[发明专利]一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法

说明书

一种输入串联型模块化DC‑DC变换器输入电容状态监测方法，属于模块化直流变换器技术领域，解决串联系统建模计算量大、建模难度高以及盲目加入高精度传感器导致的电路成本高问题，通过对系统中已存在冗余模块进行投入和切除，引起系统其余模块输入电容电压突变，利用各模块在该瞬态过程中输入电容电压值的变化程度定位输入电容失效的模块，并及时用冗余模块替换该故障模块；充分运用模块化DC‑DC系统易于冗余的特点，全过程无需停机，无需引入额外传感器，可在系统长期运行过程中规律性地重复进行，每次进行监测的环境温度与负载状况可控，动态过程所引入的电压突变大小一致，所得数据量大且置信度高，有效保障结果的准确性，提高系统运行可靠性。

技术领域

本发明属于模块化直流变换器技术领域，具体涉及一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法。

背景技术

输入串联型模块化DC-DC变换器广泛应用于各类高压大功率直流功率变换场合，例如直流固态变压器，高压牵引变流器辅助电源等。输入串联型模块化DC-DC变换器各模块输入侧的直流电容起到功率解耦，抑制直流电压脉动以及掉电保护等重要功能。而在系统运行过程中，该电容值会随着电解液的蒸发而不断减小，因此实时在线监测各模块输入电容的健康状态对于系统的健康、安全运行具有重要意义。

并联型模块化DC-DC变换器的各模块电容实质上可以等效为1个大电容，不同于并联型模块化DC-DC变换器，串联型模块化DC-DC变换器，因为各模块的输入侧电容各自独立，其特性各不相同。现有技术针对输入侧电容的在线状态监测主要围绕各类单个变换器开展，在多模块系统中，往往沿用单一场合下的思路，主要采用以下三类技术路线：

1)基于电容电流传感器的方法，该类方法需要添加额外的传感器，硬件成本高昂，且破坏原有电路结构；2)基于电路模型分析的方法，即围绕电容列写电路方程，从中解出相关参数的表达式，但该方法需检测电容的纹波电压脉动，而纹波电压脉动一般仅为额定输出的1％，且脉动频率为开关频率，现有传感器难以准确测量；文献“DCM Flyback变换器输出电解电容在线监测研究，南京理工大学，李辉，2017年1月”公开了一种DCM Flyback变换器输出电解电容容值和ESR的计算方法(具体参见该文献第25-26页的图3.5和图3.6)，该文献的核心思想是监测直流电压纹波，得到一个开关周期内若干特征点的值，根据所建立的模型表达式，进行容值和ESR的计算。不足之处在于：纹波监测难度太大，需设计复杂的电路，对于多模块系统，则监测的成本成倍提升。且该电路本身亦会引入可靠性的问题；3)基于信号注入的方法，即对电路注入具有特征频率和幅度的信号，以放大某些电信号，使之易于准确采集，但该方法会对主电路波形质量产生影响。

为了在线提取有效电信息判断电容健康状态，文献“Buiatti G M,-RamosJ A,Amaral AM R,et al.Condition monitoring of metallized polypropylene filmcapacitors in railway power trains[J].IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement,2009,58(10):3796-3805.”采取在系统停机过程中进行测试，但每次停机只能得到一组数据，难以做综合准确判断，且在很多场合频繁的停机并不现实；文献“Nakao H,Yonezawa Y,Sugawara T,et al.Online evaluation method of electrolyticcapacitor degradation for digitally controlled SMPS failure prediction[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33(3):2552-2558.”提出在系统负载变化过程中监测输出电压突变值，但由于各次负载变化大小不定，且产生时刻随机，将严重影响所得数据的可信度。