CN111505524B - 级联变换器的在线监测方法及所适用的级联变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种级联变换器的在线监测方法及所适用的级联变换器，其在无需增加母线电容的电流传感器的情况下，通过采集级联变换器的单相级联模块的级联单元的母线电容的电压及单相级联模块的级联侧电流，及利用单相级联模块的各级联单元的母线电容在二倍开关频率处纹波电流的幅值和相位关系，进而可得到单相级联模块的所有级联单元的母线电容的电容值C和等效串联电阻ESR，借此实现母线电容的参数的实时监测，如此一来，即可及时反映母线电容的老化程度，避免母线电容老化失效故障的发生，所以提高了级联变换器的可靠性。

Description

级联变换器的在线监测方法及所适用的级联变换器
技术领域
本发明涉及一种级联变换器，尤其涉及一种级联变换器的在线监测方法及所适用的级联变换器。
背景技术
级联变换器多用于工业高压领域，因此一旦级联变换器发生故障，将造成严重的后果，所以如何提高级联变换器的可靠性便为目前设计的重点。级联变换器发生故障主要由主功率器件引起，而电解电容作为级联变换器重要的功率器件，相较于其他功率半导体器件，电解电容的使用寿命较短，且成本较高，因此如何最大化利用电解电容并及时判断电解电容是否失效极为重要。
电解电容可以由电容值C及等效串联电阻ESR的电容参数表示，现有的监测方法大多通过估算上述两种参数，来判定电解电容是否已老化失效，因在电解电容运行过程中，随着运行时间越久，电容中的电解液越浓稠，导致电解电容的电容值C逐渐变小，而等效串联电阻ESR逐渐变大，当电容值C降为出厂值的80％或者等效串联电阻ESR增加为出厂值的2～3倍时，则认为电解电容已老化失效。
电解电容的传统监测方法主要分为两类，即离线监测方法及在线监测方法。其中离线监测方法将外部硬件电路与被检测的电解电容重组为一个新的重组电路，再利用信号发生器及功率放大器向重组电路注入信号，进而通过检测电解电容的电流及电压并分析其幅值和相位，借此可简单求出电解电容的电容值C及等效串联电阻ESR。然而离线监测方法虽具有实现简单，不占用级联变变换器的控制***资源等优点，但却需增加额外的硬件电路，且级联变换器需停机监测，实时性较差。
鉴于离线监测方法的缺点，基于设备可正常运行的在线监测方法便被提出，其中在线监测方法可例如通过监测电解电容的电压及电流，以利用简单的数学运算得到级联变换器的总输出功率及总输出电流，再经过低通滤波器后，即可利用两者相除得到等效串联电阻ESR。虽然在线监测方法可以简单的在线测量电解电容的电等效串联电阻ESR，但需增加监测电解电容的电流传感器，且对级联变换器来说，电压等级越高，需要增加的电流传感器越多，监测成本越高，同时可能影响单元内部的结构，实用性差。
因此，如何发展一种克服上述缺点的级联变换器的在线监测方法及所适用的级联变换器，实为目前迫切的需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种级联变换器的在线监测方法及所适用的级联变换器，其在无需增加母线电容的电流传感器的情况下，通过采集级联变换器的单相级联模块的级联单元的母线电容的电压及单相级联模块的交流侧电流，及利用单相级联模块的各级联单元的母线电容在二倍开关频率处纹波电流的幅值和相位关系，进而可得到单相级联模块的所有级联单元的母线电容的电容值C和电等效串联电阻ESR，借此实现母线电容的参数的实时监测，如此一来，即可及时反映母线电容的老化程度，避免母线电容老化失效故障的发生，所以提高了级联变换器的可靠性。
为达上述的目的，本发明的一较佳实施例为提供一种级联变换器的在线监测方法，其中级联变换器包含至少一组单相级联模块，每一单相级联模块包含多个级联单元，每一级联单元包含串联连接的AC/DC变换电路和母线电容，且每一单相级联模块的所有AC/DC变换电路的交流侧级联以构成单相级联模块的级联侧，在线监测方法包含：从多个级联单元中选择一个级联单元构成第一待测级联单元，并采样第一待测级联单元的母线电容的电压；对采样所得到的第一待测级联单元的母线电容的电压进行快速傅立叶变换分析，以得出第一待测级联单元的母线电容在二倍开关频率处的第一纹波电压的幅值和相位；采样第一待测级联单元对应的单相级联模块的级联侧电流，以利用采样所得到的级联侧电流与第一待测级联单元的AC/DC变换电路的开关信号，得出第一电流；对第一电流进行快速傅立叶变换分析，以得出第一待测级联单元的母线电容在二倍开关频率处的第一纹波电流的幅值和相位；以及利用第一纹波电压的幅值和相位以及第一纹波电流的幅值和相位，得出第一待测级联单元的母线电容的第一等效串联电阻值和第一电容值。
