CN104915538A - 一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，首先根据光伏逆变器元件类似于电力变压器元件的功能和结构，建立光伏逆变器元件温度预测方程，然后分别计算光伏逆变器散热器温升，以及逆变器元件温升，最后得到光伏逆变器的主要电子元件电容器和IGBT的温度。本发明引入了风速因子c和散热器因子k，散热器因子k是一个重要的量它可以反映一个光伏逆变器的热性能，并且本发明可以精确预计一般逆变器散热的温度为±3°C，在不同风速下的散热系数通过模拟计算的值和实际测量的差异小于10%。

Description

一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法

技术领域

本发明涉及一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，属于光伏逆变器技术领域。

背景技术

逆变器是光伏系统中不可分割的一部分,必须正常运行以保证系统输出的最大化。电力电子设备的生命周期的可靠性很大程度上取决于运作温度,运作温度则取决于负载和环境条件。在气冷式逆变器中，风扇和散热片是用来减轻加热元件温度为了提高长期可靠性。操作温度通常与电元件的平均故障间隔时间(MTBF)有关。

在实际应用中有一个程序元件精确的温度值是非常重要的。R.Bharti,et al.,"Nominaloperating cell temperature(NOCT):effects of module size,loading and solar spectrum,"inProceedings of the 2009 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference(PVSC 2009),Philadelphia,PA,USA,2009,pp.6-12，提出了光伏逆变器简化模型的温度评估,描述了逆变器空间的温度上升与入射辐照度的线性函数，逆变器元件温度公式参考Peng,et al.,"Reliabilityevaluation of grid-connected photovoltaic power systems,"IEEE Transactions on SustainableEnergy,vol.3,pp.379-89,July 2012。在IGBT逆变器内和二极管结温度计算时，使用这些元件的运行参数。一些出版物介绍逆变器元件功率损耗和有限元热模型逆变器散热器的分析，也有许多出版物关注光伏模块的温度评估和太阳能热收集器。然而,很少有去讨论逆变器的温度计算和可靠性评估,从光伏系统的环境和操作条件的角度来看,如辐照度、环境温度和光伏系统配置。单个元件,如电容器、IGBT、变压器和电路板的热力学知识可能会对评估系统的可靠性有用。

发明内容

本发明的提供一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，给出了光伏逆变器的主要元件电容器和IGBT的温度预测模型。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，包括以下步骤：

1)建立光伏逆变器元件温度预测方程：

T_C＝T_A+ΔT_H+ΔT_C                    (1)

其中，T_A为环境温度，ΔT_H为散热器温升，ΔT_C为逆变器元件温升，T_C为光伏逆变器元件温度；

2)计算散热器温升ΔT_H；

3)计算逆变器元件温升ΔT_C；

4)根据所述步骤1)的光伏逆变器元件温度预测方程，所述步骤2)求得的散热器温升，所述步骤3)求得的逆变器元件温升得到光伏逆变器元件温度。

前述的步骤2)散热器温升的计算过程为：

2-1)建立光伏逆变器散热器的热平衡状态方程：

Q_A＝Q_C+Q_R                                 (2)

其中，Q_C为热对流，Q_R为从逆变器散热器表面辐射的热交换的热量，Q_A为散热器吸收的热量，

所述Q_C，Q_R，Q_A分别通过如下公式表示：

Q_A＝P_dc-P_ac                                   (3)

Q_C＝H_w×A(T_H-T_A)＝H_w×A×ΔT_H                                  (4)

Q_R＝A×σ(T_H ⁴-T_E ⁴)                                 (5)

其中，P_dc,P_ac,H_w,A，σ,T_H,T_A,和T_E分别表示逆变器直流电输入值，交流电输出值，对流传热系数，散热器的表面积，斯特凡·波尔兹曼常数，逆变器散热器温度，环境温度，逆变器架或盖温度；

2-2)考虑到Q_C远远大于Q_R，为了简化方程，忽视Q_R，则逆变器散热器的热平衡状态方程式(2)简化成如下形式：

Q_A＝Q_C＝H_w×A(T_H–T_A)＝A×H_w×ΔT_H＝P_dc-P_ac                    (6)

