基于铝电解电容的UPS系统的健康状态评估方法_王愚.pdf

中国电工网基于铝电解电容的 系统的健康状态评估方法王愚，黄增柯，李绍坚，国家栋，李佩（广西电网有限责任公司南宁供电局，广西 南宁 ）摘要：随着信息技术的高速发展，各种电力电子系统已广泛应用于日常生活。作为一种不间断电源，能对市电进行稳压、稳频、滤波等，以保护负载并为负载提供所需的优质电流，且在市电断电的情况下，还能为负载持续提供一段时间的电流。当 出现故障时，不仅可能会损害设备，造成经济上的损失，还会造成数据丢失。对 的健康状况进行评估研究能有效避免在 突然故障时造成的损失，因此通过分析 的结构及其主要组成部分，将其中最容易出现参数性故障的铝电解电容作为评估 健康状况的因素。通过对铝电解电容等效模型的分析，确立了反应其状态的特征参数。通过建立 的等效混杂模型，对其中的特征参数采用最小二乘法进行参数辨识，并估计特征参数偏离初始值的方式，判断 当前的健康状况。关键词：；健康状况评估；混杂系统模型；参数辨识中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：引言不间断电源（，）是 世纪 年代出现的一种新型的电源系统，其可在市电异常或断电的情况下，为负载不间断地提供电能并保证供电质量。在日常生活中，电网可能由于配置不合理、容量不足等各种各样的问题，导致市电存在电压浪涌、过电压、频率偏移等供电质量不佳问题，但随着科技创新及技术的逐步发展，越来越多的尖端设备对供电质量的要求也愈发严格。若供电质量不高或供电突然中断，轻则会造成设备数据丢失、系统运行状况不良及生产不合格产品等，重则会导致系统直接瘫痪，从而造成难以估量的经济损失，因此对 的研究受到广泛关注。广泛应用于日常生活中，例如银行、证券交易所的计算机系统，医疗设备、工厂机器等，起着对市电进行稳压、稳频、滤波等作用，将市电变换为能达到器件所要求的优质电源，进而保护负载，因此 的健康状况直接关乎 能否继续提供优质电流。对移动 进行健康状态评估，能够有效判断 的状态，而且对负载的保护及是否能为负载提供其所需的优质电流都具有重要意义。针对电力电子电路健康状况诊断问题，国内外学者已进行了大量研究，形成了一套可靠、成熟的诊断方法。但是这些诊断方法大多是针对开路、短路等结构性故障，而对于电力电子内部元器件老化引起的参数性故障的研究较少。文献 研究了 器件健康状态评估结果在不同算法下的差异。文献 通过分析电力电子器件的失效机电工技术输配电工程2023 1期 理，提出了与电力电子器件有关的寿命预测算法，可用于预测从当前电力电子器件的状态到失效状态的过渡时间。文献 从铝电解电容的结构出发，分析了铝电解电容的退化过程，并给出了铝电解电容的寿命模型和退化参数表征。然而，利用上述方法对系统的健康状态进行评估研究，仅仅只考虑了系统的参数型故障，依据系统的指标对参数性故障进行区分，即将系统在全寿命周期内所经历的工作状态划分为多个等级，通过一定的智能算法辨别系统当前时刻所处的状态，并不能直观反映系统退化的程度。文献 通过分析 电路中电解电容及 的等效模型，建立了非理想情况下 变换器的混杂模型，并采用粒子群优化算法进行参数辨识，采用无迹粒子滤波的方法进行健康状态评估研究，通过建立了其特征参数归一化因子，基于电力电子元器件的失效判定标准，定义了健康指标，实现了温度改变情况下的 健康状态评估。文献 通过分析蓄电池充电时间与容量之间的关系，建立了 蓄电池容量回归模型，提出了一种通过相关向量的蓄电池在线健康状态评估方式。文献 通过将专家知识、模糊评判的结合，经在线检测取得电力设备的运行数据，提出了一种关于电力系统的健康状态评估方法，并进行了实地考察与验证。本文通过对 内部工作原理分析得到 相关参数，利用这些特征参数的变化趋势及幅度，从而判别 的健康状况。铝电解电容是电力电子电路中失效率最高的器件，而由 的拓扑结构可知铝电解电容关乎其内部逆系统能否正常工作，从而能否为负载提供优质电流。