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CN114690013A - 一种大功率igbt监测装置、监测方法及监测系统 - Google Patents

一种大功率igbt监测装置、监测方法及监测系统 Download PDF

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CN114690013A
CN114690013A CN202210173428.0A CN202210173428A CN114690013A CN 114690013 A CN114690013 A CN 114690013A CN 202210173428 A CN202210173428 A CN 202210173428A CN 114690013 A CN114690013 A CN 114690013A
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CN
China
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power
monitoring
igbt
voltage
module
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Application number
CN202210173428.0A
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杜雲
杨岳峰
闻福岳
韩磊
顾然
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MAINTENANCE BRANCH OF STATE GRID SHANXI ELECTRIC POWER Co
China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd
State Grid Electric Power Research Institute
Original Assignee
MAINTENANCE BRANCH OF STATE GRID SHANXI ELECTRIC POWER Co
China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd
State Grid Electric Power Research Institute
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Publication date
Application filed by MAINTENANCE BRANCH OF STATE GRID SHANXI ELECTRIC POWER Co, China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd, State Grid Electric Power Research Institute filed Critical MAINTENANCE BRANCH OF STATE GRID SHANXI ELECTRIC POWER Co
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Abstract

一种大功率IGBT监测装置、监测方法及监测系统，包括：对IGBT芯片进行温度监测和功率监测；温度监测部分通过发射不同频率的光利用光纤光栅传感模块对IGBT基板或IGBT母排进行测温；功耗监测部分通过电压监测模块和电流监测模块获取IGBT取能电源的电压和电流，并通过算法分析在线获得驱动的功率及功率因数，通过数模转换模块将电流及电压转化为数字信号传输至上位机，实现大功率压接式IGBT温度参数及驱动功率的实时监测，提升IGBT的可靠性，使系统稳定运行。

Description

一种大功率IGBT监测装置、监测方法及监测系统
技术领域
本发明涉及电力系统电气工程领域，具体涉及一种大功率IGBT监测装置、监测方法及监测系统。
背景技术
近年来随着海上风电向远海发展，考虑到海上平台远离海岸、风浪侵扰、检修窗口固定等特殊情况，换流站多采用无人值守，运维较为困难，通过对换流站进行远程全生命周期状态监测，可以提高柔直换流站运行的可靠性。作为柔直换流站的重要设备之一，柔直换流阀的运行状态直接关系到柔直换流站的安全。柔直换流阀是由很多的MMC子模块串并联构成。当前对MMC子模块的状态监测功能只是局限在子模块电容和IGBT的故障后检测及处理、以及阀塔的漏水监视上，不具备对阀组件其余关键元器件的监视功能，尤其对于运行中的子模块缺少过程检测数据，从而无法准确的做出故障预测或定位故障原因。并且对于子模块使用的大功率新型压接式IGBT的监测来说，其各部分温度参数及驱动功率的可靠性更是系统运行的关键。