为达上述的目的，本发明的另一较佳实施例为提供一种级联变换器，包含：至少一组单相级联模块，每一单相级联模块包含多个级联单元，每一级联单元包含串联连接的AC/DC变换电路和母线电容，且每一单相级联模块的所有AC/DC变换电路的交流侧级联，以构成单相级联模块的级联侧，其中单相级联模块的多个级联单元的其中之一级联单元构成第一待测级联单元；电流采样电路，与第一待测级联单元对应的单相级联模块的级联侧电连接，用以采样第一待测级联单元对应的单相级联模块的级联侧电流；电压采样电路，与第一待测级联单元电连接，用以采样第一待测级联单元的母线电容的电压；以及检测电路，检测电路与电流采样电路及电压采样电路电连接，以利用采样所得到的级联侧电流、采样所得到的第一待测级联单元的母线电容的电压及第一待测级联单元的AC/DC变换电路的开关信号，计算第一待测级联单元的母线电容的第一等效串联电阻值和第一电容值。
附图说明
图1为本发明第一较佳实施例的级联变换器的电路结构示意图；
图2为图1所示的级联变换器的每一级联单元的一种电路结构示意图；
图3为本发明第二较佳实施例的级联变换器的电路结构示意图；
图4为图3所示的级联变换器的每一级联单元的一种电路结构示意图；
图5为图1或图3所示的单相级联模块的多个级联单元之间的载波相位关系图；
图6为级联变换器的在线监测方法的第一实施例的步骤流程图；
图7为级联变换器的在线监测方法的第二实施例的步骤流程图；
图8A及图8B为级联变换器的在线监测方法的第三实施例的步骤流程图；
图9A及图9B为级联变换器的在线监测方法的第四实施例的步骤流程图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其均不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明的用，而非限制本发明。
请参阅图1及图2，其中图1为本发明第一较佳实施例的级联变换器的电路结构示意图，图2为图1所示的级联变换器的每一级联单元的一种电路结构示意图。如图所示，本实施例的级联变换器1包含至少一组单相级联模块2、电流采样电路3、电压采样电路4以及检测电路5。其中单相级联模块2的个数可对应于级联变换器1所传送的电源的相数，例如图1所示，当级联变换器1的负载9的相数为三相时，级联变换器1则可包含三组单相级联模块2。单相级联模块2包含多个串联连接的级联单元20，每一级联单元20包含为串联连接的AC/DC变换电路200和母线电容Cbus，AC/DC变换电路200根据其对应的开关信号实现直流电能和交流电能之间的转换，其中母线电容Cbus例如为电解电容，但不以此为限。每一单相级联模块2的所有AC/DC变换电路200的交流侧彼此级联，以构成单相级联模块2的级联侧，单相级联模块2的级联侧可连接至负载9。另外，单相级联模块2的多个级联单元20的其中之一级联单元20可构成第一待测级联单元，例如图1所标示的第一待测级联单元A，以借助后续提及在线监测方法来监测第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电容参数。
电流采样电路3与第一待测级联单元A所对应的单相级联模块2的级联侧电连接，用以采样第一待测级联单元A所对应的单相级联模块2的级联侧电流isa，也即该单相级联模块2的每一级联单元的每一AC/DC变换电路200的交流侧电流。电压采样电路4与第一待测级联单元A电连接，用以采样第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电压。
检测电路5与电流采样电路3及电压采样电路4电连接，以利用电流采样电路3所采样到的级联侧电流、电压采样电路4所采样到的第一待测级联单元A的母线电容Cbus电压及第一待测级联单元A的AC/DC变换电路200的开关信号，计算第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电容值。于本发明的部分实施例中，级联变换器可包含控制电路，控制电路连接至电流采样电路3及电压采样电路4，并发送开关信号至AC/DC变换电路，检测电路5集成于控制电路中，但本发明不以此为限。
