辅助变流器支撑电容的设计选型及分析
电力系统中的电容器选型与设计优化探究
电力系统中的电容器选型与设计优化探究随着社会对能源需求的不断提升，电力系统作为人类生产和生活中不可或缺的基础设施也得到了越来越多的关注。
在电力系统中，电容器的作用不容忽视。
它们可以起到提高电力系统效率、稳定电压和降低输电损耗的作用。
本文将围绕电容器在电力系统中的应用，探讨电容器选型与设计优化等相关问题。
1. 电容器在电力系统中的应用电容器是一种能够存储电荷和电能的被动元件，其作用在电力系统中体现的主要有两方面。
一方面，电容器可以帮助调节电压，提高电力系统的供电质量。
在电力系统中，电压波动和电压稳定度是评估其供电质量的主要指标之一。
因此，在输电线路、变电站及电气设备中设置适量的电容器，可显著降低电压的波动和提高电压的稳定性。
另一方面，电容器对于降低斯托克斯反应(Stokes Effect)也有较好的效果。
斯托克斯反应是在高压输电线路中经常出现的现象，它指的是由于线路导体受到电压作用而引起的导体的振动，导致电流长期作用下电气设备应力受到期间不断变化，直至引发设备故障和失效。
因此，在电力系统的输电线路、变电站和电气设备中，合理地配置电容器是非常重要的。
2. 电容器选型的重要性在电力系统中，选择适当的电容器类型和容量是很重要的，这直接关系到电力系统的运行效率和安全性。
选电容器时，需要考虑的因素包括电容器所放置的位置、操作模式、功率和电容器的容量等。
(1) 放置位置: 电容器放置的位置直接关系到其使用效果和保护问题。
在变电站中，电容器通常会被安装在串联变压器的低压侧中，用于电压的补偿。
这样不仅能够保证系统的稳定性，还能够降低故障率。
(2) 操作模式：电容器的操作模式分为手动和自动两种类型。
手动操作的电容器通常是指小容量的低压电容器，用于降低电压波动。
而自动电容器则是指大容量低压电容器，用于调节电力系统的功率因数。
(3) 功率和容量：在选取电容器时需要考虑电容器的功率和容量对于电力系统的影响。
容量越大的电容器，对于电力系统调节功率因数的效率越高。
高速动车组辅助变流器研制
指标 输入电压 输出电压 畸变因数 输出滤波器 额定输出功率/（kV·A）
效率 工作模式
参数 DC 3 600 V 3AC 440 V/60 Hz
<10% 正弦波滤波器
160 ≥92% 并联自动均流
控制器+虚拟被控对象”的半实物仿真系统。该半实 物仿真试验台对辅助变流器控制器的开发创造了条件 和研发手段，加快了辅助变流器的开发进程[2]。 2.3 IGBT试验台和功率模块试验台
9 参考文献
[1] 张文斌，宫卫南．浅析动车组的辅助供电系统[J]． 铁道机车车辆，2011，31(2)：21-23．
[2] 宋术全，王永翔．C R H3型动车组辅助变流器半实 物仿真系统[J]．中国铁道科学，2012，33(2)： 138-144．
[3] Li Hong，Zuo Peng，Liu Weizhi．Research of Converter Design Technology[C]//10th World Congress on Railway Research，Sydney， Australia，2013．
辅助变流器半实物仿真试验台是对辅助变流器主电路进行 建模，通过工控机上的数据采集卡、信号调理电路等实现仿真 数据与辅助变流器控制器间的实时信息交互，从而建立“实际
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电容
图3 辅助变流器主电路结构 表1 单个辅助变流器单元主要参数