传统的IGBT失效检测方法主要包括热电偶法、电参数法和红外热成像探测法等，这些方法大多通过电流电压间接分析导致测量结果与实际值偏差较大，或存在测试场景受限的弊端。此外，目前的检测手段限于对IGBT故障后检测及处理，并不涉及对内部整体温度分布及热传导状态的实时监测。而且，由于IGBT长期工作在高压、强磁场的环境下，常规电学传感器难以满足稳定性、寿命和可靠性的要求。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供一种大功率IGBR监测装置，包括：相互连接的光路控制模块和温度监测模块；
所述温度监测模块包括第一测温传感器和信号采集回路；所述第一测温传感器设置于IGBT芯片测温点处，且与信号采集回路连接；
所述光路控制模块用于：控制所述温度监测模块的发射光的频率。
优选的，所述第一测温传感器为光纤光栅传感器，包括光纤光栅和光纤，所述光纤光栅通过光纤接入信号采集回路。
优选的，所述光纤光栅为双层钢管封装式FBG光纤光栅。
优选的，所述封装式FBG光纤光栅，包括至少一个FBG、钢管、设置于钢管内的钢柱和两个套管；
所述钢柱上具有至少一个开槽，各FBG分别设置于所述开槽内；
所述钢管与光纤连接；所述两个钢管分别套接于所述钢柱外侧的光纤上，且所述两个套管朝向所述钢柱侧的一端均设置于钢管内侧，且与所述钢管内侧壁紧密贴合。
优选的，所述IGBT芯片测温点位于散热器与IGBT芯片接触表面。
优选的，所述散热器与IGBT芯片接触表面具有多个开槽，每个开槽为一个测温通道，每个测温通道上至少具有3个测温点。
优选的，所述封装式FBG光纤光栅为多个，每个测点对应一个封装式FBG光纤光栅，位于一个测温通道上多个测温点上的多个封装式FBG光纤光栅通过一跟光纤进行串联。
优选的，所述温度监测模块还包括第二温度传感模块，所述第二温度传感器与信号采集回路连接；
所述第二温度传感模块设置于IGBT电容母排处，且与所述电容母排紧密贴合。
优选的，所述第二温度传感模块包括钢片式光纤传感器或陶瓷光纤传感器。
优选的，所述信号采集回路包括：可调谐激光器、PLC光开关、光谱分析模块和光电探测模块；
所述PLC光开关与第一测温传感器或第二测温传感器连接；
所述光路控制模控制可调谐激光器发射不同频率的光，然后进入PLC光开关中，通过光开关中选通的通道进入第一测温传感器或第二测温传感器；光经过所述第一测温传感器或第二测温传感器进行测温后满足反射条件的中心波长进入光谱分析模块中，经解调后得到调制波长，并经过光电探测模块转换为电信号经进入光路控制模块。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种大功率IGBT监测装置，包括：功率监测板，所述功率监测板固定于取能电源的屏蔽盒上方且与所述取能电源的输出线连接；所述功率检测板上设有电路控制模块和功耗监测模块；
所述功耗监测模块用于对功率监测板进行采样得到采样数据；
所述电路控制模块用于基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数；还用于基于所述分量个数，利用Prony法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率。
基于同一种发明构思，本发明还提供一种大功率IGBT的功率监测方法，包括：
对功率监测板进行采样得到采样数据；
基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数；
基于所述分量个数，利用Prony法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率。
优选的，所述对驱动板进行采样得到采样数据包括：
对驱动板电压和电流进行同步采样，得到采样数据；
所述采样数据包括：电压采样数据和电流采样数据。
优选的，所述基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数，包括：
采用频谱分析法对所述采样数据中的电压采样数据或电流采样数据进行分析，确定所述采样数据中的信号的数量；
以所述信号的数量确定分量个数。
优选的，所述基于所述分量的个数，利用Prony算法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率，包括：
基于所述电压采样数据和电流采样数据分别利用扩展阶矩阵结合Prony算法进行估算得电压分量序列和电流分量序列，以及所述电压分量序列对应的多个特征量和所述电流分量序列对应的多个特征量；