当然，于其它实施例中，若需要以后续提及的在线监测方法来监测第一待测级联单元A以外的其它级联单元的母线电容Cbus的电容值，可例如从单相级联模块2除了第一待测级联单元A以外的其余级联单元20中选择一级联单元20来构成第二待测级联单元，例如图1所标示的第二待测级联单元B，进而以后续提及的在线监测方法来监测第二待测级联单元B的电容参数。此外，电压采样电路4还可与第二待测级联单元B电连接，用以采样第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压，因此检测电路5还可利用电流采样电路3所采样到的级联侧电流、电压采样电路4所采样到的第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压及第二待测级联单元B的AC/DC变换电路200开关信号，计算第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电容值，而剩余的级联单元的电容参数则可通过以此类推来求得。
于一些实施例中，级联变换器采用载波移相的调制方式，请参阅图5，其为图1或图3所示的单相级联模块的多个级联单元之间的载波相位关系图。如图所示，单相级联模块2的多个级联单元20(于此暂定N个级联单元20)的载波彼此之间存在相位差，其中图5标示a为单相级联模2的第一个级联单元20的载波，图5标示b为单相级联模块2的第二个级联单元20的载波，图5标示c为单相级联模2的第N个级联单元20的载波，即单相级联模块2的相邻的两个级联单元20的载波相位差为Δθ，则第一个级联单元20与第N个级联单元20的载波相位差为(N-1)Δθ。检测电路5可利用采样所得到的级联侧电流isa、采样所得到的第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压，以及第二待测级联单元B相较于第一待测级联单元A的载波相位差计算得到第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电容。
于本实施例中，每一AC/DC变换电路200可为H桥电路，即包含H桥开关电路，H桥开关电路包含第一桥臂以及第二桥臂，其中第一桥臂包含串联连接的第一开关S1及第二开关S2，第二桥臂包含串联连接的第三开关S3及第四开关S4，且每一桥臂上的两个开关管互补导通，所以检测电路5可接收H桥开关电路的第一桥臂和第二桥臂的上桥臂的开关信号(以下称第一开关信号及第二开关信号)。于另一些实施例中，每一AC/DC变换电路200还可以为半桥电路等其他桥式电路，检测电路5可对应接收其开关信号
于上述实施中，如图1所示，级联变换器1可为一高压变频器，级联变换器1的各级联单元20分别与变压器T电连接，变压器T和一输入电源电连接，以实现输入电源和负载9的能量转换。如图2所示，每一级联单元20还包含整流电路201，整流电路201串联于变压器T和母线电容Cbus之间。图2所示的整流电路201为三相全桥整流电路，于本公开的其他实施例中，整流电路201也可以为单相整流电路，即整流电路201的类型和变压器T的类型相对应。当然级联变换器1并不局限于高压变频器，请参阅图3及图4，其中图3为本发明第二较佳实施例的级联变换器的一种电路结构示意图，图4为图3所示的每一级联单元的电路结构示意图。如图3所示，于其它实施例中，级联变换器1也可为电力电子变压器的前级拓扑，而图3所示的级联变换器1的每一单相级联模块2的所有级联单元20的AC/DC变换电路200的交流侧级联以构成该单相级联模块的级联侧，且每一级联侧均与一单相电源P、电感L及电阻R电连接，其中由于图2所示的级联单元20的电路架构与图4所示的级联单元20的电路架构仅差异在整流电路201的有无，所以图4于此仅以与图2相同的标号来标示组件的功能与作动相似，而不再赘述。
以下将进一步解释级联变换器1的在线监测方法的原理及步骤。请参阅图6并配合图1、图2或图3、图4，其中图6为级联变换器的在线监测方法的第一实施例的步骤流程，可适用于图1或图3所示的级联变换器。
其中第一待测级联单元A的母线电容Cbus的阻抗特性X1(s)可由下式表示：
Figure GDA0003732116340000061
其中s表示拉普拉斯算子，C1表示第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电容值，ESR1表示第一待测级联单元A的母线电容Cbus的等效串联电阻，
Figure GDA0003732116340000062
为第一待测级联单元A的母线电容Cbus两端的频率为2fs的电压，Udc-sf1和α1分别为电压
Figure GDA0003732116340000063
的幅值和相位，
Figure GDA0003732116340000064
为流过第一待测级联单元A的母线电容Cbus的频率为2fs的电流，Ic-sf1和
Figure GDA0003732116340000065
分别为
Figure GDA0003732116340000066
的幅值和相位，fs为第一待测级联单元A的AC/DC变换电路200的开关频率。
在图2或者图4中，AC/DC变换电路200的H桥开关电路201的交流侧与直流侧的电流分别为isa和is1，在开关S1-S4切换动作过程中，交流侧电流isa(即第一待测级联单元A对应的单相级联模块2的级联侧电流)与直流侧电流is1存在如下关系：
is1＝(Sa-Sb)*isa (b)
其中Sa、Sb为H桥开关电路201的第一开关信号以及第二开关信号，Sa＝1代表第一开关S1开通，第二开关S2关断，Sa＝0代表第一开关S1关断，第二开关S2开通，Sb＝1代表第三开关S3开通，第四开关S4关断，Sb＝0代表第三开关S3关断，第四开关S4开通。于其他实施例中，当AC/DC变换电路200为半桥电路等其他桥式电路时，本领域技术人员也应当知晓，也可以根据级联侧电流和开关信号得到直流侧电流。
如图2或图4所示，流过母线电容Cbus的二倍开关频率的纹波电流
Figure GDA0003732116340000071
全部由直流侧电流is1中二倍开关频率(2fs)的纹波电流
Figure GDA0003732116340000072
提供，所以二者之间的关系如下：
Figure GDA0003732116340000073
由公式(a)可知，要计算母线电容Cbus的电容参数，即电容值C1及等效串联电阻ESR1，必须先计算出电压
Figure GDA0003732116340000074
及电流
Figure GDA0003732116340000075
因此本发明级联变换器1的在线监测方法乃是利用公式(a)、(b)及(c)来得到母线电容Cbus的电容值C1及等效串联电阻ESR1，即如图6所示，首先执行步骤S1，从多个级联单元20中选择一个级联单元20构成第一待测级联单元A，并采样第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电压。其中在步骤S1中，可利用电压采样电路4来采样第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电压。
接着，执行步骤S2，对采样所得到的第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电压进行快速傅立叶变换分析，以得出第一待测级联单元A的母线电容Cbus在二倍开关频率处的第一纹波电压(即
Figure GDA0003732116340000076
)幅值和相位。其中在步骤S2中，可利用检测电路5对采样所得到的第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电压进行快速傅立叶变换分析。
然后，执行步骤S3，采样第一待测级联单元A对应的单相级联模块2的级联侧电流isa，检测电路5利用采样所得到的级联侧电流isa与第一待测级联单元A的AC/DC变换电路200的开关信号，得出第一电流，即AC/DC变换电路200的直流侧电流is1。其中在步骤S3中，可利用电流采样电路3来采样第一待测级联单元A对应的单相级联模块2的级联侧电流isa。
接着，执行步骤S4，对第一电流进行快速傅立叶变换分析，以得出流过第一待测级联单元A的母线电容Cbus且为二倍开关频率(2fs)的纹波电流
Figure GDA0003732116340000077
的幅值和相位。由公式(c)可得知，在步骤S4中，第一电流is1中二倍开关频率(2fs)的纹波电流
Figure GDA0003732116340000081
等于流过母线电容(Cbus)且为二倍开关频率(2fs)的第一纹波电流
Figure GDA0003732116340000082
其中在步骤S4中，可利用检测电路5对第一电流进行快速傅立叶变换分析。
最后，执行步骤S5，利用第一纹波电压的幅值和相位以及第一纹波电流的幅值和相位，得出第一待测级联单元A的母线电容Cbus的第一等效串联电阻值和第一电容值。其中在步骤S5中，可利用检测电路5，根据公式(a)来得出第一待测级联单元A的母线电容Cbus的第一等效串联电阻值和第一电容值。
于其他实施例中，在步骤S2及步骤S4中，也可通过快速傅里叶分析，得出第一待测级联单元的母线电容的电压及电流在其他频次下的高频纹波分量并根据阻抗关系计算母线电容，其他步骤及原理类似于图6所示的监测方法，不再赘述。