其中，ΔT_H表示逆变器散热器温度和环境温度的温差：

$\mathrm{\Δ}{T}_H=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{A\×H_w}---\left(7\right);$

2-3)所述步骤2-2)中的对流传热系数T_H通过如下表示：

H_w＝a+b×V_w,V_w≤5m/s                              (10)

其中，a，b分别为自定义系数，V_w为风速；

则，式(7)变为：

$\mathrm{\Δ}{T}_H=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{A\×(a+b\×V_w)}---\left(11a\right)$

2-4)考虑到散热器的表面积A难以定义或测量，故将其替换，另外定义系数c和k取代系数a和b，则式(11a)变为如下形式：

$\mathrm{\Δ}{T}_H=\frac{k}{(1+c\×V_w)}\×\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R}---\left(11b\right)$

其中，P_R，c，k分别表示逆变器的额定功率，风速因子和风速为0时的散热器因子；

将式(11b)进行重新整理，得到：

ΔT_H＝K_ws×P_cpr                         (11c)

$K_{\mathrm{ws}}=\frac{k}{(1+c\×V_w)}---\left(12\right)$

$P_{\mathrm{cpr}}=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R}---\left(13\right)$

其中，K_ws为散热系数，P_cpr为逆变器的消耗功率比；

2-5)将散热器与风速相关的温升校正为风速为0时的散热器温升如下：

$\mathrm{\Δ}{T}_{H_0}=(1+c\×V_w)\×\mathrm{\Δ}{T}_{H_{\mathrm{Vw}}}---\left(14\right).$

前述的步骤3)逆变器元件温升的计算过程如下：

3-1)逆变器元件温升ΔT_C通过下式表示：

ΔT_C＝k′×P_C                               (15)

其中，P_C为每个逆变器元件的功率消耗，k′为每个逆变器元件的散热系数；

3-2)光伏逆变器元件主要包括电容器和IGBT；

所述电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔT_cc为：

ΔT_cc＝K′_c×P_cc

其中，K′_c为电容器的散热系数，P_cc为电容器的功率消耗；

所述IGBT在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔT_CI为：

ΔT_CI＝ki′×P_ci

其中，ki′为IGBT的散热系数，P_ci为IGBT的功率消耗。

前述的电容器的功率消耗包括介质滞后和介质泄漏：

P_cc＝I_r ²×R_s+I_L×V_L                             (17)

其中，I_r是电容中波纹电流的均方根，R_s是电容的等效串联电阻，I_L是电容器中的介质泄漏电流，V_L是电容器的纹波电压；

其中，波纹电流的均方根I_r用如下方式计算：

$I_r=\frac{P_o}{\sqrt{2}{V}_d}---\left(18\right)$

其中，P_o是逆变器的输出功率，V_d是逆变器的直流输入电压，

忽略掉泄漏电流I_L，则电容器的功率消耗P_cc为：

$P_{\mathrm{cc}}={I_r}^2\×R_s=\frac{1}{2}\×R_s\×{\left(\frac{P_o}{V_d}\right)}^2=\frac{1}{2}\×R_s\×{I_{\mathrm{inverter}}}^2\∝{I_{\mathrm{inverter}}}^2,$

其中，I_inverter是逆变器的输出电流；

则，电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔT_cc为：

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{cc}}=K_c^{\′}\×P_{\mathrm{cc}}=\frac{1}{2}{K}_c^{\′}\×R_s\×{I_{\mathrm{inverter}}}^2\∝{I_{\mathrm{inverter}}}^2---\left(19\right).$

前述的IGBT的功率消耗P_ci包括导通损耗P_cond，开关损耗P_sw和阻塞损失P_b：

P_ci＝P_cond+P_sw+P_b；

所述导通损耗P_cond通过下式表示：

P_cond＝U_ceo×I_av+r_c×I_rms ²                                (21)

