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电容器在电力电子变换装置中的状态监测综述
Hammam Soliman，IEEE学生会员，王淮，IEEE会员，Frede Blaabjerg，IEEE院士
摘要：电容器是电力电子系统中一种关键可靠性的组件。过去的二十年中，在学术研究中的许多努力都一直致力于电容器的状态监测以预估其健康状态。工业应用要求更可靠的电力电子产品进行预防性维护。然而，由于复杂性，成本增加和其他相关问题，大多数开发的电容器状态监测技术很少被工业采用。因此，需要概述该领域的现有技术研究，以证明所需资源和每种关键方法的相应性能。它有助于为行业提供指导，通过技术基准评估可用的解决方案，并通过讨论历史发展和未来机会来推进学术研究。因此，本文首先将电容器状态监测方法分为三类，然后总结了近二十年来各自的技术演变。最后，给出了最先进的研究和针对行业应用的未来机会。
索引术语 - 电容估计，电容测量，电容器健康状态，状态监测，电解电容器（E-Caps），薄膜电容器，可靠性
一、导言
条件监测是估算电力电子元件，转换器和系统的健康状况的重要方法。 它广泛应用于可靠或安全关键的应用，如风力涡轮机，电动飞机，电动车等，从而实现指示失效的发生和预防性维护。在[1]中，对电子器件中使用的半导体器件的状态监测进行了研究。除了有源半导体器件外，电容器是另一种比电力电子系统中的其他元件更频繁失效的元件[2]。 在过去的二十年中，有大量关于电容器状态监测的科学出版物，本文讨论了相关的出版物[3] - [64]。然而，由于其复杂性，开发的技术在工业应用中很少采用，因此，现有方法的概述对于行业应用和学术研究都是有益的。它有以下两个目的。 1）对不同的状态监测解决方案进行基准测试，并确定其有前途的方面和局限性。 2）追踪技术发展的过程历史，探索有可能为更多实际应用做出贡献的未来研究机会。电力电子应用通常有三种类型的电容器，即电解电容器（E-Caps），金属化聚丙烯薄膜电容器（MPPF）和多层陶瓷电容器[65]。这些电容器可用于电源转换系统，滤波器应用和缓冲电路。
在电力电子转换系统中，通常使用单个电容器或电容器组。如果单个电容器达到使用寿命，系统可能会发生故障。对于具有电容器组的系统，多个电容器的故障时间可能不同。 一旦其中一个发生故障，其他电容器可以承受增加的应力，从而加速其退化。确保可靠的操作，建议在其中一个电容器达到使用寿命后更换整个电池组[66]。
单个电容器和电容器组的大多数状态监测方法都是基于估计电容C和等效串联电阻（ESR），它们是电容器退化的典型指标[67]。根据图1（a）中的退化曲线，并根据图1（b）所示的方框图，在进一步确定电容器的健康状况之前，需要使用寿命终止或阈值标准.ForaluminumE-Caps，被广泛接受 寿命终止标准是电容减少20％或ESR的两倍。 对于薄膜电容器，电容减少2％-5％可能表示寿命终止。电容/ ESR的初始值与老化值之间的范围是条件监视范围，如图1（a）所示。
图1.状态监测的关键指标及其步骤。
（a）电容和ESR曲线作为电容器退化水平的指示。 （b）电容器状态监测的主要步骤。
在[68]，[69]中，选择那些寿命终止标准是基于两个方面来考虑的：
1）在电容或ESR达到规定的寿命终止标准之后，电容器劣化率变得相当快（例如，dC / dt，dESR / dt）。
2）当电容下降或ESR增加到指定水平时，电力电子转换系统可能无法正常工作。
上述考虑的第一个方面通常是选择寿命终止标准的主要原因。估计的电容或ESR值可以通过以下三种方式之一与电容器健康状况相关联。
1）通过将估计值与特定寿命终止标准进行比较来指示电容器是否出现故障。
2）通过观察估计值与特定寿命终止标准之间的差异，电容器的劣化水平。 为此，不需要详细的电容或ESR劣化曲线。
3）剩余使用寿命（RUL）的估计。它需要了解在特定操作条件下的电容或ESR退化曲线，这些曲线通常从加速的降解测试数据中获得。
图2（a）示出了电容器的简化等效模型，图2（b）示出了相应的频率特性。可以注意到，电容器阻抗的区别在于由电容（C），ESR和等效串联电感（ESL）分别支配的三个频率区域。
图2.电容器的等效模型和阻抗特性。
（a）电容器的简化等效模型。 （b）电容器的阻抗特性。