所述电压分量序列对应的特征量至少包括下述信息中的一种或多种：电压幅值、电压相位和频率；所述电流分量序列对应的特征量至少包括下述信息中的一种或多种：电流幅值、电里相位和频率；
基于所述电压分量序列对应的多个特征量和所述电流分量序列对应的多个特征量分别结合有功功率计算式和无功功率计算式确定有功功率和无功功率。
优选的，所述电流分量序列对应的特征量满足下式：
Figure BDA0003519470950000041
式中，i(t)为电流采样数据，Ik为电流分量序列中第k个分量的电流幅值，ψk为电流分量序列中第k个分量的电流相位，fk为电流分量序列中第k个分量的频率，N为分量个数，t为采样周期；
所述电压分量序列对应的特征量满足下式：
Figure BDA0003519470950000042
式中，u(t)为电压采样数据，Uk为电压分量序列中第k个分量的电压幅值，
Figure BDA0003519470950000043
为电压分量序列中第k个分量的电压相位。
优选的，所述基于所述特征量分别结合有功功率计算式和无功功率计算式确定有功功率和无功功率，包括：
基于电流相位和低压相位确定相位差；
基于所述电流幅值、相位差和有功功率计算式确定各有功分量；
基于所述电压幅值、相位差和无功功率计算式确定各无功分量；
将所有有功功率进行拟合得到有功功率，将所有无功分量进行拟合得到无功功率。
优选的，所述有功功率计算式如下：
Figure BDA0003519470950000044
式中，P为有功功率；θk为第K个电压相位和电流相位差，且
Figure BDA0003519470950000045
P1为基波有功功率，且P1＝U1I1cosθ1；Ph为谐波有功功率和，且
Figure BDA0003519470950000046
Uk为电压分量序列中第k个分量的电压幅值；Ik为电流分量序列中第k个分量的电流幅值；
所述无功功率计算式如下：
Figure BDA0003519470950000051
式中，Q为无功功率；Q1为基波无功功率，且Q1＝U1I1sinθ1；Qh为谐波无功功率和，且
Figure BDA0003519470950000052
基于同一种发明构思，本发明还提供一种大功率IGBT监测系统，包括上位机、交换机、相互连接的电路控制模块和功耗监测模块以及相互连接的光路控制模块和温度监测模块；
所述电路控制模块和功耗监测模块为本发明提供的一种大功率IGBT监测装置中所述的电路控制模块和功耗监测模块；
所述光路控制模块和温度监测模块为本发明提供的一种大功率IGBT监测装置中所述的光路控制模块和温度监测模块；
所述光路控制模块和电路控制模块均通过交换机将数据发送至上位机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种大功率IGBT监测装置，包括：相互连接的光路控制模块和温度监测模块；所述温度监测模块包括第一测温传感器和信号采集回路；所述第一测温传感器设置于IGBT芯片测温点处，且与信号采集回路连接；所述光路控制模块用于：控制所述温度监测模块的发射光的频率，利用本发明的监测装置可以实现对大功率压接式IGBT各测温点温度的准确监测，有利于更加快速、准确的定位故障原因及对可能发生的故障做出预测；
本发明提供一种大功率IGBT监测装置和监测方法，包括固定于取能电源的屏蔽盒上方的功率检测板，在功率监测板上设有电路控制模块和功耗监测模块；所述功耗监测模块用于对功率监测板进行采样得到采样数据；所述电路控制模块用于基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数；还用于基于所述分量个数，利用Prony法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率，可实现对IGBT驱动功率的准确监测，有利于更加快速、准确的定位故障原因及对可能发生的故障做出预测；
本发明提供一种大功率IGBT监测系统，可以对IGBT在工作时对各测温点温度和驱动功率进行实时准确的监测，有利于更加快速、准确的定位故障原因及对可能发生的故障做出预测；同时利用本发明提供的技术手段能满足稳定性、寿命和可靠性的要求。
附图说明
图1为本发明的钢片式光纤传感器；
图2为本发明的IGBT的散热器系统组装模块；
图3为本发明的大功率IGBT监测装置结构示意图；
图4为本发明的散热器和IGBT模块层叠图；
图5为本发明的上管散热器开槽图；
图6为本发明的下管散热器开槽图；
图7为本发明的双层钢管式FBG封装结构图；
图8为本发明提供的大功率IGBT监测方法示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1