掌握高速动车组辅助变流器的核心技术，将极大推进 中国标准动车组、城际动车组及地铁辅助变流器的开发， 实现产品系列化、标准化。
辅助变流器的设计
辅助变流器的设计HXD1C型6轴7 200 kW货运电力机车是用于干线铁路的大功率交流传动电力机车，该机车采用了具有完全自主知识产权的电气交流传动系统，结束了长期以来国内大功率交流传动电力机车电气系统核心技术被国外公司垄断并完全依靠进口的局面。
辅助变流器为HXD1C型电力机车电气系统的重要组成部分，每台机车配有2个辅助变流柜，为机车辅助负载提供三相交流电源。
正常工况下，2台辅助变流器都工作时, 一台为变频变压型（VVVF），一台为恒频恒压型（CVCF），互为冗余；当其中任意一台故障时，另一台只能工作于CVCF模式，为所有的辅助负载提供电源。
1.主电路及技术参数该辅助变流器采用单相桥式四象限整流＋两电平三相桥式逆变的主电路形式。
从机车牵引变压器辅助绕组获取单相交流电压，经四象限整流器转换为恒定直流电源，并通过支撑电容进行能量储存，然后由逆变器将恒定直流电源转换为三相PWM交流电，再通过LC 滤波器为机车辅助负载提供三相正弦交流电压。
在输入端、支撑电容端及输出端配置电压传感器，实现对输入电压、中间直流电压及三相输出电压的监视及保护；输入端及逆变器模块输出端配置电流传感器，实现对输入电流及输出电流的监视及保护。
图1是辅助变流器的主电路图。
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辅助变流器的主要技术参数如下：额定容量248 kVA 额定输入电压单相交流470 +112.8V额定输入电流474 A 输入电压频率50 Hz输出电压CVCF（440±44）V2.总体结构辅助变流器的总体结构布置如图2所示。
柜体外形为立式长方体，外形尺寸为1 200 mm×1 050 mm×2 000 mm（长×宽×高）。
柜体外壳采用不锈钢材料制作，为全密封、整体散热结构，能满足IP54防护等级。
柜内发热部件采用强迫风冷的方式散热，风道入口装有防尘过滤网，使辅助变流器可用于环境较恶劣的场合。
柜体内部主要部件（如整流器模块、逆变器模块、支撑电容模块、控制单元等）采用模块化设计，便于安装、检修及维护。
牵引变流器中支撑电容器研究
统 应 用 条 件 确 定 ； 感 值 与 损 耗 角 由 电 容 器 本 身 的 结 构 电 决 定 ， 计 选 型 时 只 需 确 定 该 两 项 参 数 能 满 足 使 用 要 求 设 即 可 。 因此 ， 支 撑 电 容 器 的 选 型 而 言 ， 点 是 确 定 支 对 重
器， 直流输 出存 在 一个 两 倍 电 网频 率 的谐 波 （ 简称 二 次 谐波 ） 该谐波 可 用 一个 由电抗 与 电 容 串联 组成 的 ２次 ， 谐振 电路来 滤 除 ， ＨＸ 如 ｒ １电 力 机 车 、 Ｒ Ｃ Ｈ。动 车 组 等
撑 电容器 的额定工 作 电流与 电容值 。
２ 脉 冲 整 流 器 中 支 撑 电 容 器 的 选 型 设 计
为 了将 支撑 电容器 的参数选 择原 理描 述清 楚 ， 首先
以交 直 交 牵 引 变 流 器 中 的单 相 四 象 限 脉 冲 整 流 器 （ 下 以 简 称 脉 冲整 流 器 ） 例 进 行 详 细 说 明 。 为 ２ １ 支 撑 电容 器 工 作 电流 的 计 算 ．
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文 章 编 号 ：０ ８ ７ ４ （０ ） ２ ０ ７ — ０ １０ — ８２ ２ １ Ｏ — ０ ６ ６ １