因此，本文将先对铝电解电容的等效模型进行分析，从而选出能反应器件状况的特征参数，并将该特征参数作为判断 是否健康的标准，采用估计特征值偏离初始值的方法，对铝电解电容的特征参数进行参数辨识后，结合元器件的失效标准，得到 的健康状况。健康状态评估理论健康状态评估分为在线式健康状态评估与离线式健康状态评估，然而无论是在线式的还是离线式的方式，都是根据评估对象当前或过去一段时间内的数据、现象等信息，运用评估方法估计评估目标的健康状况。健康状态评估应用到电力电子电路中，可根据当前电路的状态，对电路的稳定程度进行有效分析，从而可判断电路中是否有元件出现故障或电路是否连接正常。其中“健康”被定义为持续应对所处环境并完成规定任务的能力程度 。在电力电子电路的参数型故障中，由于电子元器件的失效是逐渐发展的，存在一些临界于健康与失效两种状态之间的状态，因此若要对目标对象进行健康状态评估研究，应先将其各个状态进行区分。定性划分法与定量划分法是目前较为成熟的两种划分方式。定量划分法是通过分析系统的工作原理，利用构建与系统健康状态有关联的健康状态模型的方式进行划分的一种方法，一般采用健康指标（，）反映系统的健康状态。健康指标 的取值为、，健康指标为时，表示元件已经完全失效，健康指标为时，表示元件健康，并且可通过在区间内划分数个区域来描述系统的失效程度。系统健康状态评估研究通常先选出能反映系统状态变化情况的特征参数，利用该特征参数正常状况下的阈值，来判断当前系统的健康状态。电力电子电路的健康状态评估是在其状态监测的基础上，通过建立系统的等效模型，选取能反映系统变化情况的特征参数，通过最小二乘法、人工神经网络等参数辨识方法，取得特征参数数据，并将该特征参数作为判据来判别电力电子电路的健康状况。典型部件的特征参数选取 的健康状况取决于其内部电力电子电路的健康状况，而电力电子电路的故障又分为结构性故障与参数性故障两种。目前国内外的研究主要集中在电力电子电路的结构性故障上，对参数性故障的研究相对较少。然而参数性故障具有强非线性，其表现特征相较于结构性故障更难诊断，且大多数电路失效均是由电路中电力电子元器件失效所导致，因此元器件的性能参数直接关乎整个电路的性能。而 中铝电解电容失效率较高，囊括了系统中绝大多数的参数型故障，因此需要从电力电子元器件的内部失效机理分析铝电解电容的等效模型，并选取在其失效时变化情况较为明显的参数作为系统的特征参数，从而通过判断该特征参数与健康工作状态下阈值的关系进一步判断当前 的健康状况 。铝电解电容的等效模型如图所示，其中为引线电感，为理想电容值，为并联电阻，表示电路损耗，为从电容引出端到电极端的串联电阻。图的等效模型可进一步化简为图，其中 为简化后电容模型的等效串联电阻，为该等效串联模型所表示的等效串联电感，为电容值，其数量关系为：（）（）（）（）R1RpCL图 1 铝电解电容的等效模型ESRCESL图 2 铝电解电容的简化等效模型 的退化模型为：输配电工程电工技术 中国电工网 （）（）（）（）式中，为定值，仅由组成电容的材料本身所决定。电容的经验退化模型为：（）（）式中，为电解电容的工作时间；、为模型参数。对 的健康状况进行评估，可将铝电解电容的电容值与其等效串联电阻值作为故障特征参数，通过分析电容值与等效串联电阻值的变化情况，可得到电解电容的退化程度，从而判别出 的健康状况。移动 的混杂系统模型 中多用三相桥式逆变器作为逆变系统，而对于三相桥式逆变器来说，其输入端的滤波电容直接接在整流器的输出端，可等效为一个电压源。若要对该滤波电容进行参数辨识，则应将其作为上一级电路的输出端的滤波电容，并将滤波电容后的电路等效为一个负载，把由以上分析得到的电解电容的等效模型代入电路，可以得出 电路的简化等效电路模型，如图所示 。uaiaLaubibLbucicLcS1=1S1=0S2=1S2=0S3=1S3=0CRRc图 3 UPS 简化等效模型在该等效模型中，电流（）（）（），因此可在三个电流中任选两个电流作为状态变量，本文选择、和作为状态变量，可根据电路结构以及基尔霍夫定律得到该等模型的混杂系统模型：（）（）（）（）（）（）其中（）（），（）（），（），并且（），（），（），。