本发明设计了一种大功率IGBT监测系统，如图1所示，包括IGBT实时温度监测和驱动功耗监测两部分。该系统由负责温度实时监测的大功率IGBT监测装置(简称温度监测部分)和负责功耗实时监测的大功率IGBT监测装置(简称功耗监测部分)组成。
功耗监测部分中通过电压监测模块和电流监测模块获取实时IGBT取能电源的电压和电流，并通过算法分析在线获得驱动的功率及功率因数，通过数模转换模块将电流及电压转化为数字信号传输至上位机。相关控制指令和数据传输功能由电路控制模块完成。
温度实时监测部分获取IGBT基板温度和IGBT母排温度，利用可调谐激光器经过隔离器进入PLC光开关中，通过光开关中选通的通道进入环形器，之后进入光纤光栅多路传感模块，光纤光栅传感模块由多路光纤光栅串构成。满足反射条件的中心波长经过环形器进入光谱分析模块中，经解调后得到调制波长，并经过光电探测模块转换为电信号经接口模块进入光路控制模块。相关控制指令和数据传输功能由光路控制模块完成。
实施例2
本发明提供一种大功率IGBT监测装置，对IGBT温度方面进行监测。
温度是衡量IGBT器件是否会热失效的最直接的物理量，大部分功率器件失效原因是由高温导致的。压接IGBT正常工作时，芯片发生能量损耗产生大量热，而IGBT器件最高温度就是芯片温度。为了便于散热，一般会将IGBT模块两侧加装散热器，用导热硅胶相粘合，芯片以内部功耗的形式产生热量，以热传导的方式将热量传到基板，基板再以对流或者辐射的形式传到环境中去，大部分的热量则是通过基板直接传到散热器上，最后由散热器将热量传递到空气中，这构成了一个散热模块。散热器采用水冷散热的方式，其冷却流道为直接位于板壳之中的U形，进出水口相连，形成一个冷却液流动回路，不断对发热模块进行降温。
芯片温度经过各层热传递，传导至基板处，而芯片所在区域相对其他区域温度更高，采集此处基板温度，同时配合外部电容母排温度监测，能够在不破坏IGBT芯片结构的前提下，反应IGBT温度状态和散热状态，对IGBT的工作状态进行及时调整，有效降低IGBT因結温过高导致损坏的概率。因此，本设计选择从两个方面分别对IGBT内部基板和母排进行温度测量，提前进行IGBT高温预防，有效延长IGBT寿命。
光纤光栅作为光学传感器件，不仅能够在高压的恶劣环境下工作，而且不容易受电磁波干扰，具有较长的使用寿命，非常适用于柔性直流输电工程温度监测中。
IGBT的散热器系统组装模块如图2所示。
因此针对以上IGBT模块结构，本发明利用第一温传感器对IGBT内部基板温度进行实时监测；利用第二温传感器对IGBT母排温度进行实时监测，如图3所示包括：相互连接的光路控制模块和温度监测模块；
所述光路控制模块用于：控制所述温度监测模块的发射光的频率；
所述温度监测模块包括第一测温传感器和信号采集回路；所述第一测温传感器设置于IGBT芯片测温点处，且与信号采集回路连接；IGBT芯片测温点位于散热器与IGBT芯片接触表面。
所述温度监测模块还包括第二温度传感模块，所述第二温度传感器也与信号采集回路连接；所述第二温度传感模块设置于IGBT电容母排处，且与所述电容母排紧密贴合。
第一，IGBT内部基板温度测量
IGBT结构严密,工作环境苛刻。为避免破坏IGBT模块,根据ANSYS仿真分析的结果,选择在散热器与IGBT接触表面开多道槽,槽的直径配合IGBT监测装置的结构，例如本实施中可以开直径为1.5mm的槽，每个槽选三个测试点(也可选更多的测试点)。例如本实施中在散热器与IGBT接触表面开三道槽，根据上下管每个IGBT模块选择9个测温点的原则，在两边散热器上分别开三个孔，每个孔一根光纤，一个光纤上串联三个双层钢管封装式FBG光纤光栅，对应三个温度测量点(也可以不止3个点)，对应IGBT上管的发射极和下管的集电极处。中间层散热器不再开孔。
用导热硅脂将串有9个FBG的光栅串固定于槽中对应位置,每个光栅对应的测温区一定长度，例如10mm，用来容纳第一测温传感器即封装式FBG光纤光栅，同时在槽内冲导电胶，防止光栅串活动的同时也可以将钢管和散热片融为一体，形成电通路，实现等电位，避免传感结构对于散热器的影响。
散热器和IGBT模块层叠如图4所示，
散热器上开槽的地方要避免与水冷板内部管路干涉，要避免与固定件和紧固件干涉，并能准确测量IGBT模块的芯片温度。故经过综合考虑，选择开槽处如图5和图6所示。
由图5所示，上管散热器以底部为基准配合监测装置尺寸进行开槽，例如：分别在离基准处向上80.5mm、131.5mm和155.5mm处开槽。下管散热器实际安装时为图6旋转180°后的状态，故同样是离底部为基准配合监测装置尺寸进行开槽，例如分别在离基准处向上80.5mm、131.5mm和155.5mm处开槽。
将上管和下管IGBT模块分别与散热器重合放置，此时上管和下管发热中心点和测温中心点按照上述例子的具体数值，其坐标如表1所示。
表1发热中心点和测量中心点坐标表
