專利名稱：用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置及其診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
為了順應(yīng)信息化社會(huì)的時(shí)代需求，近來(lái)包括信息與通信領(lǐng)域的多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中普 遍使用各種整流器、逆變器、直流變換器等電力變換系統(tǒng)。這些電力裝置是提供應(yīng)急電力或 變換電力的基本以及核心的構(gòu)成要素。尤其，為應(yīng)對(duì)商用電力供應(yīng)者(電力公司)的供電 故障而被用作應(yīng)急電源的不間斷電源(UPS)或通信電源等電力變換系統(tǒng)突然出現(xiàn)故障事 故時(shí)，給經(jīng)濟(jì)和社會(huì)方面帶來(lái)?yè)p失的可能性極大.因此這些設(shè)備需要一直可靠運(yùn)行。 本發(fā)明涉及為了確保如不間斷電源裝置等具有逆變電路(inverter circuit)的 電力變換系統(tǒng)的可靠性，而能夠時(shí)時(shí)診斷該電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)(Agingstate)的裝 置，尤其涉及通過(guò)對(duì)作為電力變換系統(tǒng)的主回路的逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電流的波形進(jìn)行 分析而測(cè)量、監(jiān)視其特征諧波，并通過(guò)使測(cè)量電流信號(hào)流經(jīng)設(shè)置于直流總線(DC bus)的電 解電容器，以測(cè)出等效串聯(lián)內(nèi)阻(ESR)值或損失角tan δ值，由此不僅能夠預(yù)先診斷電力變 換系統(tǒng)的誤工作或損壞，而且還可以預(yù)先監(jiān)視及診斷蓄電池系統(tǒng)的老化或劣化所致的異常 狀態(tài)的電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置及其診斷方法。
背景技術(shù)：
最近，為順應(yīng)時(shí)代需求越來(lái)越有必要確保電力變換系統(tǒng)的對(duì)抗故障安全，進(jìn)而有 關(guān)電力變換系統(tǒng)的老化診斷的研究正在廣泛進(jìn)行，并且各種文獻(xiàn)也介紹著相關(guān)的研究結(jié)^ ο近來(lái)文獻(xiàn)中所介紹的方法把重點(diǎn)主要放在了這些裝置已發(fā)生故障或發(fā)生異常之 后再判定故障原因或狀態(tài)的問(wèn)題上。這些方法采用通過(guò)輸入電流的信號(hào)處理以及工作頻率的頻譜分析評(píng)估變換裝置 模塊或設(shè)備的異常的方法，或者從與電力用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的異常或控制器、濾波電容器、輸出 級(jí)的異常有關(guān)的各種變數(shù)中提取一部分，并呈現(xiàn)異常結(jié)果的方法。申請(qǐng)日為2003年10月20日
公開(kāi)日為2005年4月25日的申請(qǐng)?zhí)?10-2003-0072963，發(fā)明名稱為“電力變換系統(tǒng)的狀態(tài)診斷裝置”的韓國(guó)發(fā)明專利是診斷出 電力變換系統(tǒng)的老化或劣化所致的異常征兆的方法中的代表性研究結(jié)果。該診斷方法被配 置成分析電力變換系統(tǒng)的輸入和輸出端子的電壓信號(hào)、或者監(jiān)視濾波電容器的電容變化及 脈動(dòng)電壓的變化量，從而能夠監(jiān)視電力變換系統(tǒng)的誤工作或損壞，并預(yù)先監(jiān)視及診斷由于 設(shè)備的老化及劣化所致的異常狀態(tài)。另夕卜，申請(qǐng)日為2005年8月7日、授權(quán)日為2005年10月12日的授權(quán)號(hào)為 20-0399135，發(fā)明名稱為“利用個(gè)別蓄電池管理裝置的不間斷電源”的韓國(guó)實(shí)用新型揭示了 能夠最優(yōu)地使如不間斷電源等電力變換系統(tǒng)的蓄電池充電/放電并可以管理其內(nèi)部特性 的方案。

發(fā)明內(nèi)容
[技術(shù)問(wèn)題]
一般來(lái)講，電力變換系統(tǒng)的維修保養(yǎng)方法采取設(shè)定產(chǎn)品的壽命年限，當(dāng)達(dá)到所述 壽命年限時(shí)用新產(chǎn)品替換的方式，從而降低發(fā)生事故的可能性，以此應(yīng)對(duì)電力變換系統(tǒng)的 事故發(fā)生。但將來(lái)的課題應(yīng)該是通過(guò)檢測(cè)電力變換系統(tǒng)的異常征兆而事先替換老化的電 源，由此保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。這是因?yàn)殡娏ψ儞Q系統(tǒng)是由很多部件構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，所以單憑一 部分特定和受限的提取信號(hào)很難判定綜合性的老化狀態(tài)。但是，這種常規(guī)的老化狀態(tài)診斷方法與其說(shuō)是監(jiān)視狀態(tài)，倒不如說(shuō)是局限在告知 事故狀態(tài)?；蛘撸幢隳軌蝾A(yù)先監(jiān)視及診斷出由于設(shè)備的老化或劣化所致的異常狀態(tài)，從作 為被監(jiān)視對(duì)象的電力變換系統(tǒng)的輸入/輸出端提取的與老化狀態(tài)相關(guān)的成分信號(hào)也會(huì)根 據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)條件或跟隨周圍環(huán)境的變化發(fā)生變化，所以檢測(cè)的準(zhǔn)確度降低而導(dǎo)致辨別能力的下 降。另外，由于現(xiàn)在將各種檢測(cè)電路單元設(shè)置到作為被監(jiān)視對(duì)象的電力變換系統(tǒng)的內(nèi) 部，因此實(shí)際上很難適用于工作中的電力變換系統(tǒng)，所以存在產(chǎn)業(yè)上的利用率非常低的缺陷。[技術(shù)方案] 本發(fā)明鑒于改善如上所述的技術(shù)缺陷的目的而提出，并且本發(fā)明的一個(gè)目的是提 供用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置和方法，其能夠提取逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出級(jí)的 電流波形并檢測(cè)、監(jiān)視其平均值、或者/以及紋波電流的根據(jù)快速傅里葉變換(FFT)的諧 波或諧波分量的幅值或有效值，從而不僅監(jiān)視作為電力變換系統(tǒng)的核心構(gòu)成部件的逆變器 開(kāi)關(guān)模塊的老化所致的異常，而且還使測(cè)量電流信號(hào)流經(jīng)設(shè)置于電力變換系統(tǒng)的直流總 線(DC bus)的電解電容器，并且提取阻抗(Impedance)電壓信號(hào)并運(yùn)算出等效串聯(lián)內(nèi)阻 (ESR)值或損失角tanS值，進(jìn)而可診斷屬于電力變換系統(tǒng)的一部分且在電力變換系統(tǒng)中 劣化速度最快的電解電容器的老化狀態(tài)。另外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠監(jiān)視作為電力變換裝置的必不可少的 構(gòu)成部件的蓄電池的老化或劣化所致的異常狀態(tài)的用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝 置及其方法。[有益效果]如上所述，根據(jù)本發(fā)明的用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置及其診斷方法， 并不采用如已有的技術(shù)中所揭示的根據(jù)設(shè)備的輸入/輸出電壓和電流信號(hào)分析判定誤工 作的方法或者在輸入/輸出級(jí)設(shè)置信號(hào)測(cè)量電路，分析處理以此測(cè)算出的信號(hào)而診斷異常 征兆的方法。本發(fā)明在運(yùn)行中的電力變換裝置的直流總線的鄰接部位連接感測(cè)線，在逆變 器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電路級(jí)簡(jiǎn)便地設(shè)置掛鉤(hook)形狀的電流感測(cè)裝置，由此安裝診斷裝 置變得簡(jiǎn)單，信號(hào)分析或者運(yùn)算變得相對(duì)簡(jiǎn)單，而且因具有測(cè)量判別能力而能夠提高可靠 性。另外，在電力變換系統(tǒng)中，電解電容器或者開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件早期就可能被劣化。本 發(fā)明通過(guò)提取與所述電解電容器或者開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的老化有關(guān)的特性要素的波形，并對(duì) 此進(jìn)行分析和監(jiān)視來(lái)提高檢測(cè)準(zhǔn)確度以及判別能力。另外，本發(fā)明適當(dāng)布置控制與運(yùn)算裝置的運(yùn)算時(shí)間，根據(jù)蓄電池組或者單元的測(cè) 量電流信號(hào)和所提取的內(nèi)部阻抗電壓波形來(lái)同時(shí)運(yùn)算出內(nèi)部電阻值，從而基于內(nèi)部電阻值 判定蓄電池系統(tǒng)的老化狀態(tài)。