牵 引变 流器 中支 撑 电容器 研 究
陈燕平 ， 忻 力 ，李 中浩
支撑电容器的选择经验公式
脉冲整流器中支撑电容器电容值的选择1引言近年来,由于认识到电力系统谐波的危害性,人们对电能质量的要求越来越高,因此也要求电路中的各种设备产生的谐波尽可能小。
正是在这种背景下,脉宽调制整流技术(简称PWM 整流技术)以其产生的谐波小、功率因数高而在传统的整流领域里得到了迅猛的发展。
但在具体的设计中,有一些参数的选取在现有研究中并没有给出充分的说明[1],由于中间直流回路与两端变流器之间存在着复杂的能量交换过程，给电力机车电路设计带来了一定的难度和盲目性,比如脉冲整流器里中间直流回路的支撑电容值的确定就是如此。
为了解决这个,本文从探讨主电路的功率传递关系出发,得到了一种电容值的计算公式。
2 PWM整流器能量传输原理PWM整流器的主电路原理如图1所示。
在理想情况下，特别是当负载是一个纯电阻时，是不需要另外一个储能器的。
因为反应漏电感和脉冲整流器之间无功功率交换的二次谐波从串联谐振电路上流过，而流到负载上去的是一个纯直流分量。
但实际上由于以下的原因[2]，在脉冲整流器的的输出端，也就是在中间主流回路中，由电容器构成的另一个储能器是必不可少的。
1与脉冲整流器，逆变器交换无功功率和谐波功率。
他们是在脉冲调制的过程中产生的。
2与异步电动机交换无功功率。
由于实际串联谐振电路中存在线路电阻R2，二次谐波电流并非全部通过串联谐振电路而是由串联谐振电路R2−L2−C和支撑电容器来进行分流的。
流过支撑电容器的电流为I c(2)=R2R21j2ωC dI2所以从这个角度出发，支撑电容器还起着与变压器漏电感交换无功功率的作用。
4支撑中间直流回路电压，使其保持稳定。
该电路中, L1, C d分别为主电路中交流侧与直流侧的储能元件,其中支撑电容C d主要支撑输出电压,保持输出电压稳定,并滤除输出电压的低次谐波电流。
在图1所示的参考方向下,当Q1(D1),Q4(D4)导通而Q2(D2),Q3(D3)断开时,电源e和电感L1向电容C d充电,电感L1中的能量释放。
变流器中的直流支撑电容的原理介绍及应用
变流器中的直流支撑电容的原理介绍及应用摘要：在电力电子转换设备中，应用最为广泛的是电压型变流器(VSR)。
而直流支撑电容作为电压型变流器设计和应用的核心关键器件之一，本文介绍了两种变流器直流支撑电容一电解电容和薄膜电容的工作原理及特点，讨论了在目前机车变流器中选型和应用的注意事项。
关键词：变流器；直流支撑电容；原理一，机车变流器的发展趋势（一）高功率密度、通用模块化设计采用功率等级更高的半导体器件和模块化的设计理念已深入人心。
目前机车变流器应用最广泛的开关器件为绝缘门极双极晶体管（而随着变流器容量的增加，功率等级更高的集成门极换流晶闸管）可能将逐步得到推广应用。
（二）电压电流等级不断提高，拓扑结构更加灵活多样随着机车变流器的电压与电流等级的不断提高，适用于更高电压等级与容量的多电平变流器拓扑得到了广泛关注。
变流器采用多电平方式后，可以有效降低对单个功率器件耐压能力的要求，有利于更大输出容量、更高电压等级的系统实现；不仅实现了飞跨电容型三电平拓扑应用，甚至还基于开发出了飞跨电容型五电平变频器。
二、直流支撑电容的作用本文简单介绍了 HXD1 型变流器中直流支撑电容的作用、容量的取值、联接方式及放电检测方法。
为更深入地研究牵引变流器中的直流支撑电容提供一种了解途径。