[67]中介绍了直流链路应用中电容器可靠性的概述。讨论了故障机制，寿命模型和直流链路设计解决方案。还简要讨论了电容器的状态监测。由于[67]的范围不关注状态监测，因此没有提供现有技术方法的详细讨论和关键比较。本文旨在填补文献中的空白，并对研究课题进行全面的概述。第二节给出了现有状态监测方法的分类。第三部分概述了二十年来电容器监测的技术发展历史以及这些技术的基准。第四节介绍了未来的研究机会。
二、电容器状态监测技术的分类
电容器的状态监测方法可以从三个角度进行分类，如图3所示。第一个视角是可用性。如果在系统运行期间可以获得运行状况指示器，则称为在线状态监视。如果需要中断系统以获取运行状况指示器，则称为离线状态监视。第二个透视图显示了用于状态监视的运行状况指示器的类型。第三个视角是获取特定指标值的方法。
图3.电容器状态监测技术的分类及其指标。
因此，图3显示了获得不同健康指标的方法的分类。它们分为三类，将在本文中讨论。
本文所述的状态监测方法主要应用于单级DC-DC转换器，DC-AC逆变器和两级AC / DC / AC转换器。图图4和5显示了将在本节中讨论的拓扑。图4（a）是升压转换器，图4（b）是降压转换器。
图4.本文讨论的单级DC-DC转换器的状态监测应用。
（a）升压转换器电路。 （b）降压转换器电路。
图5.本文将讨论的两级交流/直流/交流电源转换器的状态监测应用。
图5作为第一个交流——直流级的二极管——桥式整流器或脉冲宽度调制（PWM）整流器的ac / dc / ac转换器的显示结构。电压，电流和组件的定义如图所示。表3列出了[3] - [64]中讨论的代表性条件监测方法。表1列出了各自方法的类别，应用的健康指标和指标的原理估计。列出了拓扑，额定功率和电容值方面的应用案例信息，还包括对优缺点的简要讨论。本节将讨论这些方法和应用的更多具体细节。
A.基于电容器纹波电流传感器的方法
此类别的基本概念是通过使用电容器电压和电压来获得电容和/或ESR分别在区域I和II处的纹波电流信息[如图2（b）所示]。文献中提出的一些方法已应用了这一概念[8] - [17]。为了获得特定频率的电压和电流信息，注入外部信号。信号以感兴趣的频率注入到电力电子电路中。大量论文讨论了这一类的方法。电容器电压信息很容易获得，因为它通常需要用于控制电力电子转换器（例如，直流链路电压）。纹波电流由额外的电流传感器测量。用于电容器电流测量的电流传感器可以分为经典电流传感器（例如，电阻器，霍尔传感器）和基于印刷电路板（PCB）的罗氏线圈。基于PCB罗氏线圈是设计的PCB，固定在电容器端子上，用于检测电容器的电流和电压。
1）、经典电流传感器：
a）没有信号注入：使用直接经典电流传感器的方法并不常见。 三个例子说明了使用直接传感器的概念[3] - [5]。除了通过现有电压传感器获得的纹波电压之外，所有都使用直流传感器来获得电容器纹波电流。在[3]中，获得由电流传感器测量的电容器电流的均方根（rms）值。平均电容功率（PC）可以通过乘以电容器的电流和电容器的纹波电压来计算。ESR的计算通过（1）实现。
ESR= （1）
其中是流过直流链路电容器的电流。
在[4]中，在计算rms值之前，通过带通滤波器（BPF）对测量的电容器电流进行滤波。 滤波器的使用是由于在一定频率范围内计算ESR - 如前所述 - 并在（2）中给出
ESR = （2）
其中和分别是特定开关频率下的直流链路电容器电压和电流。
在[5]中，电子模块设计并与电解电容器集成。电子电路能够通过检测电容器纹波电流和电压来计算ESR。然后将计算的ESR值与ESRo的初始值进行比较以确定电容器状态。计算电路如图6所示。
图6.电容器中的ESR计算电路[5]。
虽然这种方法需要额外的硬件，并且ESR估计的最大误差为10％，但主要优点是在检测纹波电流时使用环形磁芯。作者声称，在这种应用情况下，由于使用环形磁芯而产生的额外寄生电感可以忽略不计。重要的是要注意，基于平均电容器功率的ESR的估计是通过10％的估计误差实现的，这在一些应用中是可接受的。而且，它是在不使用过滤器的情况下实现的，这减少了时间和成本。但在某些应用中，需要使用过滤器。为了获得更高的精度，估计误差低于10％。
b）使用信号注入：另一种方法是从外部将特定频率的电流或电压信号注入感兴趣的电容器所在的电路。该方法是最广泛使用的方法。可以使用各种应用和不同的方法，并且大多数方法应用于如图7所示的实验装置。
图7.在[8] - [17]中使用信号注入的实验装置。