由上可知，本发明的级联变换器的在线监测方法及所适用的级联变换器在无需增加母线电容Cbus的电流传感器的情况下，通过采集级联变换器1的单相级联模块2的第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电压及单相级联模块2的级联侧电流，进而可得第一待测级联单元A的母线电容Cbus的电容参数，即等效串联电阻ESR和电容值C，借此可实现母线电容Cbus的电容参数的实时监测，如此一来，即可利用第一等效串联电阻值和第一电容值来即时反映母线电容的老化程度，进而避免母线电容老化失效故障的发生，所以提高了级联变换器1的可靠性。
请参阅图7，其为级联变换器的在线监测方法的第二实施例的步骤流程图，可适用于图1或图3所示的级联变换器。如图所示，本实施例的级联变换器的在线监测方法的步骤S1至步骤S5相同于图6所示的步骤S1至步骤S5，所以于此不再赘述，然而本实施例中，当步骤S5执行完后，还执行步骤S6，即检测电路5比较第一等效串联电阻值与第一待测级联单元A的母线电容Cbus的初始等效串联电阻值，并比较第一电容值与第一待测级联单元A的母线电容Cbus的初始电容值，以监测第一待测级联单元A的母线电容Cbus是否老化。
请参阅图8A、图8B并配合图1、图2或图3、图4，其中图8A及图8B为级联变换器的在线监测方法的第三实施例的步骤流程图，可适用于图1或图3所示的级联变换器。如图所示，针对第二部分，即针对除了第一待测级联单元A外的剩余级联单元20的等效串联电阻ESR和电容值C，则可利用类似于图6所示的求得第一待测级联单元A的母线电容Cbus的第一等效串联电阻值和第一电容值的方式来求得，因此在图8A、图8B中，级联变换器1的在线监测方法的步骤S1至步骤S5相同于图6所示的步骤S1至步骤S5，而在本实施例中，当S5执行完后，则执行步骤S6，从第一待测级联单元A所在的单相级联模块2中，选择另一级联单元20构成第二待测级联单元B，并采样第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压。
接着，执行步骤S7，对采样所得到的第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压进行快速傅立叶变换分析，以得出第二待测级联单元B的母线电容Cbus在二倍的第二开关频率处的第二纹波电压幅值和相位。该第二开关频率指第二待测级联单元B的AC/DC变换电路的开关频率，其可以和第一待测级联单元A的AC/DC变换电路的开关频率相同，亦可以不同。
然后，执行步骤S8，利用采样所得到的级联侧电流isa与第二待测级联单元B的AC/DC变换电路200的开关信号，得出第二电流。
接着，执行步骤S9，对第二电流进行快速傅立叶变换分析，以得出流过第二待测级联单元B的母线电容且为二倍的第二开关频率的第二纹波电流的幅值和相位。
最后，执行步骤S10，利用第二纹波电压的幅值和相位以及第二纹波电流的幅值和相位，以得出第二待测级联单元B的母线电容Cbus的第二等效串联电阻值和第二电容值。其中，在步骤S6至步骤S10中，类似于第一待测级联单元A的母线电容的检测方法，可利用电流采样电路3、电压采样电路4及检测电路5来执行上述步骤。
当然，针对除了第一待测级联单元A外的剩余级联单元20的等效串联电阻ESR和电容值的C，除了图8A、图8B所示在线监测方法可求得，也可采用图9A及图9B所示的线监测方法来求得。请参阅图9A及图9B并配合图1、图2或图3、图4，其中图9A及图9B为级联变换器的在线监测方法的第四实施例的步骤流程图。在本实施例中，级联变换器采用载波移相的调制方式，每一级联模块的每一AC/DC变换电路的开关频率相同，且AC/DC变换电路为H桥电路。
如图所示，首先，由除了第一待测级联单元A外的剩余级联单元20中任意一个级联单元20构成第二待测级联单元B，而第二待测级联单元B的母线电容Cbus的阻抗特性Xn(s)可由下式表示：
Figure GDA0003732116340000101
其中s表示拉普拉斯算子，Cn表示第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电容值，ESRn表示第二待测级联单元B的母线电容Cbus的等效串联电阻，
Figure GDA0003732116340000102
为第二待测级联单元B的母线电容Cbus两端的电压，其频率为2fs，Udc-sfn和αn分别为电压
Figure GDA0003732116340000103
的幅值和相位，
Figure GDA0003732116340000104
为流过第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电流，其频率为2fs，其中Ic-sfn和
Figure GDA0003732116340000105
分别为
Figure GDA0003732116340000106