在图1所示的交-直-交变流系统中，中间储能环节衔接整流和逆变两个环节，而支撑电容器作为一个储能器是必不可少的，主要起着以下几个方面的作用：1）补偿电机的无功功率电机是感性负载，要消耗无功功率，支撑电容对无功功率起补偿作用。
可以稳定电压，改善电机的输出性能。
2）提供负载变化时的能量调节当负载突然加大时，系统的直流电源不能瞬时地供给大量能量，引起电机转速下降，此时电容起到一个补偿能量的作用。
基于这一原因，也可以说支撑电容减弱了负载能量。
3）支撑中间直流回路电压，使其保持稳定因为变流器在短时间内能量的输入和能量的输出不对等，在中间直流支撑回路设置支撑电容，对直流支撑回路的电压进行滤波和缓冲。
CR300AF型动车组牵引辅助变流器原理分析
CR300AF型动车组牵引辅助变流器原理分析摘要：随着我国经济的飞速发展，人们对出行有了更高的要求。
高速，便捷，安全成为了人们考虑的首要因素。
作为金名片的中国高铁动车组是如何做到安全可靠，便捷高速的。
动车组的牵引系统起到了关键作用。
本文主要介绍了CR300AF型动车组牵引系统中牵引辅助变流器的结构功能和工作原理。
关键词：牵引变流器；整流；逆变；中间直流1引言CR300AF 动车组的牵引系统主要由牵引变压器，牵引变流器和牵引电机组成。
牵引变流器起到承上启下的作用，它通过整流和逆变等功能获得牵引电机及各种车载用电设备所需的电能。
包括tPower-TI31 ，TKD510C和 YGZN2Q282A三种型号的牵引变流器。
下面我们以tPower-TI31型牵引变流器为例进行说明。
2牵引系统的工作流程及结构特点高铁动车组牵引系统相当于它的心脏，其中的主要部件包括牵引变压器，牵引辅助变流器和牵引电机。
而牵引辅助变流器作为核心负责把接触网的电能转换为牵引电动机及列车辅助负载所需电能。
首先接触网 25kV高压电从受电弓引向高压设备箱，经过高压设备箱中的保护元件后到达牵引变压器。
牵引变压器的主要功能是将25kV高压电降压为1900V交流电供给牵引变流器。
牵引变流器通过整流和逆变将电能再次转化为列车所需电能实现动车组的牵引制动和速度调节等功能[1]。
以1-4车这一个牵引单元为例（3车安装一台牵引变压器；2,4车各安装一台变流器，同时每台变流器向本车4台牵引电机供电），其单牵引变流器关联图如图 1所示。
同时CR300AF型动车组变流器内部集成了辅助变流器的功能，可以获得 3 相 AC380V/50Hz 电压，为动车组辅助系统提供电源[2]。
牵引变压器安装在3、6车的车下设备舱内；牵引变流器安装在 2、4、5、7 车的车下设备舱内；2、4、5、7 车为动车其每台转向架都安装有两台牵引电机。
图1 牵引传动系统图3牵引变流器的结构及功能3.1牵引变流器概述作为牵引系统的核心部件牵引变流器采用了主辅一体式的结构设计。
单相H桥变换器直流支撑电容分析计算
单相H桥变换器直流支撑电容分析计算
段树华
【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2016(043)004
【摘要】直流支撑电容是变流器中的一个重要元件,其好坏直接影响到整个变流器的寿命.工作温度是电容可靠性设计的重要方面,主要取决于环境温度和流过电容纹波电流有效值.假设直流母线电压无波动,输出电流为理想正弦的前提下,推导出了单相H桥变换器直流支撑电容电流的谐波频谱及有效值的解析表达式.从表达式可以看出,纹波电流主要取决于调制度、输出电流幅值和相位.利用MATLAB仿真可知,即使忽略了输出电流的纹波电流和母线电压波动,提出的推导结果与仿真结果吻合较好.因此该方法能有效解决单相/多相H桥PWM变换器的直流支撑电容设计问题.
