本文主要是介绍先进电气技术 —— 母线电容器的老化预测，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
在电气工程领域，老化问题是一个常见的问题，诸如电机老化、线路老化、功率开关管老化、直流母线电容器老化以及电池老化等等，因此“对系统器件的寿命预测”成为了工业界和学术界的一个研究热点问题。
一、背景
电容器广泛应用于电力电子变换器的直流环节，用于平衡功率、抑制电压纹波和存储短期能量。直流环节电容器的状态监测对提高电力变换器系统的可靠性具有重要意义。
直流链路电容器是大多数电力电子转换器的重要组成部分，有助于抑制直流链路电压纹波，吸收谐波，并平衡转换器系统前端和后端之间的瞬时功率差。在一些应用中，它们还用于为瞬态和异常操作提供足够的能量。然而，电容器对热应力和电应力敏感，其主要缺点是寿命有限，退化故障率高。转换器中约30%的故障是由电容器退化引起的，这使它们被认为是电力电子系统中最薄弱的环节。
监测电容器的退化状态以及在发生严重退化或故障之前安排维护对于确保直流链路应用的可靠运行和防止可能的灾难性故障具有重要意义。在过去的二十年里，大家做出了许多努力来实现直流链路应用中电容器的状态监测（CM）。其中一些是为从转换器上拆下的电容器设计的，即离线方案。其他方案是在真实系统中现场实施的，即真实在线方案和准在线方案。这里，考虑了不同类型的直流链路应用，如可调速驱动（ASD）系统、光伏（PV）并网逆变器、功率因数校正（PFC）转换器和dc/dc降压升压转换器。
此外，实现方法多种多样。一些方案使用现有的电压和电流信息来监测直流链路电容器，这些信息可以直接从控制器获得。其他是基于从附加硬件电路和传感器采样的信号。一般情况下，状态监测的研究目标和实施方法多种多样。
二、不同类型电容器的老化
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通常，直流链路应用中使用三种类型的电容器，即铝电解电容器（Al Caps）、金属化聚丙烯膜电容器（MPPF Caps）和多层陶瓷电容器（MLC Caps）。
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三种类型的电容器的简化模型，其中C是电容，RESR和LESL表示等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL），Rp表示绝缘电阻。C和RESR是电容器的主要退化指标。
随着直流环节电容器的退化，电容器内部发生了一系列物理和化学变化，这将导致电气参数（例如RESR、C、ZC、DF、Rp）和非电气参数（如重量、结构、内部温度、内部压力）发生变化。
通常，可以选择这些参数作为电容器的劣化指标。直流链路电容器的状态监测程序主要包括两个步骤，即退化指标获取（步骤一）和电容器健康状况评估（步骤二）。研究发现，包括称重仪、X射线图像仪、光学检测仪、声学检测仪、热成像仪等在内的工业仪器被广泛用于获取非电学参数。此外，采用内部温度传感器和内部压力传感器来获得电容器的内部温度和压力。由于电容器的电气参数和非电气参数很容易受到环境温度的影响，这在步骤二中应该考虑。
考虑到电容器的电气特性，不同类型电容器的首选指标及其变化趋势不同。一些电气参数，如ZC、DF和Rp，可以指示电容器的退化，然而，很难测量它们或使用它们来定义电容器的降解水平。它们不是CM的最佳寿命指标。
对于Al-Caps、MPPF Caps和MLC Caps，内部结构的变化可用于状态监测。然而，重量、内部压力和内部温度的变化更适合Al-Caps。通常，电参数可以使用LCR计、阻抗分析仪等进行测量。然而，基于参数估计的方法被广泛用于估计直流链路电容器的电参数，因为在大多数情况下，电容器不需要从转换器上拆卸。
三、电容器老化判断指标
RESR和C是用于电容器状态监测的优选电指示器。总结了Al Caps、MPPF Caps和MLC Caps的典型寿命终止标准，如表所示。
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与电气参数不同，电容器的非电气参数取决于容量、材料、额定电压和电流。因此，在选择非电气参数作为退化指标时，没有统一的电容器寿命终止标准。
通常，有两类方法可用于定义电容器的寿命终止标准。
一种是构造电参数与非电参数之间的关系，即数据转换方法。对于铝盖，电容器重量、内部压力和内部温度是合适的非电气指示器。研究发现，电容器的重量随着电容器的退化而减小，临界重量损失可以定义为RESR增加200%。然而，体重的变化是以毫克为单位的，这需要高精度的测量设备。