的幅值和相位，fs为第一待测级联单元A的AC/DC变换电路200的开关频率，也即第二待测级联单元B的AC/DC变换电路200的开关频率。
如图1、图3、图5所示，级联变换器1采用级联拓扑结构，单相级联模块2中的所有级联单元20流过的交流电流相同，且级联变换器1采用载波移相调制方式，其中第二待测级联单元B相较于第一待测级联单元A的载波的排序差值为n，n为不等于零的整数。具体地，当第二待测级联单元B的载波滞后于第一待测级联单元时，n为正整数，当第二待测级联单元B的载波超前于第一待测级联单元A时，n为负整数。因此流过第二待测级联单元B的母线电容Cbus的二倍开关频率的第二纹波电流
Figure GDA0003732116340000107
的瞬时值ic-sfn为：
Figure GDA0003732116340000108
其中Isa为级联侧电流isa峰值，ma为调制比，J为贝塞尔函数，
Figure GDA0003732116340000109
为单相级联模块2的级联侧的功率因数角，ωc载波角频率，n为第二待测级联单元B相较于第一待测级联单元A的载波的排序差值，Δθ为相邻载波间的相位差。
由上可知，任意级联单元20的母线电容Cbus的二倍开关频率的纹波电流相位只与其载波相位有关，其幅值一样，所以只需求取其中一个级联单元的母线电容Cbus的二倍频开关频率的纹波电流，即可求得其它级联单元20的母线电容Cbus的二倍开关频率的纹波电流，换言之，只要以第一待测级联单元A的母线电容Cbus二倍开关频率的纹波电流
Figure GDA00037321163400001010
为基准，并配合载波相位的差异，即可求得其它级联单元20，例如第二待测级联单元B的母线电容Cbus的二倍开关频率的纹波电流。
因此在图9A及图9B中，级联变换器1的在线监测方法的步骤S1至步骤S5仍相同于图6所示的步骤S1至步骤S5，而当图9A及图9B所示知步骤S5执行完后，则执行步骤S6，从第一待测级联单元A对应的单相级联模块2中，选择另一级联单元20构成第二待测级联单元B，并采样第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压，其中第二待测级联单元B相较于第一待测级联单元A的载波的排序差值为n，n为不等于零的整数。其中在步骤S6中，可利用电压采样电路4采样第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压。
接着，执行步骤S7，对采样所得到的第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压进行快速傅立叶变换分析，以得出第二待测级联单元B的母线电容Cbus在二倍开关频率处的第二纹波电压的幅值和相位。
然后，执行步骤S8，由第一纹波电流的幅值得到流过第二待测级联单元B的母线电容Cbus且为二倍开关频率的第二纹波电流的幅值，并将第一待测级联单元A的第一纹波电流的相位减去2n×Δθ，以得到第二纹波电流的相位，其中Δθ为相邻的两个该级联单元的该H桥电路的载波的相位差，n为第二待测级联单元B相较于第一待测级联单元A的载波的排序差值。
最后执行步骤S9，利用第二纹波电压的幅值和相位以及第二纹波电流的幅值和相位，得出第二待测级联单元B的母线电容Cbus的第二等效串联电阻值和第二电容值。
由上可知，检测电路5可利用采用所得到的级联侧电流isa、采样所得到的第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电压，以及第二待测级联单元B相较于第一待测级联单元A的载波相位差计算得到第二待测级联单元B的母线电容Cbus的电容值。
由于图9A及图9B所示的级联变换器的在线监测方法是由第一纹波电流的幅值直接得到流过第二待测级联单元B的母线电容Cbus且为二倍开关频率的第二纹波电流的幅值，同时将第一待测级联单元A的第一纹波电流的相位减去2n×Δθ，以得到第二纹波电流的相位，而无须如图8A、图8B所示须利用电流采样电路3采样所得到的级联侧电流isa与第二待测级联单元B的AC/DC变换电路200的开关信号，得出第二电流，再由第二电流进行快速傅立叶变换分析，才能得出第二电流中为二倍开关频率的第二纹波电流的幅值和相位，因此图9A及图9B所示的级联变换器的在线监测方法相较于图8A、图8B所示的级联变换器的在线监测方法其步骤较为简单。