因此，不僅能夠準(zhǔn)確監(jiān)視電力變換系統(tǒng)的誤工作或者損壞，而且能夠在本地或者 遠(yuǎn)程事先準(zhǔn)確地監(jiān)視設(shè)備由于老化或劣化所致的異常狀態(tài)，從而可以事先診斷出是否有劣 化現(xiàn)象。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的用于電力變換系統(tǒng)的老化診斷裝置的構(gòu)成圖；
圖2為示出逆變器開(kāi)關(guān)模塊輸出電流在電力變換系統(tǒng)的相應(yīng)級(jí)中的流動(dòng)的示意 圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的用于電力變換系統(tǒng)的老化診斷裝置的構(gòu)成圖；圖4為的電力變換系統(tǒng)中蓄電池系統(tǒng)的串聯(lián)單元塊的連接圖；圖5為逆變器開(kāi)關(guān)模塊輸出電流在電力變換系統(tǒng)的相應(yīng)級(jí)中的流動(dòng)的示意圖；圖6為當(dāng)逆變器開(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生老化時(shí)，輸出電流的波形(上方)及對(duì)此根據(jù)FFT 進(jìn)行分析的各諧波的幅值(下方)的示意圖；圖7為當(dāng)逆變器開(kāi)關(guān)模塊的老化導(dǎo)致發(fā)生故障時(shí)，輸出電流的波形(上方)及對(duì) 此根據(jù)FFT進(jìn)行分析的各諧波的幅值(下方)的示意圖；圖8為當(dāng)逆變器開(kāi)關(guān)模塊正常工作時(shí)作為另一種老化現(xiàn)象的示例的輸出電流的 波形(上方)、及根據(jù)FFT進(jìn)行分析的各諧波的幅值(下方)的示意圖。
具體實(shí)施例方式為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置包 括第一或第二電流感測(cè)裝置，其設(shè)置于單相或三相逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出級(jí)線路上，并被 配置成感測(cè)逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電流；測(cè)量與診斷裝置，其被配置成接收逆變器開(kāi)關(guān)模 塊的輸出電流波形和/或引發(fā)到電解電容器的阻抗電壓信號(hào)，并通過(guò)提取、運(yùn)算與電力變 換系統(tǒng)的老化狀態(tài)相關(guān)的成分判定電力變換系統(tǒng)的老化與否。為了分析與充電單元以及電解電容器的異常狀態(tài)或老化狀態(tài)有關(guān)的其他的特性 要素，本發(fā)明的老化狀態(tài)診斷裝置優(yōu)選地還包括第三電流感測(cè)裝置，其可感測(cè)電解電容器 的紋波電流(Ripple Current)；測(cè)量電流產(chǎn)生裝置，其與電解電容器的正負(fù)極端子相連，并 被配置成產(chǎn)生通過(guò)信號(hào)絕緣單元向電解電容器供給的測(cè)量電流信號(hào)。本發(fā)明的老化狀態(tài)診斷裝置優(yōu)選地還包括繼電保護(hù)裝置，其將所述測(cè)量電流產(chǎn)生 裝置所產(chǎn)生的測(cè)量電流信號(hào)切換(switching)到作為被測(cè)對(duì)象的蓄電池上，將所述被測(cè)蓄 電池的特性數(shù)據(jù)信號(hào)切換到所述測(cè)量與診斷裝置，以用于同時(shí)檢測(cè)和監(jiān)視作為如不間斷電 源(UPS)等電力變換系統(tǒng)的必不可少的構(gòu)成部件的蓄電池系統(tǒng)的老化狀態(tài)。當(dāng)電容量增大時(shí)，所述蓄電池系統(tǒng)的蓄電池單元(cell)由數(shù)百個(gè)以上構(gòu)成，此時(shí) 為了測(cè)量相應(yīng)蓄電池單元的老化狀態(tài)需要在所述各單元上設(shè)置感測(cè)電路，從而感測(cè)電路的 設(shè)置變得極其復(fù)雜而需要大量的監(jiān)視電路。據(jù)此作為更加經(jīng)濟(jì)的方案，優(yōu)選地將被測(cè)對(duì)象 的蓄電池系統(tǒng)劃分為適當(dāng)大小的串聯(lián)組(group)，并測(cè)量每個(gè)組的內(nèi)部電阻及電壓，以此診 斷其老化程度。另外，測(cè)量與診斷裝置包括濾波與放大裝置，其濾出包括在逆變器開(kāi)關(guān)模塊的 輸出電流里的不必要頻帶中的噪音(noise)成分或噪音信號(hào)，或者對(duì)輸出電流的信號(hào)電平(level)進(jìn)行緩沖(buffering)或放大或移位(shift) ；A/D轉(zhuǎn)換裝置，其用于將從所述濾 波與放大裝置接收的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；以及控制與運(yùn)算裝置，其用于控制運(yùn)算所必需的各種數(shù)據(jù)信號(hào)的提取及變換并使其適當(dāng)?shù)剌斎氲轿⑻幚砥?MPU)里，并且執(zhí)行
數(shù)字運(yùn)算。另外，本發(fā)明的老化狀態(tài)診斷裝置為了診斷直流總線電解電容器的老化狀態(tài)，優(yōu) 選地還包括直流耦合裝置，以用于從所述電解電容器正負(fù)極端子的直流電壓只濾出交流成 分的阻抗電壓。另外，老化狀態(tài)診斷裝置優(yōu)選地還包括串行或TCP/IP通信端口和輸出顯示裝置， 其中串行或TCP/IP通信端口接收包括控制與運(yùn)算裝置的運(yùn)算結(jié)果的輸出信號(hào)并與外部監(jiān) 視裝置(PC或服務(wù)器)通信，外部監(jiān)視裝置管理電力變換系統(tǒng)的診斷結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明所提供的用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷方法包括以下步驟在老 化狀態(tài)診斷裝置中，提取電力變換系統(tǒng)的逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電流波形；根據(jù)輸出電流 波形運(yùn)算和分析其平均值和/或根據(jù)快速傅里葉變換(FFT)的各個(gè)諧波的幅值或有效值； 并且該方法還包括以下步驟使具有預(yù)定頻率的測(cè)量電流信號(hào)流經(jīng)連接于電力變換系統(tǒng)的 直流總線的電解電容器提取對(duì)應(yīng)于測(cè)量電流信號(hào)的阻抗電壓波形；通過(guò)使用測(cè)量電流信 號(hào)和所提取的阻抗電壓波形運(yùn)算等效串聯(lián)內(nèi)阻(ESR)值或損失角tan δ值以及根據(jù)輸出 電流波形的平均值以及根據(jù)FFT的各諧波的幅值或有效值、ESR值或者損失角tan δ值，分 析并診斷電力變換系統(tǒng)的誤工作或老化狀態(tài)。另外，本發(fā)明的老化狀態(tài)診斷裝置優(yōu)選地還包括分析作為在判定充電單元或電解 電容器的老化狀態(tài)時(shí)的另一提取成分的根據(jù)所檢測(cè)紋波電流的FFT的各諧波的幅值的步
馬聚ο另外，測(cè)量和監(jiān)視蓄電池系統(tǒng)的老化狀態(tài)的方法由如下步驟構(gòu)成，其中所述蓄電 池系統(tǒng)是不間斷電源(UPS)的必不可少的構(gòu)成部件選擇性地控制繼電保護(hù)裝置將作為被 測(cè)對(duì)象的蓄電池組或單元(cell)切換到測(cè)量與診斷裝置上；使具有預(yù)定頻率的測(cè)量電流 信號(hào)流經(jīng)繼電保護(hù)裝置所選擇的被測(cè)對(duì)象的蓄電池組或者單元上；提取對(duì)應(yīng)于測(cè)量電流信 號(hào)的內(nèi)部阻抗電壓波形；以及根據(jù)測(cè)量電流信號(hào)和所提取的內(nèi)部阻抗電壓波形運(yùn)算內(nèi)部電 阻值；根據(jù)運(yùn)算出的內(nèi)部電阻值判定蓄電池系統(tǒng)的老化狀態(tài)。在提取內(nèi)部阻抗電壓波形的 步驟中，同時(shí)進(jìn)行蓄電池單元電壓的測(cè)量和運(yùn)算。以下，參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。圖1為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的簡(jiǎn)要示出了電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置 的構(gòu)成圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置包括第一或 第二電流感測(cè)裝置(105a或105b)；以及測(cè)量與診斷裝置211，其接收所提取的信號(hào)并測(cè)量、 運(yùn)算、診斷電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)。