在[8]和[9]中，报道了一种实验技术，该技术允许基于正弦分析技术确定铝E-Caps的ESR值并接近其共振频率。该技术已应用于LC滤波器中的电容器，该滤波器具有25 V输入电压和4700mu;F滤波电容器。然而，由于电容和电感值都与频率有关，因此该技术存在一些缺点。在这两个参考文献中，实验测试的估计ESR未与模拟进行比较。这是因为两个测试都是在不同频率下完成的。而且，所获得的结果不与初始值进行比较;这是由于测试电容器制造商缺乏信息。制造商通常提供具有120Hz的耗散因数（DF）的数据表。
为了克服上述缺点，在[10] - [17]中使用了不同的算法。 [10]中的拉普拉斯变换算法，[11]和[16]中的牛顿拉夫逊法（NR），[12]，[13]和[17]中的离散傅里叶变换（DFT），以及最小均方（LMS）在[14]和[15]中。所有的算法都用来计算输入电压和输入电压之间的关系。实验电路的输出电压如图7所示。这些算法之间的差异总结在本节末尾。
表二：
在[11]和[12]中，使用相同的设置（如图7所示）分别使用NR方法和DFT估计电容器的等效电路，而不是拉普拉斯分析。将电容和ESR的测量值与[10]中获得的值进行比较。基于NR的方法得到的值与使用LCR仪表的测量值非常接近，最大误差为1.5％。将基于[12]中的DFT方法得到的值与[10]中的拉普拉斯变换方法得到的值进行比较，DFT方法估计ESR的最大误差为8％，并且使用拉普拉斯方法的方法估计ESR的最大误差为18％。
在[13]中考虑了另一种基于DFT分析的方法，并将其应用于与图7所示相同的设置。该方法估计ESR和电容的最大误差分别为11％和2.8％。在[14]中，对图7中的相同设置进行简单修改以估计ESR和电容。修改的电路使用控制电路对电容器充电和放电。因此，根据电容器电流和电容器电压之间的关系，通过使用正弦曲线拟合技术而不是使用拉普拉斯来应用LMS算法来估计电容值。
基于[14]中提出的相同方法和图7所示的设置，在[15]中考虑了更大范围的频率和温度，以估算ESR和电容。此外，[15]使用以下方法：1）基于正弦波发生器; 2）基于充电/放电电路，并比较每种方法。结论是，对于ESR估计，第一种方法更好，而对应的电容估计不正确。表II总结了所有算法与工作频率之间的比较。根据审查这些算法，可以得出以下结论：
1）为了使用拉普拉斯变换算法，必须满足一定的要求。要求输入电阻R必须比ESR和电容器电抗高两到三倍。否则，拉普拉斯变换算法显示高错误百分比。
2）NR算法是基于迭代的算法，并且根据表II中列出的结果，推荐NR用于频率区域I，因此用于电容估计。
3）DFT算法仅考虑输入和输出电压之间的增益和相位位移的计算中的第一谐波分量，因此需要很少的努力。
4）所有这四种算法都适用于电容器的离线状态监测。
图8.电网和PWM逆变器之间接口的LCL滤波器[19]。
对于图8所示的并网PWM变换器的LCL滤波器，在[18]和[19]中提出了状态监测方法。该方法基于使用滤波电容器工作频率区域中的相应变化，因为电容下降是对健康状态的指示。假设电容减小到初始值的80％，由下降引起的频率由下式计算：
（3）
其中是转换器侧的线路电感，是电网侧的线路电感，是电容的初始值。为了获得老化电容器的频率，将电压以先前计算的频率注入LCL滤波器中的电容器的参考电压。虽然这种方法类似于[20]中提出的方法，因为两者都使用电压注入，不同之处在于测量电容频率的使用并将其与初始频率进行比较以识别电容器的劣化。此外，电容器的更换时间根据以下条件确定：
（alpha; - beta;）ge;80％（4）
其中（alpha;）和（beta;）分别是初始和劣化电容的dB频率幅度。
- 基于PCB的罗氏线圈：
本节总结了基于PCB的罗氏线圈的电容器状态监测。 [6]和[7]中描述的方法基于罗氏电流传感器概念，其中设计的PCB固定到电容器端子以检测电容器的电流和电压。 基于罗氏的方法与[5]中的方法之间的区别在图9中示出。基于罗氏的方法的优点是避免使用广泛的滤波器，因为由电容器汲取的总有功功率由ESR表示。其中，和分别是特定开关频率下的电容器电压和电流。
图9.基于设计PCB的ESR估计的状态监测。
（a）在电容器欧姆频率范围内完成的ESR估计，如图2（b）[5]所示。
（b）基于=线圈电流传感器的ESR估计[6]，[7]。
资料编号：[3506]
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