综上所述，本发明提供一种级联变换器的在线监测方法及所适用的级联变换器，其在无需增加母线电容的电流传感器的情况下，通过采集级联变换器的单相级联模块的第一待测级联单元的母线电容的电压及单相级联模块的级联侧电流，及利用第一待测级联单元的母线电容在二倍开关频率处纹波电流的幅值和相位关系，进而可得第一待测级联单元的母线电容的电容参数，即等效串联电阻和电容值，借此可实现母线电容的电容参数的实时监测，如此一来，即可利用第一等效串联电阻值和第一电容值来即时反映母线电容的老化程度，进而避免母线电容老化失效故障的发生，所以提高了级联变换器的可靠性。

Claims (10)

1.一种级联变换器的在线监测方法，其中该级联变换器包含至少一组单相级联模块，每一该单相级联模块包含多个级联单元，每一该级联单元包含串联连接的一AC/DC变换电路和一母线电容，且每一该单相级联模块的所有该AC/DC变换电路的交流侧级联以构成该单相级联模块的级联侧，该在线监测方法包含：
从多个该级联单元中选择一个该级联单元构成一第一待测级联单元，并采样该第一待测级联单元的该母线电容的电压；
对采样所得到的该第一待测级联单元的该母线电容的该电压进行快速傅立叶变换分析，以得出该第一待测级联单元的该母线电容在二倍开关频率处的一第一纹波电压的幅值和相位；
采样该第一待测级联单元对应的该单相级联模块的一级联侧电流，以利用采样所得到的该级联侧电流与该第一待测级联单元的该AC/DC变换电路的一开关信号，得出一第一电流；
对该第一电流进行快速傅立叶变换分析，以得出流过该第一待测级联单元的该母线电容且为二倍该开关频率的一第一纹波电流的幅值和相位；以及
利用该第一纹波电压的幅值和相位以及该第一纹波电流的幅值和相位，得出该第一待测级联单元的该母线电容的一第一等效串联电阻值和一第一电容值。
2.如权利要求1所述的级联变换器的在线监测方法，其中该AC/DC变换电路为一H桥电路，且该级联变换器的调制方式采用载波移相，该在线监测方法还包含：
从该第一待测级联单元对应的该单相级联模块中，选择另一该级联单元构成一第二待测级联单元，并采样该第二待测级联单元的该母线电容的电压，其中该第二待测级联单元相较于该第一待测级联单元的载波的排序差值为n，n为不等于零的整数；
对采样所得到的该第二待测级联单元的该母线电容的该电压进行快速傅立叶变换分析，以得出该第二待测级联单元的该母线电容在二倍该开关频率处的一第二纹波电压的幅值和相位；
由该第一纹波电流的幅值得到流过该第二待测级联单元的该母线电容且为二倍该开关频率的一第二纹波电流的幅值，并将该第一待测级联单元的该第一纹波电流的相位减去2n×Δθ，以得到该第二纹波电流的相位，其中Δθ为相邻的两个该级联单元的该H桥电路的载波的相位差；以及
利用该第二纹波电压的幅值和相位以及该第二纹波电流的幅值和相位，得出该第二待测级联单元的该母线电容的一第二等效串联电阻值和一第二电容值。
3.如权利要求1所述的级联变换器的在线监测方法，其中该在线监测方法还包含：
从该第一待测级联单元所在的该单相级联模块中，选择另一该级联单元构成一第二待测级联单元，并采样该第二待测级联单元的该母线电容的电压；
对采样所得到的该第二待测级联单元的该母线电容的该电压进行快速傅立叶变换分析，以得出该第二待测级联单元的该母线电容在二倍该开关频率处的一第二纹波电压的幅值和相位；
利用该级联侧电流与该第二待测级联单元的该AC/DC变换电路的一开关信号，得出一第二电流；
对该第二电流进行快速傅立叶变换分析，以得出流过该第二待测级联单元的该母线电容且为二倍第二开关频率的一第二纹波电流的幅值和相位；以及
利用该第二纹波电压的幅值和相位与该第二纹波电流的幅值和相位，得出该第二待测级联单元的该母线电容的一第二等效串联电阻值和一第二电容值。
4.如权利要求2所述的级联变换器的在线监测方法，其中该级联变换器的调制方式采用载波移相正弦波脉宽调制。
5.如权利要求1所述的级联变换器的在线监测方法，其中该在线监测方法还包含：
比较该第一等效串联电阻值与该第一待测级联单元的该母线电容的一第一初始等效串联电阻值，并比较该第一电容值与该第一待测级联单元的该母线电容的一第一初始电容值，以监测该第一待测级联单元的该母线电容是否老化。
6.一种级联变换器，包含：
至少一组单相级联模块，每一该单相级联模块包含多个级联单元，每一该级联单元包含串联连接的一AC/DC变换电路和一母线电容，且每一该单相级联模块的所有该AC/DC变换电路的交流侧级联，以构成该单相级联模块的级联侧，其中该单相级联模块的多个该级联单元的其中的一该级联单元构成一第一待测级联单元；
一电流采样电路，与该第一待测级联单元对应的该单相级联模块的级联侧电连接，用以采样该第一待测级联单元对应的该单相级联模块的一级联侧电流；
一电压采样电路，与该第一待测级联单元电连接，用以采样该第一待测级联单元的该母线电容的电压；以及