而且，為了診斷、分析充電單元或者電解電容器的老化狀態(tài)，優(yōu)選地用于電力變換 系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置還包括第三電流感測(cè)裝置106，其能夠感測(cè)電解電容器的紋波 電流；以及信號(hào)絕緣單元113，或測(cè)量電流產(chǎn)生裝置112。第一或第二電流感測(cè)裝置(105a或105b)插入并設(shè)置在單相或三相的逆變器開(kāi)關(guān) 模塊102的輸出級(jí)線路上，并能夠時(shí)時(shí)或者在必要時(shí)檢測(cè)逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的輸出電流波形。電流感測(cè)裝置優(yōu)選地設(shè)計(jì)成掛鉤(hook)形式，從而無(wú)需切斷線路也能夠簡(jiǎn)便地將其 設(shè)置到輸出總線線路上，并且能檢測(cè)被測(cè)對(duì)象線路的電流波形。 測(cè)量診斷裝置211基本上可包括濾波與放大裝置201 ；A/D轉(zhuǎn)換單元202 ；由微處 理器及其周邊電路構(gòu)成的控制與運(yùn)算裝置203，并且為了診斷、分析充電單元或電解電容器 的老化狀態(tài)，測(cè)量與診斷裝置211還可包括直流耦合裝置200。而且，測(cè)量與診斷裝置211優(yōu)選地還包括串行或TCP/IP通信端口 204，用于與外 部監(jiān)視裝置進(jìn)行通信；或者輸出顯示裝置205。直流耦合裝置200從提取于直流總線電解電容器正負(fù)極端子的直流電壓中只濾 出交流成分的阻抗電壓信號(hào)。直流耦合裝置200可以如所公知地由直流耦合電容器和電阻 元件構(gòu)成。而且當(dāng)整流器/充電器101的直流輸出級(jí)的直流電壓為高時(shí)，直流耦合裝置200 更優(yōu)選地被配置成對(duì)直流輸出級(jí)的電壓進(jìn)行適當(dāng)分壓以便濾波與放大裝置201能夠處理。濾波與放大裝置201對(duì)從電解電容器103提取的阻抗電壓信號(hào)或者紋波電流信 號(hào)、和/或通過(guò)第一或第二電流感測(cè)裝置(105a或105b)獲取的逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的輸 出電流波形中所包括的噪音(噪音)成分進(jìn)行濾出。而且，所述濾波與放大裝置201還可設(shè)置有如同帶通濾波裝置的濾波功能，從而 可以濾出信號(hào)中所包含的對(duì)于運(yùn)算老化診斷成分非必要或干擾的頻帶中的噪音信號(hào)。當(dāng)然，對(duì)所述直流總線電解電容器的直流電壓測(cè)量而言，也可以無(wú)需通過(guò)直流耦 合裝置200的干預(yù)而直接輸入到濾波與放大裝置201來(lái)進(jìn)行。在濾波與放大裝置201所濾出的信號(hào)被放大為適合于A/D轉(zhuǎn)換單元202的信號(hào)電 平。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換單元202的常用型號(hào)實(shí)際上具有雙電源(例如正負(fù)極12V)或單電源(例 如+5V)輸入，因此濾波與放大裝置201對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行放大或移位(Shin)，以使之適合于 A/D轉(zhuǎn)換單元202的輸入級(jí)電平。而且，濾波與放大裝置201可以具有對(duì)所提取或獲取的信號(hào)進(jìn)行緩沖 (buffering)的功能控制與運(yùn)算裝置203具有控制生成或變換的運(yùn)算所需的各種數(shù)據(jù)信號(hào)適當(dāng)?shù)剌?入到微處理器(MPU)的功能，并由如同微處理器的功能比較簡(jiǎn)單的嵌入式電路構(gòu)成?？刂?與運(yùn)算裝置203接收來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換單元202的數(shù)字信號(hào)，并且1)運(yùn)算逆變器開(kāi)關(guān)模塊102 的輸出電流的一個(gè)周期平均值以及/或根據(jù)FFT的各個(gè)諧波的大小或有效值；2)運(yùn)算電解 電容器103的ESR值或損失角tan δ值；3)根據(jù)需要通過(guò)分析利用第三電流感測(cè)裝置所檢 測(cè)的電解電容器的紋波電流，運(yùn)算出根據(jù)FFT的各諧波的大小；以及4)，根據(jù)需要運(yùn)算蓄電 池系統(tǒng)的每個(gè)組的內(nèi)部電阻值或者單元(cell)電壓值，從而能夠診斷出電力變換系統(tǒng)的 老化狀態(tài)。作為本發(fā)明的另一種實(shí)施例，為了簡(jiǎn)化構(gòu)成而降低制造成本，用于電力變換系統(tǒng) 的老化狀態(tài)診斷裝置不包括信號(hào)絕緣單元113及測(cè)量電流產(chǎn)生裝置112，而包括第一或第 二電流感測(cè)裝置(105a或105b)及測(cè)量與診斷裝置211。由此用于電力變換系統(tǒng)的老化狀 態(tài)診斷裝置在微處理器的能力所允許的范圍內(nèi)，從多個(gè)方面細(xì)致地運(yùn)算、分析逆變器開(kāi)關(guān) 模塊102的輸出電流的一個(gè)周期平均值、和/或輸出電流的上下半周期(上半周期以及下 半周期，即一個(gè)周期)的根據(jù)FFT的各諧波的大小或有效值、根據(jù)FFT分析的特征諧波(偶 次或特定次的諧波)的產(chǎn)生與否，從而能夠診斷作為電力變換系統(tǒng)核心回路的逆變器模塊的老化狀態(tài)。在這種情況下，很難精確分析設(shè)置于直流級(jí)的電解電容器的老化狀態(tài)，因此當(dāng)達(dá) 到耐久年限或檢測(cè)其工作溫度等于或高于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)時(shí)，將其用新產(chǎn)品替換，由此提高電力變換系統(tǒng)的可靠性。逆變器開(kāi)關(guān)模塊102是電力變換系統(tǒng)的最主要的構(gòu)成要素，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而 且半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Sl S6或控制電路的誤工作或者老化導(dǎo)致臂短路(armshort)等致命 故障的可能性極高，所以提取有關(guān)逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的異?；蚶匣南嚓P(guān)要素是診斷電 力變換系統(tǒng)老化狀態(tài)的基本部分，也是診斷的主要目的。圖2示出了當(dāng)從逆變器開(kāi)關(guān)模塊102輸出的電流成分向負(fù)載側(cè)流動(dòng)時(shí)，包括在輸 出電流成分里的各諧波成分和直流成分流過(guò)輸出變壓器或者輸出過(guò)濾電路104的路徑。包括在輸出電流成分里的直流成分Iv在輸出變壓器的一次回路側(cè)形成偏差電流 并流動(dòng)，諧波電流成分Ih在輸出濾波電路104被旁路掉，從而最終在負(fù)載側(cè)只流動(dòng)基波電 流If。盡管圖2示出了一般所采用的電力變換系統(tǒng)的逆變器轉(zhuǎn)換單元的輸出電路級(jí)，但是 在輸出濾波電路104位于輸出變壓器的一次回路側(cè)的情形中，在最終負(fù)載側(cè)也只流有基波 電流If。因此，包括在逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的輸出電流里的直流成分Iv以及諧波電流成分 Ih即便負(fù)載電流有所變動(dòng)也不受其影響，輸出電壓波形主要根據(jù)逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的特 性異常或老化狀態(tài)變化，因此通過(guò)分析逆變器開(kāi)關(guān)模塊102輸出電流的直流成分Iv或者諧 波電流成分Ih的幅值可診斷電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)。而且，電力變換系統(tǒng)的負(fù)載大體包括諸如電氣設(shè)備的線性負(fù)載303和整流器負(fù)載 302。在負(fù)載電流中包括電容器輸入型的整流器負(fù)載302時(shí)，若上下半周期的波形對(duì)稱，則 負(fù)載電流成分中主要包括3、5、7次等奇數(shù)低次諧波。這些諧波多少被輸出過(guò)濾電路104吸 收一些，但奇數(shù)低次諧波(例如3、5、7次)的大部分會(huì)通過(guò)逆變器開(kāi)關(guān)模塊102流動(dòng)。因 此測(cè)量負(fù)載電流的流動(dòng)所引起的包括在逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的輸出電流內(nèi)的除奇數(shù)低次 諧波外的各諧波的幅值或有效值的變化量，且當(dāng)其含量增加到正常狀態(tài)以上時(shí)判定為已老 化。