【总页数】6页(P53-58)
【作者】段树华
【作者单位】湖南铁道职业技术学院铁道牵引与动力学院,湖南株洲412001【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.三相H桥变频器直流支撑电容纹波电流研究 [J], 张玉凤;王恒利;王连芳
2.十二相H桥变频器直流支撑电容分析研究 [J], 高阳;孙成勋;杨晓瑛;朱宝余
3.H桥模块单元串联组合单相高压变换器及其控制策略分析 [J], 卞月娟
4.单相AC-DC变换器直流回路电容ESR损耗分析 [J], 江剑峰;朱彬若;卢广震;袁乐;杨喜军;唐厚君;
5.电压型三相H桥逆变器直流支撑电容容值优化 [J], 刘成浩;赵红林;谢佩韦因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
直流支撑电容器关键问题分析及产品应用
产业科技创新 Industrial Technology Innovation 68Vol.2 No.28直流支撑电容器关键问题分析及产品应用安 鸽（隆基清洁能源有限公司，陕西 西安 710000）摘要：文章对直流支撑电容器原理、性能、生产过程及产品目前的关键问题等方面进行分析，涉及产品的应用，致力追赶国外直流直流支撑电容器，更好地满足换流阀厂家对直流支撑电容器产品性能、交货期及成本等方面的要求。
关键词：直流支撑电容器；生产过程；解决方法中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：2096-6164（2020）28-0068-02随着国内国外对新能源的要求，柔性直流输电发展迅速。
上海南汇风电场柔性直流输电示范工程、南网多端柔性直流输电工程、舟山多端柔性直流工程、大连市区供电工程等国内多项工程示范实施，柔性直流输电工程发展势头迅猛。
柔性直流输电系统不需要大量的交直流滤波电容器，而是需要大量的直流支撑电容器，是采用金属化薄膜介质的自愈式电容器，技术要求很高，目前主要靠进口，国内多家正在研制并有供货。
1 柔性直流输电系统及直流支撑电容器简介柔性直流输电采用IGBT 换流阀、占地省无需补偿装置，采用全控电力电子器件，适用于孤岛系统供电，特别适用于多端换流站的连接；可维持电压和频率的稳定性。
直流支撑电容器生产过程分为卷制、喷金、真空处理、试验等内容，具体介绍如下。
卷制：采用进口卷绕机卷绕，并装有单按式自动夹住系统，材料更换便利准确。
装有计算机及15寸彩色触摸屏，可存储100个卷电容器元件型号，并且能够稳定地生产统一的产品。
卷绕完成后机器会预压一下，使其变成扁平状，进行压装。
将芯子压紧系数控制在0.98。
将压装后的工装送入烘箱加热，烘箱主要用于电容器元件的干燥、定型。
采用电加热方式，保温性、密封性好，温度控制精度±1℃。
后冷却到环境温度。
该工艺有利于干燥芯子，排除内部水分，并释放元件内应力。
处理过的芯子变得坚硬，后续处理及运输方便。
HXD1型机车变流器中的直流支撑电容
器 。这样 就减 小 了大 的 电流冲击 ，否则 ，如 果输入 电压 突 然加载 到未充 电的支 撑 电容组上 ，将会 导致
瞬 间峰值 电流 。
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１ 直流 支撑 电容 的作用
在 图 ２ 所示 的交． 交 变流 系统 中，中间储 能 直．
一
该牵 引变流器 通过 外部 主变压 器与 单相 ２ ｋ ／ ５Ｖ ５ Ｈ 交 流接触 网相 连 。 ０ｚ 网侧 隔离开关控 制变压 器次 边 绕组 与牵 引变流 器 的连接 。直流 支撑 回路通 过一 个 预 充 电单 元 （ 处于 闭合状 态 ）和 两个 并联 的四象 限整流 器模 块 （ 个模 块代 表一个 半桥 ）供 电 。直 每 流 支撑 回路 内中包 含有 直流 支撑 电容 ，谐 振 回路 ，
Ａｂｓ ｒ ｃ ＨＸＤ ｔ ｅ ＡＣ ｏ ｏ ｔｖ ｔａｔ １ ｙｐ ｌ ｃ ｍｏ ｉ ｅ ＤＣ ｎ ｅ ｍｅ ｉ ｔ ｉｃ ｉ ｌ ｙ ｏ ｅ ｇ ｎ ｅ ｏ ｅ ｔｆｅ ｎ ｌ ｔ ｒ ｄ ａ ｅｃ ｒ ｕ ｔｐ ａ ｓａ ｃ ｎｖ ｒ ｅ ｃ ｆｒ ｃｉ ｒａ ｄ ｉ ｉ ｖｅ ｔｒ ｔ ｉ ｋ ｆ ｎｃｉ ｎ，ｗｈ ｃ ａ ｏ ｎ ｙ ｓ ｐ ｏ ｔｃ ｐ ｃｔ ｒ ｒ ｇ ａｏ ，ｆｌｅ ，ｂ ｌｏ ｔ ｈ ｎ ｒｅ ｗｏ ｌｎ ｕ ｔｏ ｉ ｈ ｃ ｎ ｎ ｔ ｏ ｌ ｕ ｐ ｒ ａ ａ ｉｏ ｅ ｕｌｔ ｒ ｉ ｔ ｒ ｕｔａ ｓ ｏ ｔ ｅ ＡＣ ｍｏ ｏ ｏ ｄ ｒ ａ ｔｖｅｐｏ ｒ Ｔｈｉ ｐｅ ｒｅ ｌ ｎ ｒ ｄ ｃ ｓｔ ｙ ｔ ｒｌ ａ ｅ ｃ ｉ ｗｅ ． ｓｐａ ｒｂ ｉｆｙ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｈｅｔ ｐｅＨＸＤ ｃ ｎｖ ｒｅ １ ｏ ｅ ｔ ｒＤＣ ａ ｃｔ ｒｓ ｐ ｒ ｃ ｐａ ｉｏ ｕ ｐｏ ｔ ｒ ｌ ， ａ ｃ ｔ ｌ ｅ ｏ ｎ ｃ ｉ ｄ ｎ ｓ ｈ ｒ ｅ ｄ ｔ ｃ ｉ ｎ ｍｅｈｏ Ｆｏ ｒ ｎ ｄ ｐ ｈ ｓｕｄ ｆｔ ｏ ｅ ｃ ｐａ ｉｙ ｖａｕ ，ｃ ｎ ｅ ｔｎｇ ｍｏ ｅ ａ ｄ ｄｉｃ ａ ｇ ｅｅ ｔｏ ｔ ｄ． ｒａｍｏ ｅ ｉ — ｅ ｔ ｔ ｙ ｏ ｈｅ ｔａ ｔｏ ｎ ｅ ｔｒＤＣ ａ ａ ｉｏ ｕ ｐ ｒ ｃ ｉ ｎ ｉ ｖ ｒｅ ｃ ｐ ｃｔ ｒｓ ｐ ｏ￣ ｐ ｏ ｉ ｅ ｎ ｕ ｅ ｓａ ｄ ｎ ｆｔ ａ ｈ ｙ ． ｒ ｖ ｄ ｓａ ｎｄ ｒ ｔ ｎ ｉ ｇ ｏ ｐ ｔ ｗａ ｓ ｈｅ
电容器选型七要素
电容器选型七要素作为一种储能和滤波元件,电容器用途广泛，门类也极其众多。
大致可以分为：陶瓷电容，钽电容，铝电解电容，薄膜电容，超级电容，氧化铌电容等等。
以下为大致的一些选型思路，仅供大家参考。
1.依据使用频率的凹凸选择电容器种类;假如某电路的工作频率特别高,超过MHZ, 而且电路信号强度较弱,此时,叠层陶瓷电容器是最佳的选择. 尽管都是滤波和储能充放电, 在工作频率肯定时,得考虑到不同种类的电容器的频率特性是否与电路工作频率相符,由于不同种类电容都有自己合适的使用频率范围,全部的电容，随工作或测试频率的增加.电容值会渐渐降低,损耗也会渐渐增加. 假如工作频率在中频率段以下,对电容器在不同温度下的参数值全都性要求较高, 那么选择固体钽电容可能较合适. 有时候,你必需对它们的性能特点有所取舍, 首先肯定得清晰某种电容器的哪一方面特点是自己必需选择它的理由.2.依据环境温度变化要求选择电容器种类;目前,电容器中温度特性最好的是固体钽电容器, 某些高压固体钽电容器在-55-+125度的温度区间里容量的变化率可以达到-3-+5%以内. 对于航空和宇航电路, 电容器必需具有特别精彩的温度特性才可以达到使用要求.电容温度特性从好到差的排名大致为：钽电容器≥NPO型陶瓷电容器≥固体铝电容器≥液态钽电容器≥云母电容器≥叠层陶瓷电容器[MLCC]≥液体铝电容器。
3.依据输入功率和输出功率大小选择电容器;在用电量特别小,工作频率特别高的手机类电子产品上时,即使是漏电流偏大,而ESR较低,产品一般也很难消失质量问题. 除非是电容器本身就是废品. 当使用在输入和输出功率都较高的电路中时,如电源滤波和放电电路, 电容器不光需要有更低的ESR,还必需具有特别低的漏导电流,否则会导致击穿概率增加和输出的功率波形不能满意要求.由于不同种类电容器的体积电容量不同,因此,设计时必需依据输出功率需求选择足够容量和耐压的电容器.4.依据沟通纹波大小来选择电容器;使用在滤波电路中时,电容器须承受肯定频率和肯定幅值的沟通电压和沟通电流导致的发热冲击.同时,电容器必需承受在开关的瞬间不行避开的直流高电压大电流浪涌. 使用在此电路的电容器, 必需选择规格和种类合适的电容器. 假如只是考虑到直流耐压足够是远远不够的,同时,你必需考虑到不同电容器具有不同的耐纹波力量. 电容器耐纹波力量的排序见下：MLCC≥卷饶式涤纶电容器≥片式氧化铌电容器≥高分子片式钽电容器≥高分子固体片式铝电容器≥以二氧化锰为阴极的片式钽电容器≥液体铝电容器≥液态钽电。
基于预充电模型与低频采样的直流支撑电容器电容辨识方法
第 54 卷第 8 期2023 年 8 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.8Aug. 2023基于预充电模型与低频采样的直流支撑电容器电容辨识方法伍珣1，田睿2，李凯迪3，于天剑1，成庶1，陈春阳1(1. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410075；2. 国网湖南省超高压变电公司，湖南 长沙，410004；3. 深圳地铁集团，广东 深圳，518040)摘要：直流支撑电容器是列车牵引变流器的重要组成部分，主要用于整流器的输出电压滤波与稳压，并保证逆变器的高效运行。
电容是衡量电容器剩余使用寿命的重要指标。
在恶劣的工作环境中，电容的减小速率往往比预期更快，准确、有效地对电容进行估计是直流电容器状态监测的必要条件。
然而，在轨道交通应用中，中间直流环节电压传感器的信号噪声波动幅值与纹波分量波动幅值几乎相同，导致现有电容器状态辨识方法对电容的辨识误差明显上升。
针对此问题，提出一种基于预充电模型与低频采样的直流电容器电容估计方法。
首先，对预充电过程进行分析，建立离散数学模型以减少噪声的影响。
在此模型基础上，推导电容器电容的计算公式，采用带噪声估计的RELS 算法进一步减小噪声影响并获得模型参数的准确估值，进而对直流支撑电容器电容进行精确辨识。