点位 X轴坐标 Y轴坐标 点位 X轴坐标 Y轴坐标
上管1 -155 155.5 下管1 80 155.5
上管2 -104 131.5 下管2 131 131.5
上管3 -80 80.5 下管3 155 80.5
上管4 -155 155.5 下管4 80 155.5
上管5 -104 131.5 下管5 131 131.5
上管6 -80 80.5 下管6 155 80.5
上管7 -155 155.5 下管7 80 155.5
上管8 -104 131.5 下管8 131 131.5
上管9 -80 80.5 下管9 155 80.5
光纤光栅的封装方式：
采用双层钢管式FBG封装方式，如图7所示。
采用的钢柱为以奥氏体不锈钢304，结合光纤光栅的具体尺寸确定直径，例如本实施例中选择直径为0.8mm，在其侧面开出宽0.3mm、深0.4mm的圆滑槽，封装前先用无水酒精擦洗FBG，再将光栅栅区放置于金属槽中。将尾纤放置在光纤夹板上，左端悬挂一枚1g砝码，保证栅区处于拉伸状态，此时中心波长漂移1pm。用DG-3S环氧树脂胶粘剂将光纤两端与钢柱粘合，60℃高温下加热4h使环氧树脂胶完全固化。外置长内径1.2mm、外径1.4mm的钢管，将钢柱式封装光纤光栅用DG-3S环氧树脂胶粘剂粘贴于钢管中，钢管与钢柱中间有0.2mm的间隔，以确保栅区不受外部应力影响。光纤的保护套管为内径0.8mm、外径1.0mm的聚酰亚胺耐高温套管。当然具体的结构尺寸可以根据实际工艺确定，这里具体数值仅为举例说明。
该封装方式采用双层钢柱封装工艺对FBG进行封装，可以有效隔绝外力对传感器的影响。
第二，IGBT母排温度测量方案。具体可以采用针对电容母排处的传感器进行测温，传感器采用钢片式传感器或者陶瓷光纤传感器结构。直接贴敷于母排表面，尾纤接入光谱分析模块。
根据电容母排结构，为更好的将传感器固定于母排之上，可选用钢片式光纤传感器或陶瓷光纤传感器，并用导热硅脂将钢片式光纤传感器或陶瓷光纤传感器紧密粘贴于母排表面监测母排温度。
贴片式光纤传感器为一种基于铜片封装的光纤光栅温度传感模型，通过用螺丝钉固定在电容母排上,能够使FBG在温度变化过程中一直保持张紧状，获得增敏效果，同时稳固固定。
实施例3
本发明提供一种大功率IGBT监测装置，进行功耗方面的监测。
据统计，功率半导体器件是功率电子变换器中最脆弱的部分，而IGBT功率模块是应用最广泛的功率半导体器件，因此为了避免IGBT功率模块故障影响整个设备或系统的正常运行，对于IGBT功率模块驱动功率的监测是十分必要的。
由于功率监测板是监测取能电源的输出线，根据当前设计的子模块结构，为了便于安装，可将功率监测板固定在取能电源的屏蔽盒上方，本发明在现有的功率监测板上进行了改进，本发明的功率监测板上设置电路控制模块和功耗监测模块。
功耗监测模块用于对功率监测板进行采样得到采样数据；
电路控制模块用于基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数；还用于基于所述分量个数，利用Prony法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率。
功耗监测模块包括：电压监测子模块、电流监测子模块和数模转换子模块；
电压监测：利用电压监测子模块采用差分测量方法测量驱动板输入两端的电压，排除参考“地”电压波动带来的测量误差，并将输入的电压信号通过数模转化成数字信号。由于功耗监测模块的外壳电位较高(约2KV)，因此电路采用高压隔离设计；在电源采集端口设计了TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR或称瞬变电压抑制二极管)、压敏电阻等器件，满足本模块在工程应用中的抗电磁干扰要求，有效降低正常工作时板卡周围电磁场对测量回路的影响。
电流监测：电流监测子模块与回路某一电阻并联，实现回路的电流测量，该测量方法可测量到直流，避免了电磁式CT测不到直流信号的情况，选取的电阻要求频带宽、无感性，相比较罗氏线圈，有更快的信号响应和非常线性的信号电压，可以精确测量回路电流。
Prony算法(普罗尼算法)是用一组指数项的线性组合来拟合等间距采样数据的方法，可以从中分析出信号的幅值、相位、阻尼因子、频率等信息。因此本发明利用了Prony算法对电流电压信号在各分量上提取频率、幅值相位等信息，进而得到IGBT各子模块的功率。
本实施例还提供一种利用本发明的大功率IGBT监测装置实现一种大功率IGBT监测方法，如图8所示，包括：
步骤1、对功率监测板进行采样得到采样数据；
步骤2、基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数；