在負(fù)載電流波形的上下半周期寬度互不相同時(shí)，根據(jù)FFT分析負(fù)載電流波形可 知，在負(fù)載電流里含有偶次諧波。這種現(xiàn)象大部分是因?yàn)槟孀兤鏖_(kāi)關(guān)模塊102的控制狀態(tài) 不良所致，所以當(dāng)測(cè)量出如上所述的偶次諧波時(shí)，可以判定為電力變換系統(tǒng)產(chǎn)生了故障或 已老化。逆變器開(kāi)關(guān)模塊102對(duì)直流電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)控制，從而輸出正弦波PWM 形狀的交流電壓波形，當(dāng)諸如上下臂(arm)開(kāi)關(guān)元件Sl S6的導(dǎo)通電阻等開(kāi)關(guān)特性值因 老化而增加或變?yōu)榛ゲ幌嗤瑫r(shí)，逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的上下半周期之間的輸出電壓波形相 互非對(duì)稱，因此流動(dòng)至輸出過(guò)濾電路104及輸出變壓器301的輸出電流會(huì)帶有直流成分Iv。 進(jìn)而交流電壓波形的一個(gè)周期內(nèi)的電流平均值會(huì)增加，從而通過(guò)測(cè)出電流平均值增加來(lái)診 斷逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的老化狀態(tài)或者是否有異常。圖6示出了當(dāng)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Sl S6中的一部分老化而導(dǎo)通電阻增加時(shí)，通過(guò) 模擬得出的輸出電流波形(上方)及根據(jù)FFT進(jìn)行分析的各諧波的幅值(下方)。由于平 均值有所增加而能夠得出在逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的輸出電流里含有直流成分(DC成分)以及偶數(shù)低次諧波。并且，當(dāng)逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Sl S6或半導(dǎo)體控制電路發(fā)生老化、或者向控制電路供給電源的控制電源(例如DC/DC變換器，或者開(kāi)關(guān)式電源(SMPS)) 產(chǎn)生故障而導(dǎo)致誤工作時(shí)，對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的輸出波形而言，其上下半周期內(nèi)的正 弦波PWM電壓波形從正常波形產(chǎn)生變形，并含有在正常狀態(tài)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)的特定次的諧波電 壓。與基波相比，對(duì)于這種特定次的諧波，輸出變壓器301及輸出濾波電路104具有更低的 阻抗，因而由諧波電壓在輸出濾波電路104產(chǎn)生較大的特定次的諧波電流，并且上半周期 及下半周期(即，一個(gè)周期)內(nèi)的特定次的諧波電流會(huì)相比正常狀態(tài)有所增加。進(jìn)而，通過(guò) 對(duì)輸出電流波形的FFT分析，測(cè)量、運(yùn)算出上下半周期(即，一個(gè)周期)特征諧波的幅值及 有效值，可診斷逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的老化狀態(tài)或是否有異常。圖7示出了當(dāng)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Sl S6或控制電路發(fā)生老化、或者向控制電路供 給電源的控制電源(例如DC/DC變換器，或者開(kāi)關(guān)式電源(SMPS))產(chǎn)生異常而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)元 件無(wú)法正常接通時(shí)，將此時(shí)的狀態(tài)通過(guò)模擬得出的輸出電流波形(上方)及根據(jù)FFT進(jìn)行 分析的各諧波的幅值(下方)。此時(shí)，可以得知在逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的輸出電流里產(chǎn)生了 低于開(kāi)關(guān)頻率的特定次諧波，即產(chǎn)生了多個(gè)低次諧波。圖8是又一種老化現(xiàn)象的示例，其示出了當(dāng)逆變器開(kāi)關(guān)模塊發(fā)生老化時(shí)根據(jù)FFT 進(jìn)行分析的各諧波的幅值(下方)、以及正常工作時(shí)輸出電流的波形(上方)。這種情況下， 可以得知在逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的輸出電流產(chǎn)生了低于開(kāi)關(guān)頻率的特定次諧波，即產(chǎn)生了 多個(gè)副諧波(Subharmonic)或間諧波(Intertlarmonic)。如上所述，電力變換系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜而出故障的形式也多樣，且各部件的老 化程度也互不相同，所以根據(jù)這種多樣的故障因素或老化因素，在逆變器開(kāi)關(guān)模塊102的 輸出電流平均值或諧波的幅值(或有效值)中，很有可能只有一個(gè)產(chǎn)生變化。因此對(duì)電力 變換系統(tǒng)的PWM控制方式等的特性進(jìn)行檢查之后，基于工作特性要么只分析輸出電流平均 值或各諧波幅值(或有效值)中的某一個(gè)，要么分析、監(jiān)視輸出電流平均值以及各諧波的幅 值(或有效值)，以此可以提高測(cè)量判別能力。另外，連接在電力變換系統(tǒng)的直流總線的電解電容器，其耐久壽命根據(jù)使用條件 (尤其使用溫度)有所不同，屬于耐久壽命較短的部件。因此持續(xù)監(jiān)視、診斷電解電容器的 老化狀態(tài)顯得尤為必要。電解電容器隨著老化及劣化，一般有三個(gè)要素產(chǎn)生變化。這三個(gè)要素分別是電容 量、ESR、以及漏電流(leakage current)。電解電容器的電容量單位用法拉第(Farady)表 示，隨著老化及劣化電解電容器的電解成分會(huì)逐漸減少電容量變小，ESR值變大。而且，電容量根據(jù)電解電容器的溫度產(chǎn)生變化，因此計(jì)算出電容量與ESR值的 比值，即計(jì)算出損失角tanS值之后，將是否增加到預(yù)定值以上(例如電容量大約變 化-20% +20%)作為診斷的基準(zhǔn)。尤其大多制造商提示，在損失角tan δ為初期基準(zhǔn)值 的300%以下時(shí)，電解電容器產(chǎn)生了劣化，因此優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)檢驗(yàn)tan δ的變化值。另外，作為本發(fā)明的檢測(cè)充電單元異常的方案，優(yōu)選地還包括將通過(guò)第三電流感 測(cè)裝置檢測(cè)獲得的電解電容器紋波電流的諧波成分根據(jù)FFT進(jìn)行分析處理，并診斷各諧波 的幅值是否產(chǎn)生變化而達(dá)到大于或等于基準(zhǔn)值的步驟，其中電解電容器的紋波電流的各諧 波的幅值是與整流單元或充電器的異?；蚶匣?、或者與電解電容器的老化有關(guān)的相關(guān)要O作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，響應(yīng)于來(lái)自控制與運(yùn)算裝置203的開(kāi)/關(guān)(On/Off)信 號(hào)，測(cè)量電流產(chǎn)生裝置112產(chǎn)生正弦波或矩形波形狀的、或者具有純正弦波的紋波形狀的 測(cè)量電流信號(hào)Is。所產(chǎn)生的測(cè)量電流信號(hào)Is由于直流級(jí)的電壓被信號(hào)絕緣單元113的耦 合裝置阻斷(blocking)流過(guò)直流總線電解電容器的正負(fù)極端子。當(dāng)測(cè)量電流信號(hào)流經(jīng)電解電容器時(shí)，在電解電容器的正負(fù)極端子上，直流電壓上 會(huì)疊加與之相關(guān)的阻抗電壓Vs，直流電壓在直流耦合裝置200被消除，且純交流成分的阻 抗電壓信號(hào)通過(guò)濾波與放大裝置201，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元202轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。而且，所施加的測(cè)量電流信號(hào)Is也會(huì)在A/D轉(zhuǎn)換單元202轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，且使 用阻抗電壓Vs及測(cè)量電流信號(hào)Is運(yùn)算被測(cè)量電解電容器的ESR值、以及電容量與ESR值 的比值，即損失角tan δ。ESR值是電解電容器的內(nèi)部電阻成分，因此可以用如下的[數(shù)學(xué)式1]來(lái)表示。數(shù)學(xué)式1ESR值(μ Ω) = (Vs/Is)xcos δ χ10_6在此，δ是測(cè)量電流信號(hào)Is和與之相關(guān)的阻抗電阻Vs的相位角之差。進(jìn)而，cos δ 可以用[數(shù)學(xué)式2]來(lái)表示。數(shù)學(xué)式2cos δ =ESR 值(μ Ω ) χ (Is/Vs) xl(T6而且，由于損失角tan δ可以用[數(shù)學(xué)式3]來(lái)表示，所以從中能夠運(yùn)算出ESR值 (μ Ω)以及損失角tanS。數(shù)學(xué)式3