其中，U_ceo为IGBT通态零电流集电极-发射极点电压，r_c为集电极-发射极通态电阻，I_av为IGBT的平均电流，I_rms为IGBT电流的均方根值；

所述开关损耗P_sw通过下式表示：

P_sw＝f_sw(E_onm+E_offm)I_s/I_nom                          (22)

其中，f_sw为是开关频率，I_s为IGBT的工作电流，I_nom为IGBT的额定电流，E_onm为IGBT单次开消耗的能量，E_offm为IGBT单次开消耗的能量；

忽略阻塞损失P_b，

则IGBT的功率消耗P_ci为：

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ci}}=P_{\mathrm{cond}}+P_{\mathrm{sw}}\\ =U_{\mathrm{ceo}}\×I_{\mathrm{av}}+r_c\×{I_{\mathrm{rms}}}^2+\frac{f_{\mathrm{sw}}(E_{\mathrm{onm}}+E_{\mathrm{offm}})I_s}{I_{\mathrm{nom}}}\end{array}---\left(23\right);$

定义K₁和K₂：

$K_1=k{i}^{\′}\×U_{\mathrm{ceo}}\×\frac{I_{\mathrm{av}}}{I_{\mathrm{inverter}}}+k{i}^{\′}\×\frac{f_{\mathrm{sw}}(E_{\mathrm{onm}}+E_{\mathrm{offm}})}{I_{\mathrm{nom}}}\×\frac{I_s}{I_{\mathrm{inverter}}}---\left(25\right)$

$K_2=k{i}^{\′}\×r_c\×{\left(\frac{I_{\mathrm{rms}}}{I_{\mathrm{inverter}}}\right)}^2---\left(26\right)$

则IGBT在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔT_CI为：

ΔT_CI＝ki′×P_ci＝I_inverter(K₁+K₂×I_inverter)                        (24)

其中，I_inverter是逆变器的输出电流。

本发明提供了一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，可以精确预计一般逆变器散热的温度为±3℃，在不同风速下的散热系数通过模拟计算的值和实际测量的差异小于10％，本发明用于预测光伏逆变器元件温度，具有较高的精度和可靠性。另外，本发明引入了风速因子c和散热器因子k，散热器因子k是一个重要的量，它可以反映一个光伏逆变器的热性能。

附图说明

图1a为S1和S2逆变器的安装位置示意图；

图1b为S3逆变器的安装位置示意图；

图2为逆变器S3在不同的风速下的散热器温升值；

图3a为逆变器S3的散热系数的模拟结果和实测计算结果的对比；

图3b为逆变器S1，S2的散热系数的模拟结果和实测计算结果的对比；

图4a为逆变器S3在相同风速条件下散热器的温升与逆变器功率消耗比的关系；

图4b为逆变器S1在相同风速条件下散热器的温升与逆变器功率消耗比的关系；

图4c为逆变器S2在相同风速条件下散热器的温升与逆变器功率消耗比的关系；

图5a为3个逆变器在3种典型的晴天情况下，经风速校正后的逆变器的散热器温升实测值与交流电源之间的关系；

图5b为3个逆变器在3种典型的晴天情况下，经风速校正后的逆变器的温升实测值与逆变器的功率消耗比之间的关系；

图6为低风速条件下和高风速条件下，散热器温升的实测值和模拟计算值对比；

图7a为深色逆变器在阴影情况下和无遮挡情况下散热器温升的实际测量值和模拟计算值的对比；

图7b为浅色逆变器在阴影情况下和无遮挡情况下散热器温升的实际测量值和模拟计算值的对比。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

根据电力变压器元件的温度计算模型中，变压器绕组热点温度是三部分的总和：环境温度、顶部油温升和超过最高油温的热点温升，即一个元件的热点温度通过把环境温度加到最高油温升和热点温升上来计算,光伏逆变器元件类似于电力变压器元件的功能和结构，同样的光伏逆变器元件温度可以被这样计算：

T_C＝T_A+ΔT_H+ΔT_C                               (1)