最后，在dSPACE 平台上验证该方法的快速性和鲁棒性。
研究结果表明：该方法可以在较低的采样频率下实现电容的准确计算；与现有估计方法相比，该方法在地铁等轨道交通场合具有较大优越性。
关键词：电容估计；直流支撑电容器；预充电；噪声；RELS 算法中图分类号：TM464 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2023）08-3325-10Pre-charging model based capacitance estimation method for DC-link capacitors with low sampling frequencyWU Xun 1, TIAN Rui 2, LI Kaidi 3, YU Tianjian 1, CHENG Shu 1, CHEN Chunyang 1(1. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. State Grid Hunan Extra High V oltage Substation Company, Changsha 410004, China;3. Shenzhen Metro Operation Group Co. Ltd., Shenzhen 518040, China)Abstract: DC-link capacitor is a significant part of traction converter in railway applications. It mainly filters theoutput voltage of rectifier and ensures the efficient operation of inverter. The capacitance is an important indicator收稿日期： 2022 −10 −14； 修回日期： 2022 −12 −24基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52072414) (Project(2020JJ5757) supported by the National NaturalScience Foundation of China)通信作者：于天剑，博士，副研究员，从事城市轨道交通技术研究；E-mail:****************DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.08.033引用格式： 伍珣, 田睿, 李凯迪, 等. 基于预充电模型与低频采样的直流支撑电容器电容辨识方法[J].中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(8): 3325−3334.Citation: WU Xun, TIAN Rui, LI Kaidi, et al. Pre-charging model based capacitance estimation method for DC-link capacitors with low sampling frequency[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(8): 3325−3334.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)for the residual service life of the capacitors, and it tends to degrade fast in harsh working environment. Accurate capacitance estimation is necessary for the condition monitoring of DC-link capacitors. However, the noise fluctuation of voltage sensor signals is nearly the same as that of the ripple components in railway applications, which leads to the increase of errors in existing methods. Therefore, a pre-charging model based capacitance estimation method for DC-link capacitors