步骤3、基于所述分量个数，利用Prony法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率。
其中，步骤1包括：
设定采样周期为T，定时对板卡功率输入的电压信号和电流信号进行同步采样，得到同一时刻的电压采样数据u(t)和电流采样数据i(t)；
步骤2包括：
对电压采样数据u(t)或电流采样数据i(t)进行工况匹配分析，获得交流分量个数N；具体为：
采用频谱分析法处理所述电压采样数据u(t)或电流采样数据i(t)，获得电压信号或电流信号的频谱信息，从而得出所述电压信号或电流信号的交流分量个数N；这里的频谱分析法可以利用傅里叶分析得出电压或电流信号里含有的N个频率信号，因此利用频谱分析法可以处理复杂工况。
依据所述交流分量个数N，设定改进扩展Prony检测模型的阶数P，P＝N。
步骤3包括：
S1、采用改进扩展Prony方法拟合出N组交流参数分别为交流电压u1、u2、…、uN、交流电流i1、i2、…、iN、以及频率f1、f2、…、fN；
S2、计算出每一个交流分量的有功功率P1、P2、…、PN和无功功率Q1、Q2、…、QN。
S1、采用改进扩展Prony方法拟合出N组交流参数分别为交流电压u1、u2、…、uN、交流电流i1、i2、…、iN、以及频率f1、f2、…、fN具体包括：
1：构造扩展阶矩阵
将所述电压采样数据u(t)或电流采样数据i(t)作为观测数据序列x(n)和样本函数公式r(i,j)，构造出扩展阶矩阵
Figure BDA0003519470950000121
Figure BDA0003519470950000122
其中，
Figure BDA0003519470950000123
pe和p分别为所述扩展矩阵
Figure BDA0003519470950000124
的阶数、以及有效秩，xT(n)表示求一维向量x(n)的转置，N为交流分量的个数，并且0＜i，j＜N-1；
2：对扩展阶矩阵
Figure BDA0003519470950000125
求解特征多项式系数
采用总体最小二乘估计方法求解法方程：
Figure BDA0003519470950000126
定义最小误差能量εp为：
Figure BDA0003519470950000127
其中，aj为特征多项式系数，0＜j＜p；
3：计算z1,z2,…,zp和
Figure BDA0003519470950000128
首先，利用b3中得到的系数a1,a2,…,ap，求解特征多项式
Figure BDA0003519470950000131
的根，即可得到一组复指数z1,z2,…,zp，所述z1,z2,…,zp为特征多项式的ψ的根，令
Figure BDA0003519470950000132
表示x(n)的估计值，再利用估计值
Figure BDA0003519470950000133
的递推差分方程式
Figure BDA0003519470950000134
逐个计算出
Figure BDA0003519470950000135
其中，n＝0,…,N-1,
Figure BDA0003519470950000136
4：计算b1,b2,…,bp
构造方程组并代换成矩阵形式，可得：
Figure BDA0003519470950000137
其中，
Figure BDA0003519470950000138
b＝[b1,b2,…,bp]T
Figure BDA0003519470950000139
公式(2)所示矩阵Z是一个N维的范德蒙矩阵，由于矩阵Z中的各个列均不相同，根据范德蒙矩阵的性质可知矩阵Z的各列线性独立，即矩阵Z是一个列满秩的矩阵，因此公式(1)采用最小二乘法求解的结果为
Figure BDA00035194709500001310
其中，zH为矩阵Z的共轭转置矩阵；
5：计算电压采样数据u(t)或电流采样数据i(t)的频域信息
在z1,z2,…,zp和b1,b2,…,bp的计算结果基础上，利用公式(3)可以依次计算出所述观测数据序列x(n)的各特征量包括幅值Am、相角δm、角频率fm，
Figure BDA0003519470950000141
其中，m＝1,2,…,p(3)
其中：T表示采样时间间隔，π为圆周率，Re表示取复数的实部，Im表示取复数的虚部；
所述电流采样数据i(t)通过公式(3)处理后，输出N组电流信号谐波分量的电流幅值Ik，单位为A、电流相位ψk，单位为rad、以及电流频率fk，单位为Hz，所述电流幅值Ik、电流相位ψk、以及电流频率fk满足公式(4)
Figure BDA0003519470950000142
所述电压采样数据u(t)通过公式(3)处理后，输出N组电压信号谐波分量的电压幅值Uk，单位为V、电压相位
Figure BDA0003519470950000143