电解电容的参数辨识基于 等效模型，采用最小二乘法，可以实现对 中电解电容的参数辨识，通过辨识结果，与电解电容的失效标准相结合，即可获得 当前时刻的健康状况数据。根据混杂系统理论可得，电力电子电路的一般模型为：（，）（）（）（）（）（）式中，为控制矢量。将式（）离散化有：（）（）（）（）（）式中，为采样周期。该离散方程式是非线性的，但是对于系数、，来说，它是线性的。将这些系数矩阵中的过程参数向量表示为：电工技术输配电工程2023 1期 （）则在时刻，数据矩阵可表示为：（）（），（），（），（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（）（）即：（）（）（）设为采样点数，可得：（）（）（），（）（）（）（）带入式（）有：（）对式（）进行变形，运用离散系统下的最小二乘参数辨识方法可求得参数的估计值为：（）其中，可逆是该方式成功的必要条件。根据最小二乘法参数辨识原理，对 等效模型离散化，可得对应模型为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）其参数形式表示为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）其中，。由此获得参数形式表达式的状态矩阵为：（）（），（），（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（）（），（）（）（），（）（）（），（）（）（），（）（）（），（）（）（），（）（）（），（）（）（），（）（）（），（），（），（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（），（）（）（）由此获得过程参数矩阵为：，（），（），（）通过上述分析，并根据最小二乘法在电力电子电路中的应用，可得出对于每一个状态变量有如下关系：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）因此：（）根据以上分析，由 混杂系统模型可得，需要辨输配电工程电工技术 中国电工网识的参数有、。因有个未知量，故取、这个参数作为计算量，可由此推出所需辨识参数表达式为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）仿真结果在获得较为准确的 电解电容参数后，可将其作为描述 系统健康状况的特征参数，对 当前的健康状况进行评估。本文采用估计特征参数偏离初始值的方法对 的健康状况进行评估研究。由铝电解电容的失效机理可知，在其等效串联电阻 上升至初始值的倍，或其电容值下降为初始值的 时，就可认为其已经失效。由此可以得到其失效阈值为 ：.（）因此，若要得到 的健康状态，可以根据 的输入电流、输入电压、输出电流与输出电压，对其电容的特征参数进行辨识，并将辨识参数与其失效阈值相比较，有以下种情况。（）若电容的等效电阻值与电容值均未处于失效阈值中，则判定电容状况良好，的状态健康。（）若电容的等效电阻值 大于其初始值的倍，而电容值仍处于健康范围内，则判定电容已失效，状态不良。（）若电容值小于其初始值的，但 仍处于健康范围之内，则判定电容已经失效，的状态不良。（）若铝电解电容的电容值小于初始值的 且其等效电阻值 大于初始值的倍，则判定电容失效，状态不良。根据上述分析及参数辨识结果，可有效辨识 系统的健康状态。对 等效电路模型进行仿真搭建，选择了 作为开关器 件，输 入 电 压 的 有 效 值 为 ，频 率 为 ，滤波电感均为，电容的等效串联电阻为 ，电容为，负载电阻为，载波频率为 ，采样频率为 。通过减小铝电解电容的电容值及增大其等 效 电 阻 值 进 行 模 拟 故 障 分 析，得 出 的 健 康数据。由仿真结果可知，用最小二乘法对电路进行参数辨识得到的结果误差在可接受范围内，并结合式（）可得出 得健康状况。仿真数据见表。表健康状况下的仿真结果项目 电路参数 辨识结果 误差 评估结果健康减小电容