was proposed. The pre-charging process was analyzed and a discrete model was built to reduce the impact of noise. Based on the model, RELS algorithm with noise evaluation was utilized to further lessen the noise effect and obtain accurate capacitance estimation results. The accuracy and robustness of the proposed method were verified on a dSPACE platform. The results show that the accurate calcutation can be achieved with a low sampling frequency. The comparison results with existing estimation methods show the superiority of the proposed method.Key words: capacitance estimation; DC-link capacitor; pre-charging; noise; RELS algorithm直流支撑电容器是牵引变流器的重要部件。
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支撑电容的设计选型及分析
1. 支撑电容的设计选型
图1 地铁牵引系统主电路原理示意图
辅助逆变器（简称SIV ）中支撑电容的应用见图1，支撑电容器C 作为一个能量缓冲器，对直流电路的电压进行滤波，并保持其相对的稳定。
其主要功能如下： a ） 与电感L 形成LC ，对输入端的电压剑锋进行滤除。
b ） 为斩波模块的提供瞬变电流
支撑电容器主要技术参数包括直流额定电压NDC U 、额定电流N I （有效值，连续）、电容值、电感值、耐压、损耗角、工作温度。
耐压与工作温度由牵引变流器系统应用条件可确定；电感值与损耗角由电容器本身的结构决定。
因此对支撑电容器的选型而言，主要是确定其额定工作电流及工作电压。
支撑电容器容量越大对直流回路的纹波电压抑制能力越强，但过大将增加系统的成本与体积，同时还会带来一些负面影响，如变流器开关桥臂短路时故障的危险程度也增大，因此支撑电容器的取值得控制在合适的范围之内。
1.1 额定电压的选择：
支撑电容额定电压是指直流标称电压，是设计电容时，考虑连续运行状态所采用的但不能改变方向的任一极性的最高工作峰值电压。
电容器的损耗与其电压平方成正比，过电压会使电容器发热严重，电容器绝缘会老化，寿命缩短。
所以电容器的工作电压一般低于电容器本身的标称电压，对于机车环境中使用的电力电子电容器的工作电压是电容器标称电压的80%-90%。
系统的额定电压为1500V ，系统的最高电压为1800V ，因此该支撑电容额定工作电压选择2000V 。
1.2 额定电流的选择：
按将DC600~1800V 斩波降压到600V 计算。
斩波频率f 取1.5kHz ，T=667uS 。
1800V 升压到600V 模式，ton=600/1800T=0.3333T=222uS
L取1400uH,
△I=Ul/Lx△T=1200/1400x222=190A
但Imax=P/U=80000/600=133A，所以三角波电流过零，△Imax=133A
电容脉动电流=1.732/6 △Imax=38A，脉动电流即额定值，考虑一定裕量，选取50A。
1.3容值的选择：
电路对容值没有明确计算要求，根据供应商设计规范，额定电流50A，对应的容值为2100uF.
附录A支撑电容的参数A．1 额定直流电压：UN= 2000VDC
A．2 电容值：CN= 2100uF±5%
A．3 额定电流（有效值，连续）：IN= 50 Arms
A．4 电感值：L≤100 nH
A．5 对壳耐电压：工频6000V AC ,60s
A．6 端子间直流试验电压：3000VDC，10s
A．7 损耗角（50Hz，20℃）：≤3.0×10-3
A．8工作温度范围：-45℃～+70℃
A．9 周围空气湿度：0 ～95%
A．10 重量：约28kg
A．11 预期寿命：100000小时（额定工况）
A．12 液体介质：硅油
A．13 极间固体绝缘介质：锌铝金属化安全膜
A．14 接线端子拧紧力矩: ≤25 N.m
A．15 外形见附图, 外形尺寸应由工装模具保证A．16 产品铭牌贴于产品底部
A．17 出线端子全部短接
附录B支撑电容的型式试验项目。