三相变流器中直流母线电容的状态监测技术研究

作     者：吴宇 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周雒维

授予年度：2016年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：三相AC/DC/AC变流器 直流母线电容 非侵入式 状态监测 

摘      要：随着新能源工业的快速发展,电力电子产品的普及,电力电子系统的可靠性越来越引起社会各界的注意,而直流母线电容往往是电力电子系统的最薄弱环节,直流母线电容失效导致的系统停机甚至损毁给社会带来了巨大的经济损失。三相AC/DC/AC系统中的直流母线电容(DC-Link Capacitor)是系统中关键的电气元件,它连接着两级功率变流器,能平衡输入和输出端功率,吸收电网的瞬时峰值冲击,保护着整流器和逆变器。不同于DC-DC电源变换器,三相AC/DC/AC系统中的直流母线电容没有直接与负载端或输入端相连,所以更难对其进行状态监测。电容的状态监测技术可分为离线监测和在线监测技术,离线监测虽然能保证电容的监测精度,但是需要拆卸电容,应用场合很受限制;而电容的在线监测技术往往存在着模型复杂,监测精度不高,硬件成本高,需要电流传感器等问题。针对直流母线电容状态监测技术存在的这些问题,本文对三相AC/DC/AC系统中直流母线电容的状态监测技术进行了研究,并提出了适合工业应用的直流母线电容非侵入式准在线监测方法。本文的主要研究内容如下:首先,本文对直流母线电容的等效电路、阻抗特性和参数的退化规律进行了相应的分析,对不同种类的直流母线电容的性能特点、失效机理进行了比较和总结。在MATLAB Simulink中建立了SVPWM控制的三相AC/DC/AC系统的闭环仿真电路。对三相系统中的直流母线电容,本文建立了含C、ESR和ESL的传递函数模型,设计了最小二乘法、递推的最小二乘法对电容的C、ESR、ESL进行了参数辨识,并取得了较好的辨识结果。其次,针对直流母线电容时域模型参数在线辨识方法的不足,本文提出了两种适用于三相AC/DC/AC系统直流母线电容的非侵入式、准在线监测方法——基于三相电流重构的状态监测方法和基于可变放电网络的状态监测方法,并对两种新设计的状态监测方法在MATLAB中进行了仿真验证。这两种方法具有硬件成本低,数学模型简单,监测精度高,无需拆卸电容,无需电流传感器等优点。最后,本文设计了直流母线电容的状态监测电路,利用本文提出的直流母线电容的状态监测方法,在一台三相变频器中进行了实验验证,实验结果表明,电容值C在线监测精度在3%以内,ESR在线监测精度在5%以内,完全符合工业中对电容的监测要求。