其中，T_A为环境温度，ΔT_H为散热器温升，即散热器温度和散热器周围空气之间的温差，ΔT_C为元件温升，即逆变器元件与和散热器之间的温度差。

逆变器通过转变电能产生的热量主要是通过铝散热片扩散。逆变器散热器的热平衡通过如下计算：

Q_A＝Q_C+Q_R                           (2)

其中，Q_C为热对流，Q_R为从逆变器散热器表面辐射的热交换的热量，Q_A为散热器吸收的热量，

上述这些量，可以通过如下公式表示：

Q_A＝P_dc-P_ac                                (3)

Q_C＝H_w×A(T_H-T_A)＝H_w×A×ΔT_H                          (4)

Q_R＝A×σ(T_H ⁴-T_E ⁴)                          (5)

其中，P_dc,P_ac,H_w,A，σ,T_H,T_A,和T_E分别表示逆变器直流电输入值，交流电输出值，对流传热系数，散热器的表面积，斯特凡·波尔兹曼常数，逆变器散热器温度，环境温度(散热器周围的空气温度)，逆变器架或盖温度。

一般来说,Q_C远远大于Q_R，所以，为了简化方程,我们忽视Q_R，则逆变器散热器的热平衡式(2)可以简化成如下形式：

Q_A＝Q_C＝H_w×A(T_H–T_A)＝A×H_w×ΔT_H＝P_dc-P_ac                   (6)

ΔT_H表示逆变器散热器温度和散热器周围空气之间的温差，即散热器温升：

$\mathrm{\Δ}{T}_H=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{A\×H_w}---\left(7\right).$

式(7)中，对流传热系数H_w取决于风速，麦克亚当斯在1954年做了实验研究,在一个垂直安装在一个风道里的0.5平方米被加热的铜板上进行试验，基于Jurges的实验数据，麦克亚当斯写出了由风引起对流传热系数和风速之间的相关性：

H_w＝5.7+3.8V_w,V_w≤5m/s                        (8)

其中，V_w为风速。

Kumaretal于2010年研究了平板太阳能集热器的传热,并提出两个流传热系数的公式，如下：

H_w＝(6.9±0.05)+(3.87±0.13)V_w,V_w≤1.12m/s                   (9)

基于上述研究结果,敞开式支架安装的逆变器的对流传热系数可以如下表示：

H_w＝a+b×V_w,V_w≤5m/s                                (10)

其中，a，b分别为自定义系数，

结合式(7)和(10)得：

$\mathrm{\Δ}{T}_H=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{A\×(a+b\×V_w)}---\left(11a\right).$

在本发明中，一方面由于散热器的表面积A难以定义或测量，故将其替换，另一方面，为了使系数更加相互独立，用c和k系数取代系数a和b，得到：

$\mathrm{\Δ}{T}_H=\frac{k}{(1+c\×V_w)}\×\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R}---\left(11b\right)$

其中，P_R，c，k分别表示逆变器的额定功率,风速因子和风速为0时的散热器因子。

式(11b)也可以写成如下形式：

ΔT_H＝K_ws×P_cpr                         (11c)

$K_{\mathrm{ws}}=\frac{k}{(1+c\×V_w)}---\left(12\right)$

$P_{\mathrm{cpr}}=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R}---\left(13\right)$

其中，K_ws为散热系数，是关于风速的函数，P_cpr为逆变器的消耗功率比。

式(11b)表示的散热器温升为风速的函数，我们将与风速有关的散热器温升ΔT_H表示为即：

$\mathrm{\Δ}{T}_{H_{\mathrm{Vw}}}=\frac{k}{(1+c\×V_w)}\×\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R},$

可见，散热器温度上升显示风速的实际变化，对它进行校正,使对散热器温升的评估可以不考虑风的影响，将散热器温升校正为风速为0时的散热器温升如下：

将V_w等于0代入式(11b)，得到：

$\mathrm{\Δ}{T}_{H_0}=k\×\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R},$

再联合

$\mathrm{\Δ}{T}_{H_{\mathrm{Vw}}}=\frac{k}{(1+c\×V_w)}\×\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R},$ 即可得到式(14)公式