另一种基于非电参数的方法是利用电容器的结构变化来识别电容器的故障状态。以基于X射线图像的方法为例，然而，由于结构变化的不确定性，很难建立电学参数与结构变化之间的关系。同样，MLC-Caps和MPPF-Caps的主要物理退化指标是电容器的结构变化，例如，MLC-Caps的内部裂纹。很难建立电参数和非电参数之间的关系。通常使用一些数据训练算法来区分损坏和未损坏的电容器。例如采用一种基于声学检测的方法来检测电容器的微裂纹。基于MLC Caps的声学响应，可以使用支持向量机（SVM）分类器来区分损坏和未损坏的电容器。总之，基于非电气参数的CM方案通常需要高成本的测量仪器。此外，没有统一的报废标准，这不是状态监测的最佳方案。
值得注意的是，电容器的电气参数很容易受到工作频率和环境温度的影响，这需要在状态监测系统中进行校准。通常，转换器中电容器的工作频率取决于已知的开关频率，然而，环境温度正在变化。以Al Caps（型号：SLPX 470μF/450 V）为例，发现C随着环境温度Ta的增加而增加，RESR随着Ta的增加减小。对于SLPX型电容器，Tmin和Tmax分别为−40°C和+85°C。RESR和C在不同频率下的变化是不同的。尽管可以构建RESR、C和Ta之间的关系，但建议在相对较低的温度下监测电容器（例如25°C），因为降解对RESR和C的影响在高温下并不显著。
MPPF Caps和MLC Caps的电容C也受到温度的影响。对于MPPF Caps，温度对C的影响取决于电容器材料。对于聚丙烯（PP）电容器，C随着环境温度的升高而降低。对于聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）电容器，C随着环境温度的升高而增加。
四、电容器老化判断方法
与基于工业仪器测量的方法相比，基于参数估计的方法更经济，可以在不影响功率变换器运行的情况下实现。
根据对电容器模型的依赖性，通常使用两类主要原理来估计直流链路电容器的电气参数。一种是基于电容器阻抗模型来估计参数，另一种是独立于电容器模型。根据所需电信号的类型，第一类原理包括两个子类型，即基于周期性小信号波纹的原理（在这里将其定义为原理一）和基于非周期性大信号充放电轮廓的原理（在这里将其定义为原理二）。第二类原理将电力电子系统视为一个黑匣子，不需要特定的电容器模型和转换器模型。在这里将其定义为原理三（即黑盒模型）。
数据处理是直流环节电容器状态监测的关键环节。使用中值滤波、卡尔曼滤波、小波变换去噪等滤波算法对采样信号进行滤波，然后使用参数估计算法获得电容器参数。关键问题是获得电容器电压和电容器电流的低频或中频分量。通常，使用包括快速傅立叶变换（FFT）算法、离散傅立叶变换（DFT）算法、Goertzel算法等的频率分解算法来提取vCAP和iC的低频或中频分量。基于低频正弦电流注入的方案更适合于电容估计。具有相对较高频率的方波电流更适合于ESR估计。
在工业应用中采用CM方案的关键目标是在没有额外成本和可靠性风险的情况下，即在没有额外硬件电路和传感器的情况下准确估计电容器参数。用于具有充电或放电路径的应用，如ASD系统（电机绕组作为放电路径）。电容器CM的最佳解决方案是在停机或启动过程中构建放电或充电曲线。然后分析充电/放电曲线以估计电容器参数。
1） 对于没有充电或放电路径的应用，如光伏逆变器和PFC转换器，推荐基于电路操作模型的方案和基于信号注入的方案。
2） 对于高频dc/dc转换器，建议在瞬态期间对电容器充电/放电曲线进行参数估计。尽管需要低成本的信号处理电路，但避免了高精度和高频采样设备。
3） 无需额外硬件电路、传感器和外部干扰的数据训练方案对所有类型的直流链路应用都很有吸引力。
电容器监测技术面临的问题：
对于基于非电气参数的CM方案，即基于工业仪器测量的方案，主要挑战是缺乏统一的电容器寿命终止标准。对于基于电参数估计的CM方案，挑战如下：
1） 缺乏对电容器内部温度的准确测量或估计，这对参数校准至关重要。
2） 用于状态监测的额外硬件成本、软件成本或外部干扰。
3） 在恶劣的电磁干扰（EMI）环境中测量电压和电流的噪声，导致RESR或C的估计不准确。
4） 使用大量的采样数据或复杂的处理数据来提高估计精度。
5） 当系统参数变化时，电容器参数的估计不准确。
6） 一种状态监测方案很难扩展到其他类型的直流链路应用。
电容器监测技术发展趋势：
1）进一步研究电容器的磨损机制，以获得基于非电气参数的准确退化模型和寿命终止标准。
2）为实际的工业应用（在恶劣的EMI环境中工作）设计准确的CM方案，而不需要额外的硬件成本和可靠性风险。未来的研究需要提高估计精度，同时降低采样数据和算法的复杂性。
3） 监测电容器的状态，同时监测转换器中的其他关键部件，如半导体开关。
4） 设计适用于所有类型直流链路应用的低成本、高精度CM方案。
5） 用于其他类型电力电子应用的CM方案的研究，如模块化多电平转换器（MMC）中的子模块电容器。
6） 设计具有内置监测组件的新兴电容器，如内部热传感器和压力传感器。
7） 将新兴的人工智能技术应用于电容器的状态监测。
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