對(duì)于有關(guān)ESR值(μ Ω)及COS δ值的運(yùn)算方法而言，作為本發(fā)明的一種示例可應(yīng) 用本案的申請(qǐng)人在2004年2月3日向韓國(guó)特許廳提出的2006年5月2日授權(quán)的授權(quán)號(hào)為 10-0577828-0000的發(fā)明名稱為“基于紋波噪聲信號(hào)的阻抗有效值的測(cè)量運(yùn)算方法及其電 路”的專利中所公開(kāi)的同步檢波法算法及其電路來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。一般來(lái)講，阻抗電壓Vs和測(cè)量電流信號(hào)Is中含有因電力變換系統(tǒng)的工作而產(chǎn)生 的各種感應(yīng)噪聲(噪音)或負(fù)載電流所致的各次數(shù)的諧波。當(dāng)除了阻抗電壓Vs和測(cè)量電 流信號(hào)Is的基本頻率成分之外，還含有任意諧波的成分或類似于基頻成分的頻率時(shí)，也可 以應(yīng)用在引用發(fā)明中公開(kāi)的同步檢波法算法，從而運(yùn)算出ESR值(μ Ω)及cos δ值，并利 用[數(shù)學(xué)式3]準(zhǔn)確運(yùn)算出損失角tan δ。更具體地，當(dāng)要運(yùn)算電解電容器的內(nèi)部ESR值(μ Ω)時(shí)，通過(guò)常用的帶通濾波裝 置來(lái)獲取含有(混合有)大量噪音的檢測(cè)信號(hào)，而噪音是由于對(duì)應(yīng)于測(cè)量電流信號(hào)Is的阻 抗電壓Vls和高頻諧波紋波電壓Vkp等外部因素而在被測(cè)物上感生的噪音。在此情形中，適 當(dāng)設(shè)定測(cè)量電流信號(hào)Is的頻率而排除噪音的影響，提取最優(yōu)選定的積分周期Td而進(jìn)行積 分運(yùn)算，并去除全部交流成分項(xiàng)的運(yùn)算步驟構(gòu)成的同步檢波法，可以準(zhǔn)確獲取電解電容器 的內(nèi)部ESR值(μ Ω)及cos δ值。假設(shè)測(cè)量電流信號(hào)Is的頻率為ηω，對(duì)應(yīng)于測(cè)量電流信號(hào)Is從被測(cè)對(duì)象的電解電 容器得到的阻抗電壓Vs信號(hào)一般通過(guò)[數(shù)學(xué)式4]來(lái)表示。
數(shù)學(xué)式4VS = V(t) = 2Acos(ωt+φ+δ )在本發(fā)明中，δ值是當(dāng)要運(yùn)算電解電容器的內(nèi)部ESR值(μ Ω)時(shí)，測(cè)量電流信號(hào) Is和與之相關(guān)的阻抗電壓Vls的相位角之差。而且，測(cè)量電流信號(hào)Is可以用[數(shù)學(xué)式5]以正弦函數(shù)來(lái)表示，其含有各種感應(yīng)噪 聲(噪音信號(hào))或開(kāi)關(guān)噪聲所致的各次諧波。數(shù)學(xué)式5Is = i(t) = 2Bcos(cot+cl5)根據(jù)公知的同步檢波運(yùn)算方法，將各種諧波信號(hào)中所含有的阻抗電壓Vls或測(cè)量 電流信號(hào)Is分別相乘到具有與阻抗電壓Vis相同的頻率且存在一定角Φ的相位差的余弦 波C1或正弦波S1,由此計(jì)算出各運(yùn)算項(xiàng)mi、m2、m3、m4,再計(jì)算出構(gòu)成各運(yùn)算項(xiàng)的所有交流成 分項(xiàng)頻率的最大公約數(shù)，將相當(dāng)于最大公約數(shù)的周期或它的整數(shù)倍設(shè)定為積分周期TD，在 積分周期Td內(nèi)對(duì)各運(yùn)算項(xiàng)mi、m2、m3、m4分別計(jì)算周期積分，從而排除各運(yùn)算項(xiàng)mp m2、m3、m4 中的交流成分而得出用于ESR值運(yùn)算所需的直流成分Μ” M2、M3、M4值，且通過(guò)[數(shù)學(xué)式1] 和[數(shù)學(xué)式6]計(jì)算出ESR值(μ Ω)。數(shù)學(xué)式6
而且，通過(guò)[數(shù)學(xué)式7]計(jì)算出cos δ值，數(shù)學(xué)式7
(M1M4+M2M3)κ、 然后根據(jù)[數(shù)學(xué)式7]和[數(shù)學(xué)式3]可以計(jì)算出損失角tan δ。另外，圖3是本發(fā)明的另一實(shí)施例，其還包括繼電保護(hù)裝置114，繼電保護(hù)裝置114 將產(chǎn)生于測(cè)量電流產(chǎn)生裝置112的測(cè)量電流信號(hào)Is切換到被測(cè)蓄電池系統(tǒng)110，以用于同 時(shí)測(cè)量、診斷作為不間斷電源(UPS)的必要構(gòu)成部件的蓄電池系統(tǒng)110的老化狀態(tài)，而且將 被測(cè)蓄電池的內(nèi)部阻抗電壓信號(hào)連接到測(cè)量診斷裝置211。通過(guò)使產(chǎn)生于測(cè)量電流產(chǎn)生裝置112的測(cè)量電流信號(hào)Is流經(jīng)被測(cè)蓄電池系統(tǒng) 110，從被測(cè)蓄電池獲取阻抗電壓信號(hào)Vs，并且通過(guò)類似于前述的運(yùn)算電解電容器內(nèi)部ESR 值(μ Ω)的方法，可以運(yùn)算出被測(cè)蓄電池的內(nèi)部阻抗有效值(電阻成分)。而且，為了運(yùn)算被測(cè)蓄電池的內(nèi)部阻抗有效值(電阻成分)，產(chǎn)生于測(cè)量電流產(chǎn)生 裝置112的測(cè)量電流信號(hào)Is的頻率可以設(shè)置成與運(yùn)算電解電容器的內(nèi)部ESR值(μ Ω)時(shí) 所使用的測(cè)量電流信號(hào)Is的頻率、或者考慮到被測(cè)蓄電池的內(nèi)部等價(jià)電路特性可以設(shè)置 成恰當(dāng)?shù)念l率，并且測(cè)量電流信號(hào)Is的幅值可以設(shè)定為相同或不相同。當(dāng)蓄電池的電容量增大時(shí)，蓄電池系統(tǒng)110的蓄電池單元(cell)由數(shù)百個(gè)以上構(gòu) 成。在這種情況下，為了測(cè)量各單元的老化狀態(tài)，每個(gè)單元都需要設(shè)置測(cè)量電路，因此設(shè)置 顯得復(fù)雜且需要大量的監(jiān)視電路，從而結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。鑒于此作為更加經(jīng)濟(jì)的方案，將被 測(cè)對(duì)象的蓄電池系統(tǒng)110劃分為適當(dāng)大小的組之后，測(cè)量每組的內(nèi)部阻抗有效值(電阻成分)以及電壓，以此診斷蓄電池系統(tǒng)110的老化程度。圖4示出了檢測(cè)每個(gè)組的電阻和電壓而診斷其老化程度的實(shí)施例的布線圖。更加具體來(lái)講，圖4示出了將被測(cè)對(duì)象的蓄電池系統(tǒng)110劃分為適當(dāng)數(shù)目的組，并 對(duì)用于測(cè)量每個(gè)組的內(nèi)部電阻及電壓的測(cè)量電流信號(hào)線Isl Isn以及特性數(shù)據(jù)感測(cè)信號(hào) 線vsl Vsn進(jìn)行連接的連接圖。實(shí)際上，考慮到蓄電池系統(tǒng)的串聯(lián)組列大小，以4 12 個(gè)單元為一個(gè)組，并連接以4端子網(wǎng)形成的測(cè)量電流信號(hào)線及數(shù)據(jù)感測(cè)信號(hào)線，以用于測(cè) 量每個(gè)組的內(nèi)部電阻及單元電壓。圖4中每個(gè)組由4個(gè)單元構(gòu)成，在2個(gè)相鄰組上連接有測(cè)量電流信號(hào)線，以使測(cè)量 電流信號(hào)可流至兩個(gè)串聯(lián)組列。但考慮到測(cè)量電流產(chǎn)生裝置111的電容量和測(cè)量電流信號(hào) 線的布線難度，可以適當(dāng)?shù)剡x擇測(cè)量電流信號(hào)Is單獨(dú)流動(dòng)的組的數(shù)量。對(duì)于運(yùn)算電解電容器的內(nèi)部ESR值μ Ω及cosS值或運(yùn)算被測(cè)蓄電池單元/組 的內(nèi)部電阻而言，利用同步檢波算法的一個(gè)實(shí)施例的測(cè)量運(yùn)算步驟或方法如下。使測(cè)量電流信號(hào)流經(jīng)被測(cè)物，以此測(cè)出測(cè)量電流信號(hào)Is和與之相關(guān)的阻抗電壓 信號(hào) Vs(S301)；而且此時(shí)，優(yōu)選地從測(cè)量電流信號(hào)及阻抗電壓的信號(hào)頻率成分中，通過(guò)濾波裝置 或測(cè)量運(yùn)算裝置內(nèi)部的濾波程序，盡可能只過(guò)濾有必要于測(cè)量運(yùn)算的頻率成分(S302)；接著，微處理器(MPU)讀取被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)信號(hào)，并利用所獲得的測(cè)量 電流信號(hào)及阻抗電壓的測(cè)量信號(hào)成分，運(yùn)算電解電容器的內(nèi)部ESR值(μ Ω)及損失角 tan δ值，或者運(yùn)算被測(cè)蓄電池的單元/組的內(nèi)單元電阻值(S303)。