一检测电路，该检测电路与该电流采样电路及该电压采样电路电连接，以利用采样所得到的该级联侧电流、采样所得到的该第一待测级联单元的该母线电容的电压及该第一待测级联单元的该AC/DC变换电路的一开关信号，计算该第一待测级联单元的该母线电容的一第一等效串联电阻值和一第一电容值；
其中该级联变换器的调制方式采用载波移相，该AC/DC变换电路为一H桥电路，且该单相级联模块除了该第一待测级联单元以外的其余该级联单元的其中之一该级联单元构成一第二待测级联单元，该电压采样电路和该第二待测级联单元电连接，用以采样该第二待测级联单元的该母线电容的电压，其中该检测电路利用采样所得到的该级联侧电流、采样所得到的该第二待测级联单元的该母线电容的该电压，以及该第二待测级联单元相较于该第一待测级联单元的载波相位差计算得到该第二待测级联单元的该母线电容的一第二等效串联电阻值和一第二电容值。
7.如权利要求6所述的级联变换器，其中每一该级联单元还包含一整流电路，该整流电路与该母线电容串联连接。
8.一种级联变换器，包含：
至少一组单相级联模块，每一该单相级联模块包含多个级联单元，每一该级联单元包含串联连接的一AC/DC变换电路和一母线电容，且每一该单相级联模块的所有该AC/DC变换电路的交流侧级联，以构成该单相级联模块的级联侧，其中该单相级联模块的多个该级联单元的其中的一该级联单元构成一第一待测级联单元；
一电流采样电路，与该第一待测级联单元对应的该单相级联模块的级联侧电连接，用以采样该第一待测级联单元对应的该单相级联模块的一级联侧电流；
一电压采样电路，与该第一待测级联单元电连接，用以采样该第一待测级联单元的该母线电容的电压；以及
一检测电路，该检测电路与该电流采样电路及该电压采样电路电连接，以利用采样所得到的该级联侧电流、采样所得到的该第一待测级联单元的该母线电容的电压及该第一待测级联单元的该AC/DC变换电路的一开关信号，计算该第一待测级联单元的该母线电容的一第一等效串联电阻值和一第一电容值；
其中该级联变换器以一在线监测方法计算得到该第一待测级联单元的该母线电容的该电容值，其中该在线监测方法包含：
对采样所得到的该第一待测级联单元的该母线电容的该电压进行快速傅立叶变换分析，以得出该第一待测级联单元的该母线电容在二倍开关频率处的一第一纹波电压的幅值和相位；
利用采样所得到的该级联侧电流与该第一待测级联单元的该AC/DC变换电路的该开关信号，得出一第一电流；
对该第一电流进行快速傅立叶变换分析，以得出流过该第一待测级联单元的该母线电容且为二倍该开关频率的一第一纹波电流的幅值和相位；
利用该第一纹波电压的幅值和相位以及该第一纹波电流的幅值和相位，得出该第一待测级联单元的该母线电容的该第一等效串联电阻值和该第一电容值。
9.如权利要求8所述的级联变换器，该级联变换器的调制方式采用载波移相，该AC/DC变换电路为一H桥电路，其中该在线监测方法还包含：
从该第一待测级联单元对应的该单相级联模块中，选择另一该级联单元构成一第二待测级联单元，并采样该第二待测级联单元的该母线电容的电压，其中该第二待测级联单元相较于该第一待测级联单元的载波的排序差值为n，n为不等于零的整数；
对采样所得到的该第二待测级联单元的该母线电容的电压进行快速傅立叶变换分析，以得出该第二待测级联单元的该母线电容在二倍该开关频率处的一第二纹波电压的幅值和相位；
由该第一纹波电流的幅值得到流过该第二待测级联单元的该母线电容且为二倍该开关频率的一第二纹波电流的幅值，并将该第一待测级联单元的该第一纹波电流的相位减去2n×Δθ，以得到该第二纹波电流的相位，其中Δθ为相邻的两个该级联单元的该H桥电路的载波的相位差；以及
利用该第二纹波电压的幅值和相位以及该第二纹波电流的幅值和相位，得出该第二待测级联单元的该母线电容的一第二等效串联电阻值和一第二电容值。
10.如权利要求8所述的级联变换器，其中该在线监测方法还包含：
从该第一待测级联单元所在的该单相级联模块中，选择另一该级联单元构成一第二待测级联单元，并采样该第二待测级联单元的该母线电容的电压值；
对采样所得到的该第二待测级联单元的该母线电容的电压值进行快速傅立叶变换分析，以得出该第二待测级联单元的该母线电容在二倍该开关频率处的一第二纹波电压的幅值和相位；
利用该级联侧电流与该第二待测级联单元的该AC/DC变换电路的一开关信号，得出一第二电流；
对该第二电流进行快速傅立叶变换分析，以得出流过该第二待测级联单元的该母线电容且为二倍该开关频率的一第二纹波电流的幅值和相位；以及
利用该第二纹波电压的幅值和相位与该第二纹波电流的幅值和相位，得出该第二待测级联单元的该母线电容的一第二等效串联电阻值和一第二电容值。
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