为避免偶然误差，分别计算每个高频振荡信号片段对应的谐振回路电阻R_res(k)，在符合电容ESR变化的范围内求取平均值作为最终的谐振回路电阻R_res。

所述的符合电容ESR变化的范围为1～5倍。

所述的步骤2)中，直流电容器电流高频振荡信号S_{sw_res}(t)的表达式为：

其中，ω_n为自然振荡频率，t为时间。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、准确性高：本发明采用半功率法获取谐振频率附近频段的大量信息，有效提高谐振频率与阻尼特征参数的检测精度，实现直流电容ESR变化量的准确估算。

二、降低干扰：现有的估计方法采用时域的方法提取高频振荡的阻尼参数，容易受到低频振荡的干扰，采用频域的方法只用到谐振频率附近的数据求高频振荡的阻尼参数，不受低频振荡的影响，提高了准确率。

三、容易实施：本发明的半功率法采用FFT算法无需迭代循环，易于工程实现。

附图说明

图1为变流器直流电容高频振荡电路。

图2为利用半功率法提取直流电容ESR变化的方法流程图。

图3为半功率法获取阻尼比原理。

图4为高频振荡波形。

图5为不同ESR条件下直流电容组PWM高频振荡电流实测波形。

图6为不同ESR条件下的开关高频振荡标幺化幅频特性。

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。

本发明根据变流器开关高频振荡的特点，提出一种利用半功率法提取直流电容器开关高频振荡信号阻尼特征参数(包括阻尼比与谐振频率)的方法，以实现直流电容ESR的在线精确估算。

本发明利用变流器工作时直流侧的直流电容和吸收电容并联回路之间的电压高频振荡和电流高频振荡，提出一种基于半功率法提取直流电容ESR变化值的方法，如图2所示，具体实现步骤流程如下：

1)初始化：离线或在线检测系统回路总电阻的初始值R_res0以及吸收电容的容值C_s。吸收电容是薄膜电容，工作功率低，相对电解电容器裂化概率低，且吸收裂化后容值也只变化2％左右，几乎可以忽略，认为C_s几乎不变；

2)截取振荡片段：高频振荡信号在电力电子开关动作后一般十几μs就会衰减到0，直流电容器电流高频振荡S_{SW_res}中包含大量的无用数据，只需提取振荡部分信号S_{SW_res}(k)进行处理，降低数据的冗余，提高效率；

3)半功率法提取阻尼比和频率：高频振荡阻尼信号频谱通常分布在以谐振频率为中心的一定区域内，如图3所示。定性而言，振荡信号频谱分布越广表明能量分散性与阻尼越大；定量而言，定义分布在频谱峰值内的区域为阻尼振荡半功率区，如式(1)所示，振荡阻尼比等于半功率区带宽与谐振频率的比值；

ζ＝(f₂-f₁)/f₀ (1)

4)计算谐振回路电阻R_res：高频振荡片段及其表达式如图4所示，高频振荡按指数规律衰减，振荡阻尼比ζ表征的是高频振荡的衰减速度，已知吸收电容C_s，并由半功率法得到振荡阻尼比ζ和谐振频率f₀，根据式(2)可得到回路电阻R_res：

5)计算ESR变化量ΔESR_Cdc：为避免偶然误差，分别计算每个片段对应的R_res值，在一定范围内(1-5倍范围)求取R_res的平均值，如果超出范围则判定为计算误差舍弃，减去初始的R_res0可以得到直流电容器ESR的变化值ΔESR_Cdc＝R_res-R_res0。

实施例

实施例中以一套380V/7.5kW感应电机变频调速系统举例，结构如图1所示。在正常运行时，直流电源通过变流器驱动感应电机工作，具体参数如表1所示。

表1感应电机变频调速系统仿真模型参数

电机额定功率	7.5kW	直流电容组C<sub>dc</sub>	1500μF
				电机额定电压	380V	直流电源电压	600V
电机额定频率	50Hz	吸收电容C<sub>s</sub>	0.47μF

变流器直流电容器的高频振荡电流i_{SW_res}如图5所示，其中i_a为电机线电流。高频振荡频率为495kHz左右，衰减时间3τ约为15μs，直流电容器容值远大于吸收电容，决定高频振荡性能的电容主要是吸收电容，为模拟直流电容器ESR2的变化，实施例采用不同连接方式的电容组，其中，两串三并时直流电容器组的ESR为28mΩ，两串两并时为41mΩ，两个串联时为82mΩ，由图5可见其包络线随着ESR的增大衰减加快。

对图5的高频振荡波形进行FFT变换得到其幅频特性，阻尼越大对应的幅频特性关于其中心频率的能量分散性越大，最后计算ESR结果如表2，与测量值基本一致，误差小于1mΩ，可见本发明所提算法精度高。

表2直流电容组ESR在线监测实验结果