在此，運(yùn)算ESR值(μ Ω)及損失角tans值、或者運(yùn)算蓄電池的單元/組的內(nèi)部 電阻值的方法如下。對(duì)形成測(cè)量信號(hào)的所有頻率成分進(jìn)行相加及相減之后，求出其結(jié)果值之間的最大公約數(shù)(S304)；將相當(dāng)于最大公約數(shù)頻率的周期或周期的整數(shù)倍設(shè)定用于運(yùn)算的預(yù)定的積分周期 Td(S305)。利用測(cè)量電流信號(hào)、阻抗電壓信號(hào)、余弦波C1及正弦波S1，分別計(jì)算出運(yùn)算項(xiàng)mi、 m2、m3、Hi4 (S306)。在預(yù)定的積分周期Td內(nèi)，對(duì)運(yùn)算項(xiàng)mi、m2、m3、m4進(jìn)行積分而分別得出只以直流成 分構(gòu)成的運(yùn)算項(xiàng)M1、M2、M3、M4(S307)。利用運(yùn)算項(xiàng)M1、M2、M3、M4運(yùn)算出電解電容器的內(nèi)部ESR值(μ Ω)及損失角tan δ 值，或計(jì)算出蓄電池的單元/組的內(nèi)部電阻(S308)。圖5為作為本發(fā)明的一實(shí)施例的方法的內(nèi)部程序流程圖，該方法通過(guò)運(yùn)算逆變器 開(kāi)關(guān)模塊102的輸出電流平均值和/或根據(jù)FFT的諧波的幅值或有效值、并通過(guò)運(yùn)算電解 電容器的ESR值和損失角tan δ，對(duì)電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)進(jìn)行診斷。具體說(shuō)明如下。測(cè)量與診斷裝置211接通電源，進(jìn)入測(cè)量電力變換系統(tǒng)的異常與否及其老化狀態(tài) 的運(yùn)算循環(huán)中，并將微處理器(MPU)的計(jì)數(shù)器值η重置為0(S501)。為了檢測(cè)第一或第二電流感測(cè)裝置(105a或105b)的輸出電流波形，將通過(guò)濾波 與放大裝置201獲取的半周期或一個(gè)周期內(nèi)的輸出電流采樣值輸入到A/D轉(zhuǎn)換單元202，并 將轉(zhuǎn)換后的輸出電流數(shù)字值存儲(chǔ)到控制與運(yùn)算裝置203的存儲(chǔ)器里，直至計(jì)數(shù)器的值達(dá)到N為止反復(fù)進(jìn)行存儲(chǔ)(S502)。
使用被存儲(chǔ)的電流波形運(yùn)算一個(gè)周期內(nèi)的平均值，接著根據(jù)FFT運(yùn)算上下半周期 (即，一個(gè)周期)的特定次諧波的幅值、或特定次諧波的有效值。若平均值、或者各諧波的幅 值或有效值中的至少一個(gè)大于預(yù)定值M1、M2，則設(shè)定相關(guān)的事件比特(event bit) (S503)。相關(guān)的事件比特被設(shè)定之后，被傳送到數(shù)據(jù)收集裝置或服務(wù)器上，以此告知該數(shù) 據(jù)收集裝置或服務(wù)器電力變換系統(tǒng)的異常狀態(tài)或是否有故障(S504)。另外，雖然在步驟S503使用了通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算來(lái)確保診斷可靠性的方法，S卩，只 要平均值、或者特征諧波的幅值或有效值中的至少一個(gè)大于預(yù)定值M1、M2，則判定為電力變 換系統(tǒng)處在異常或者老化狀態(tài)而停止其運(yùn)轉(zhuǎn)。但作為另一種實(shí)施例，由于根據(jù)電力變換系統(tǒng)的故障狀態(tài)或故障形式，濾波與放 大裝置201的輸出電流波形的電平或狀態(tài)分別以不同的形式輸出，所以根據(jù)設(shè)計(jì)人的判斷 并考慮到這種特性，應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地核對(duì)(check)平均值以及特征諧波的幅值或有效值是否都 大于基準(zhǔn)預(yù)定值Ml、M2。S卩，如果平均值和特征諧波的幅值/有效值不是全部大于預(yù)定值M1、M2，則電力變 換系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行(S505)。在上述過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)異常，則立即將負(fù)載旁路掉，停止電力變換系統(tǒng)的運(yùn) 轉(zhuǎn)，并設(shè)定錯(cuò)誤標(biāo)示(flag)而顯示到輸出顯示裝置上，且傳送到數(shù)據(jù)收集裝置或服務(wù)器 (S506)。另外，運(yùn)算電解電容器的ESR值和作為電容量與ESR值的比值的損失角tan δ值 的方法包括如下步驟使具有預(yù)定頻率的測(cè)量電流信號(hào)流過(guò)連接于電力變換系統(tǒng)的直流總 線的電解電容器(S601)；提取對(duì)應(yīng)于測(cè)量電流信號(hào)的阻抗電壓波形(S602)；根據(jù)測(cè)量電流 信號(hào)和所提取的阻抗電壓波形運(yùn)算出ESR值或損失角tan δ值(S603)；根據(jù)運(yùn)算出的ESR 值或損失角tan δ值診斷電力變換系統(tǒng)的誤工作或電解電容器的老化狀態(tài)(S604)。在上 述步驟中，如果發(fā)現(xiàn)誤工作或老化異常狀態(tài)，則立即將負(fù)載旁路掉，停止電力變換系統(tǒng)的運(yùn) 行，并設(shè)定錯(cuò)誤標(biāo)示而顯示到輸出顯示裝置上，且傳送到數(shù)據(jù)收集裝置或服務(wù)器。另外，測(cè)量、監(jiān)視不間斷電源(UPS)的必不可少的構(gòu)成部件，即蓄電池系統(tǒng)的方法 包括如下步驟選擇性地控制繼電保護(hù)裝置將被測(cè)對(duì)象蓄電池的組或單元切換到測(cè)量診斷 裝置；使具有預(yù)定頻率的測(cè)量電流信號(hào)流經(jīng)繼電保護(hù)裝置所選擇的被測(cè)對(duì)象蓄電池的組或 單元提取對(duì)應(yīng)于測(cè)量電流信號(hào)的內(nèi)部阻抗電壓波形根據(jù)測(cè)量電流信號(hào)和被提取的內(nèi)部 阻抗電壓波形運(yùn)算內(nèi)部電阻值根據(jù)運(yùn)算出的內(nèi)部電阻值，判斷蓄電池系統(tǒng)的老化狀態(tài)。在 提取內(nèi)部阻抗電壓波形的步驟中，同時(shí)對(duì)蓄電池單元電壓進(jìn)行測(cè)量、運(yùn)算。通過(guò)測(cè)量被測(cè)對(duì)象蓄電池系統(tǒng)的各單元或組的內(nèi)部電阻、或者每個(gè)組的電壓來(lái)診 斷劣化狀態(tài)的具體實(shí)施方法或其電路，可以通過(guò)應(yīng)用本案申請(qǐng)人在2003年4月23日向韓 國(guó)特許廳提出的2006年1月19日被授權(quán)的授權(quán)號(hào)為10-0546246號(hào)，發(fā)明名稱為“蓄電 池系統(tǒng)的劣化診斷系統(tǒng)”的發(fā)明專利的技術(shù)思想來(lái)容易地實(shí)現(xiàn)。如上所述的本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例只是以示例的目的而公開(kāi)，顯然還可以直接利用 本發(fā)明的技術(shù)思想，通過(guò)添加串行或TCP/IP通信模塊，將在線診斷監(jiān)視裝置安裝到運(yùn)轉(zhuǎn)中 的電力變換系統(tǒng)而使用。另外，本發(fā)明還可以直接利用其技術(shù)思想以便攜形式制作，并利用4端子網(wǎng)檢測(cè)探頭(probe)及電流感測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)電力變換系統(tǒng)的被測(cè)對(duì)象部位.以此能夠準(zhǔn)確診斷各部位的誤工作或異常狀態(tài)。另外，本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不超出本發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)， 完全可以進(jìn)行替換、變形及變更，但這種替換、變形及變更都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為包括在本發(fā)明權(quán)利要 求書(shū)的范圍內(nèi)。工業(yè)實(shí)用性目前，不間斷電源正成為電力變換系統(tǒng)的主流，其用途和使用目的是考慮到常用 生產(chǎn)線的停電事故，時(shí)時(shí)將電力充電到蓄電池，而當(dāng)發(fā)生停電事故時(shí)，將充電在蓄電池里的 電力轉(zhuǎn)換為交流而用于應(yīng)急。因此本裝置的故障會(huì)直接導(dǎo)致停電而對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)造成損 失，所以事先監(jiān)視本裝置的老化狀態(tài)而避免本裝置運(yùn)行中產(chǎn)生故障是必然的需要。本發(fā)明不僅能夠準(zhǔn)確監(jiān)視電力變換系統(tǒng)的誤工作或損壞，而且在本地或遠(yuǎn)程可以 實(shí)時(shí)監(jiān)視因設(shè)備的老化或劣化所致的異常狀態(tài)，從而能夠事先診斷是否存在老化(劣化) 狀態(tài)。另外，本發(fā)明在運(yùn)行中的電力變換系統(tǒng)的直流總線的鄰接部位連接由4端子網(wǎng)構(gòu) 成的感測(cè)線，并在逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電路級(jí)以掛鉤形式設(shè)置電流感測(cè)裝置，由此能夠 簡(jiǎn)便地應(yīng)用于運(yùn)行中的電力變換系統(tǒng)上。另外，在電力變換系統(tǒng)的部件中，有可能產(chǎn)生早期劣化的部件為電解電容器，本發(fā) 明通過(guò)提取與電解電容器的損失角和/或開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件的老化有關(guān)的特征因素的電流 波形來(lái)進(jìn)行判定。因此相比常規(guī)的方式提高電力變換裝置的老化診斷準(zhǔn)確度及判別能力。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)人的判斷，可以有選擇地使信號(hào)解釋或運(yùn)算變得簡(jiǎn)單，而且測(cè)量判 別能力高而能夠提高可靠性。