单位为rad、电流分量序列中第k个分量的电流相位ψk以及电流分量序列中第k个分量的频率fk，单位为Hz，所述电压幅值Uk、电压相位
Figure BDA0003519470950000144
以及电压频率fk满足公式(5)
Figure BDA0003519470950000145
上述公式中t为采样周期。
S2、计算出每一个交流分量的有功功率P1、P2、…、PN和无功功率Q1、Q2、…、QN，包括：
1：依据IEEE标准有功功率P的功率计算公式为
Figure BDA0003519470950000146
计算出各个交流分量的有功功率P1、P2、…、PN，其中，θk为电压相位和电流相位差，且
Figure BDA0003519470950000151
θk单位为rad；P1＝U1I1cosθ1，P1单位为W，P1为基波有功功率；
Figure BDA0003519470950000152
Ph单位为W，Ph为所有谐波有功功率总和；
2：依据IEEE标准无功功率Q的功率计算公式为
Figure BDA0003519470950000153
计算出各个交流分量的无功功率Q1、Q2、…、QN，其中，θk为电压相位和电流相位差，且
Figure BDA0003519470950000155
θk单位为rad；Q1＝U1I1sinθ1，Q1单位为var，Q1为基波无功功率；
Figure BDA0003519470950000154
Qh单位为var，Qh为所有谐波无功功率总和。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (19)

1.一种大功率IGBT监测装置，其特征在于，包括：相互连接的光路控制模块和温度监测模块；
所述温度监测模块包括第一测温传感器和信号采集回路；所述第一测温传感器设置于IGBT芯片测温点处，且与信号采集回路连接；
所述光路控制模块用于：控制所述温度监测模块的发射光的频率。
2.如权利要求1所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述第一测温传感器为光纤光栅传感器，包括光纤光栅和光纤，所述光纤光栅通过光纤接入信号采集回路。
3.如权利要求2所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述光纤光栅为双层钢管封装式FBG光纤光栅。
4.如权利要求3所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述封装式FBG光纤光栅，包括至少一个FBG、钢管、设置于钢管内的钢柱和两个套管；
所述钢柱上具有至少一个开槽，各FBG分别设置于所述开槽内；
所述钢管与光纤连接；所述两个钢管分别套接于所述钢柱外侧的光纤上，且所述两个套管朝向所述钢柱侧的一端均设置于钢管内侧，且与所述钢管内侧壁紧密贴合。
5.如权利要求3所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述IGBT芯片测温点位于散热器与IGBT芯片接触表面。
6.如权利要求5所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述散热器与IGBT芯片接触表面具有多个开槽，每个开槽为一个测温通道，每个测温通道上至少具有3个测温点。
7.如权利要求6所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述封装式FBG光纤光栅为多个，每个测点对应一个封装式FBG光纤光栅，位于一个测温通道上多个测温点上的多个封装式FBG光纤光栅通过一跟光纤进行串联。
8.如权利要求1所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述温度监测模块还包括第二温度传感模块，所述第二温度传感器与信号采集回路连接；
所述第二温度传感模块设置于IGBT电容母排处，且与所述电容母排紧密贴合。
9.如权利要求8所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述第二温度传感模块包括钢片式光纤传感器或陶瓷光纤传感器。
10.如权利要求8所述的IGBT监测装置，其特征在于，所述信号采集回路包括：可调谐激光器、PLC光开关、光谱分析模块和光电探测模块；
所述PLC光开关与第一测温传感器或第二测温传感器连接；
所述光路控制模控制可调谐激光器发射不同频率的光，然后进入PLC光开关中，通过光开关中选通的通道进入第一测温传感器或第二测温传感器；光经过所述第一测温传感器或第二测温传感器进行测温后满足反射条件的中心波长进入光谱分析模块中，经解调后得到调制波长，并经过光电探测模块转换为电信号经进入光路控制模块。