權(quán)利要求
一種用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置，包括輸出電流感測(cè)裝置，其安裝于所述電力變換系統(tǒng)的逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出級(jí)線路上，并被配置成檢測(cè)所述逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電流；以及測(cè)量與診斷裝置，其被配置成從所述輸出電流感測(cè)裝置接收所述逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電流，運(yùn)算所述輸出電流的一個(gè)周期平均值、或者所述輸出電流的各個(gè)諧波的幅值或有效值中的一個(gè)或多個(gè)，并判定所述逆變器開(kāi)關(guān)模塊老化與否。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量與診斷裝置包括模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換單元，其將從所述輸出電流感測(cè)裝置接收的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號(hào)，并將之輸出到控制與運(yùn)算裝置；以及控制與運(yùn)算裝置，其運(yùn)算來(lái)自所述A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出電流信號(hào)的一個(gè)周期平均值、 以及所述輸出電流的根據(jù)快速傅里葉變換的諧波的幅值或有效值中的一個(gè)或多個(gè)，并判定 所述電力變換系統(tǒng)的逆變器開(kāi)關(guān)模塊老化與否。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量與診斷裝置還包括濾波與放大裝置，其濾出所述輸出電流所包括的非必要頻帶中的噪音成分或噪音信 號(hào)，或者對(duì)輸出電流的信號(hào)電平進(jìn)行緩沖、放大或移位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，如果所述輸出電流的一個(gè) 周期平均值增大等于或大于預(yù)定范圍的值、或者所述輸出電流的根據(jù)快速傅里葉變換的偶 次諧波或特定次諧波增大等于或大于預(yù)定范圍的值，則所述測(cè)量診斷裝置判定所述電力變 換系統(tǒng)的逆變器開(kāi)關(guān)模塊已老化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述特定次諧波包括多個(gè)低次諧波。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述特定次諧波為多個(gè)副諧波或間諧波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量與診斷裝置還包括輸出顯示裝置，用于輸出所述控制與運(yùn)算裝置的運(yùn)算結(jié)果；或通信端口，其接收和所述控制與運(yùn)算裝置的運(yùn)算結(jié)果有關(guān)的輸出信號(hào)，并將所述輸出 信號(hào)傳送到外部監(jiān)視設(shè)備。
8.一種用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置，包括測(cè)量電流產(chǎn)生裝置，其與所述電力變換系統(tǒng)的直流總線電解電容器的正負(fù)極端子相 連，并被配置成產(chǎn)生向所述直流總線電解電容器供給的測(cè)量電流信號(hào)；信號(hào)絕緣單元，其被配置成使所述測(cè)量電流產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的測(cè)量電流信號(hào)從直流級(jí)電 壓阻斷，并流過(guò)所述電解電容器；測(cè)量與診斷裝置，其被配置成通過(guò)使用由所述測(cè)量電流產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的測(cè)量電流信 號(hào)、以及由所述測(cè)量電流信號(hào)而在所述電解電容器中感生的阻抗電壓信號(hào)，運(yùn)算所述電解 電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻值或損失角中的一個(gè)或多個(gè)，并判定所述電力變換系統(tǒng)的直流總線 電解電容器的老化與否。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，還包括用于檢測(cè)所述直流總線電解電容 器的紋波電流的紋波電流感測(cè)裝置；其中所述測(cè)量與診斷裝置接收來(lái)自所述紋波電流感測(cè)裝置的紋波電流，運(yùn)算所述紋波 電流的根據(jù)快速傅里葉變換的各個(gè)諧波的幅值，并基于所運(yùn)算的所述諧波的幅值判定所述電力變換系統(tǒng)的直流總線電解電容器的老化與否。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量與診斷裝置包括直流耦合裝置，用于從所述直流總線電解電容器的正負(fù)極端子所得到的阻抗電壓只濾 出交流成分信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換單元，用于將所述交流成分的阻抗電壓信號(hào)、所述測(cè)量電流信號(hào)以及所述紋波 電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將所述數(shù)字信號(hào)輸出到控制與運(yùn)算裝置；以及控制與運(yùn)算裝置，用于通過(guò)利用來(lái)自所述A/D轉(zhuǎn)換單元的阻抗電壓信號(hào)、測(cè)量電流信 號(hào)以及紋波電流運(yùn)算所述電解電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻值或損失角或所述紋波電流的根據(jù) 快速傅里葉變換的各個(gè)諧波的幅值，并判定所述直流電解電容器的老化與否。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述控制與運(yùn)算裝置在所述等效串聯(lián) 內(nèi)阻值或所述損失角增大等于或大于預(yù)定范圍的值、或者所述紋波電流的根據(jù)快速傅里葉 變換的各諧波的幅值增大等于或大于設(shè)定范圍的值，判定所述電力變換系統(tǒng)的直流總線電 解電容器已老化。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量與診斷裝置包括直流耦合裝置，用于從所述直流總線電解電容器的正負(fù)極端子所得到的阻抗電壓只濾 出交流成分信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換單元，用于將所述交流成分的阻抗電壓信號(hào)以及所述測(cè)量電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號(hào)，并將所述數(shù)字信號(hào)輸出到控制與運(yùn)算裝置；以及控制運(yùn)算裝置，用于通過(guò)利用從所述A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的阻抗電壓信號(hào)以及測(cè)量電流 信號(hào)運(yùn)算所述電解電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻值或損失角，并利用所述運(yùn)算的結(jié)果判定所述直 流電解電容器的老化與否。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述控制與運(yùn)算裝置在所述等效串聯(lián) 內(nèi)阻值或所述損失角中的至少一個(gè)增大等于或大于預(yù)定范圍的值時(shí)，判定所述電力變換系 統(tǒng)的直流總線電解電容器已老化。
14.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量與診斷裝置還包括輸出顯示裝置，用于輸出所述控制與運(yùn)算裝置的運(yùn)算結(jié)果；或通信端口，用于接收和所述控制與運(yùn)算裝置的運(yùn)算結(jié)果相關(guān)的輸出信號(hào)，并將所述輸 出信號(hào)發(fā)送到外部監(jiān)視裝置。
15.一種在用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置中診斷所述電力變換系統(tǒng)的老化狀 態(tài)的方法，所述方法包括如下步驟(a)在所述老化狀態(tài)診斷裝置中，檢測(cè)所述電力變換系統(tǒng)的逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電 流；以及(b)運(yùn)算所述逆變器開(kāi)關(guān)模塊輸出電流的一個(gè)周期平均值或所述輸出電流的各個(gè)諧波 的幅值或有效值中的一個(gè)或多個(gè)，并基于所述運(yùn)算的結(jié)果判定所述電力變換系統(tǒng)的逆變器 開(kāi)關(guān)模塊的老化與否。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)包括如下步驟(b-Ι)將所檢測(cè)的所述輸出電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；以及(b-2)運(yùn)算所述被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的輸出電流的一個(gè)周期平均值或所述輸出電流的根 據(jù)快速傅里葉變換的各個(gè)諧波的幅值或有效值中的一個(gè)或多個(gè)，并判定所述電力變換系統(tǒng)的逆變器開(kāi)關(guān)模塊的老化與否。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述步驟(b-2)包括，當(dāng)所述輸出電流 的一個(gè)周期平均值增大等于或大于預(yù)定范圍的值、或者所述輸出電流的根據(jù)快速傅里葉變 換的偶次諧波或特定次諧波(多個(gè)低次諧波或副諧波或間諧波)增大等于或大于預(yù)定范圍 的值時(shí)，判定所述電力變換系統(tǒng)的逆變器開(kāi)關(guān)模塊已老化。
18.一種在用于電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置中診斷所述電力變換系統(tǒng)的老化狀 態(tài)的方法，所述方法包括如下步驟(a)在所述電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)診斷裝置中，使具有預(yù)定頻率的測(cè)量電流信號(hào)流 過(guò)與所述電力變換系統(tǒng)的直流總線相連的直流總線電解電容器；(b)在所述電解電容器的正負(fù)極端子提取與所述測(cè)量電流信號(hào)相對(duì)應(yīng)的阻抗電壓波形；(c)在用于所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的所述老化狀態(tài)診斷裝置中，運(yùn)算所述電解電容器的等 效串聯(lián)內(nèi)阻值或損失角tan δ中的一個(gè)或多個(gè)，并判定直流總線電解電容器的老化與否。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行所述步驟(c)之前或之后，還包 括以下步驟在用于所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的所述老化狀態(tài)診斷裝置中，檢測(cè)所述直流總線電解電容器 的紋波電流；以及運(yùn)算所檢測(cè)的紋波電流的根據(jù)快速傅里葉變換的各諧波的幅值，并根據(jù)所述諧波的幅 值來(lái)確定所述直流總線電解電容器的老化與否。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)包括如下步驟(c-1)在用于所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的所述老化狀態(tài)診斷裝置中，通過(guò)濾波裝置或執(zhí)行濾 波程序，從所述測(cè)量電流信號(hào)及阻抗電壓信號(hào)的成分中只濾出對(duì)測(cè)量運(yùn)算所必要的頻率成 分；(c-2)將阻抗電壓信號(hào)、測(cè)量電流信號(hào)以及紋波電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；以及 (c-3)利用被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的所述阻抗電壓信號(hào)、測(cè)量電流信號(hào)或紋波電流信號(hào)，運(yùn) 算所述電解電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻值或損失角或所述紋波電流的根據(jù)快速傅里葉變換的 各諧波的幅值中的一個(gè)或多個(gè)，并判定所述電力變換系統(tǒng)的直流總線電解電容器的老化與否。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述步驟(c-3)包括，當(dāng)所述等效串聯(lián) 內(nèi)阻值或所述損失角增大等于或大于預(yù)定范圍的值、或者所述紋波電流的根據(jù)快速傅里葉 變換的各諧波的幅值增大等于或大于預(yù)定范圍的值時(shí)，判定所述電力變換系統(tǒng)的直流總線 電解電容器已老化。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)包括如下步驟(c-1)在用于所述電力變換系統(tǒng)的所述老化狀態(tài)診斷裝置中，通過(guò)濾波裝置或執(zhí)行濾 波程序，從所述測(cè)量電流信號(hào)及阻抗電壓信號(hào)的成分中只濾出對(duì)測(cè)量運(yùn)算所必要的頻率成 分；(c-2)將阻抗電壓信號(hào)及測(cè)量電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；以及 (c-3)利用被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的所述阻抗電壓信號(hào)及測(cè)量電流信號(hào)，運(yùn)算所述電解電 容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻值，并基于所計(jì)算的等效串聯(lián)內(nèi)阻值判定所述電力變換系統(tǒng)的直流總線電解電容器的老化與否。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行所述步驟(a)至(c)之前或之后 還包括如下步驟在用于所述電力變換系統(tǒng)的所述老化狀態(tài)診斷裝置中，產(chǎn)生測(cè)量電流信號(hào)并使所述測(cè)量電流信號(hào)流過(guò)被測(cè)蓄電池，其中所述測(cè)量電流信號(hào)具 有與運(yùn)算所述電解電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻值(ESR)時(shí)相同的頻率、或與測(cè)量被測(cè)蓄電池的 內(nèi)部等效電路特性相適合的頻率；以及在使上述步驟中確定的測(cè)量電流信號(hào)流過(guò)所述蓄電池時(shí)測(cè)量蓄電池的內(nèi)部電阻。
全文摘要
本發(fā)明涉及為了確保電力變換系統(tǒng)的可靠性而能夠時(shí)時(shí)診斷其老化狀態(tài)(Aging state)的裝置及其診斷方法。該裝置包括電流感測(cè)裝置，用于檢測(cè)逆變器開(kāi)關(guān)模塊或電解電容器的輸出電流；測(cè)量診斷裝置，用于接收所述逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電流波形以及所述電解電容器的各諧波的幅值或阻抗電壓信號(hào)，從而提取與電力變換系統(tǒng)的老化狀態(tài)相關(guān)的要素。另外，所述裝置優(yōu)選地還包括用于產(chǎn)生要提供給所述電解電容器的測(cè)量電流的測(cè)量電流產(chǎn)生裝置。通過(guò)分析逆變器開(kāi)關(guān)模塊的輸出電流波形的平均值或根據(jù)快速傅里葉變換的諧波的幅值、以及測(cè)量電力變換系統(tǒng)的直流母線的等效串聯(lián)內(nèi)阻值(ESR)或損失角tanδ值，本發(fā)明能夠事先監(jiān)視、診斷因電力變換系統(tǒng)的老化或劣化所導(dǎo)致的異常狀態(tài)。
文檔編號(hào)G01R31/12GK101842711SQ200880105615
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2008年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月29日
發(fā)明者金得洙, 金來(lái)瑛 申請(qǐng)人:保誠(chéng)電子工程有限公司