11.一种大功率IGBT监测装置，其特征在于，包括：功率监测板，所述功率监测板固定于取能电源的屏蔽盒上方且与所述取能电源的输出线连接；所述功率检测板上设有电路控制模块和功耗监测模块；
所述功耗监测模块用于对功率监测板进行采样得到采样数据；
所述电路控制模块用于基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数；还用于基于所述分量个数，利用Prony法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率。
12.一种大功率IGBT的功率监测方法，其特征在于，包括：
对功率监测板进行采样得到采样数据；
基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数；
基于所述分量个数，利用Prony法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率。
13.如权利要求12所述的监测方法，其特征在于，所述对驱动板进行采样得到采样数据包括：
对驱动板电压和电流进行同步采样，得到采样数据；
所述采样数据包括：电压采样数据和电流采样数据。
14.如权利要求13所述的监测方法，其特征在于，所述基于所述采样数据利用频谱分析法确定分量个数，包括：
采用频谱分析法对所述采样数据中的电压采样数据或电流采样数据进行分析，确定所述采样数据中的信号的数量；
以所述信号的数量确定分量个数。
15.如权利要求12所述的监测方法，其特征在于，所述基于所述分量的个数，利用Prony算法对所述采样数据进行处理得到有功功率和无功功率，包括：
基于所述电压采样数据和电流采样数据分别利用扩展阶矩阵结合Prony算法进行估算得电压分量序列和电流分量序列，以及所述电压分量序列对应的多个特征量和所述电流分量序列对应的多个特征量；
所述电压分量序列对应的特征量至少包括下述信息中的一种或多种：电压幅值、电压相位和频率；所述电流分量序列对应的特征量至少包括下述信息中的一种或多种：电流幅值、电里相位和频率；
基于所述电压分量序列对应的多个特征量和所述电流分量序列对应的多个特征量分别结合有功功率计算式和无功功率计算式确定有功功率和无功功率。
16.如权利要求15所述的监测方法，其特征在于，所述电流分量序列对应的特征量满足下式：
Figure FDA0003519470940000031
式中，i(t)为电流采样数据，Ik为电流分量序列中第k个分量的电流幅值，ψk为电流分量序列中第k个分量的电流相位，fk为电流分量序列中第k个分量的频率，N为分量个数，t为采样周期；
所述电压分量序列对应的特征量满足下式：
Figure FDA0003519470940000032
式中，u(t)为电压采样数据，Uk为电压分量序列中第k个分量的电压幅值，
Figure FDA0003519470940000033
为电压分量序列中第k个分量的电压相位。
17.如权利要求15所述的监测方法，其特征在于，所述基于所述特征量分别结合有功功率计算式和无功功率计算式确定有功功率和无功功率，包括：
基于电流相位和低压相位确定相位差；
基于所述电流幅值、相位差和有功功率计算式确定各有功分量；
基于所述电压幅值、相位差和无功功率计算式确定各无功分量；
将所有有功功率进行拟合得到有功功率，将所有无功分量进行拟合得到无功功率。
18.如权利要求17所述的监测方法，其特征在于，所述有功功率计算式如下：
Figure FDA0003519470940000041
式中，P为有功功率；θk为第K个电压相位和电流相位差，且
Figure FDA0003519470940000042
P1为基波有功功率，且P1＝U1I1cosθ1；Ph为谐波有功功率和，且
Figure FDA0003519470940000043
Uk为电压分量序列中第k个分量的电压幅值；Ik为电流分量序列中第k个分量的电流幅值；
所述无功功率计算式如下：
Figure FDA0003519470940000044
式中，Q为无功功率；Q1为基波无功功率，且Q1＝U1I1sinθ1；Qh为谐波无功功率和，且
Figure FDA0003519470940000045
19.一种大功率IGBT监测系统，其特征在于，包括上位机、交换机、相互连接的电路控制模块和功耗监测模块以及相互连接的光路控制模块和温度监测模块；
所述电路控制模块和功耗监测模块如权利要求11所述的一种大功率IGBT监测装置中所述的电路控制模块和功耗监测模块；
所述光路控制模块和温度监测模块如权利要求1至10任意项所述的一种大功率IGBT监测装置中所述的光路控制模块和温度监测模块；
所述光路控制模块和电路控制模块均通过交换机将数据发送至上位机。
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