$\mathrm{\Δ}{T}_{H_0}=(1+c\×V_w)\×\mathrm{\Δ}{T}_{H_{\mathrm{Vw}}}---\left(14\right).$

下面通过实验来验证本发明方法的可靠性。

如图1a和图1b所示，为在美国科罗拉多州研究的三个并网光伏系统，三个逆变器S1,S2和S3,分别安装每个光伏系统的北部,在开放架下。其中，S1为品牌Sunpower逆变器，功率2000Wp，白色散热器，安装在S2上部，S2为品牌Sunpower逆变器，功率2000Wp，白色散热器，安装在S1下部。S3为品牌SMA逆变器，功率1800Wp，黑色散热器，安装在一台Sunpower逆变器下部。每个逆变器散热器都固定了温度传感器，风速传感器安装在2米的平台上，在每个光伏系统的东部来测量风速，每个光伏系统的峰值功率是1.5–2kwp。试验期间超过一年,逆变器直流和交流电功率,辐照度,风速和逆变器散热器温升被记录下来，其中散热器温升数据平均1分钟采集一次。为了减少雪和阳光的影响,存储数据按时间和直流电源和辐照度之比，相关数据比如阳光直射或雪覆盖在在逆变器表面，这些数据在测绘的时候都会删除，异常数据,比如说直流电和交流电负值的数据将被删除。利用方程式(11b)对采集的数据进行拟合。拟合结果表明,k、c分别是454℃和0.29(s/m)，然而对逆变器S3，类似的分析发现k是在450-600℃之间，c的范围是从0.20到0.30(s/m),如表1所示，与逆变器S3相比,S1和S2有较高的散热器因子(k),这意味着较差的逆变器的散热性能。

表1 三个光伏逆变器的模型系数

1、风速因子c的可靠性

逆变器散热取决于当地的风速。图2显示了逆变器S3的散热器测量温升,与逆变器功率消耗比在不同的风速情况下有关。图2中，横坐标表示功率消耗比，纵坐标表示散热器温升值，◆为风速为0-0.1m/s的温升实测值，+为风速为1±0.01m/s的温升实测值，▲为风速为2±0.01m/s的温升实测值，×为风速为3±0.01m/s的温升实测值，*为风速为5±0.02m/s的温升实测值，·为风速为8±0.1m/s的温升实测值，线条从上到下依次为风速为0-0.1m/s，1±0.01m/s，2±0.01m/s，3±0.01m/s，5±0.02m/s，8±0.1m/s的线性表示。散热器温升是根据一年的数据风速的分类来绘制，不同风速下的散热系数K_ws，可以通过计算散射数据的线性斜率来进行推断，如图2所示。根据表1中的风速因子，不同风速下的散热系数可以通过公式(12)得到。S3逆变器的散热系数根据公式(12)计算得到的模拟结果和根据实测数据线性斜率的计算结果的比较如图3(a)中所示，模拟结果与实测计算结果偏离<10％。同样的,我们比较S1和S2逆变器，模拟结果与实测计算结果的差异也是<10％，如图3(b)所示。图3中，横坐标为风速，纵坐标为散热系数。因此，该风速因子c和公式(11b)可以用来大约评估开口型安装光伏逆变器风速对散热的影响。

2、散热器因子k的可靠性

根据上述所讨论的风速因素,所有的逆变器散热器的温升数据都可以被修正，然后使用公式(14)统一到同一风速(0m/s)条件。风速校正如图4所示，显示出三个逆变器独立于风速条件下逆变器散热器温升和功率消耗比之间的相关性。图中，纵坐标表示逆变器在相同风速下的散热器温升，单位是℃，横坐标表示逆变器消耗功率比，+表示测量值，◆表示测量值平均值，实线表示模拟计算值。图中所示的平均散热器温升由在同一功率消耗比情况下50个不同的温升值进行风速修正后求平均值得到的。

散热器因子随逆变器的类型而不同，该模型计算一个温度点误差±10℃的温度偏差范围是显而易见的,但它在预测逆变器温度的平均值是很准确的。如图4所示，逆变器的散热器温升的平均值非常接近基于表1中的公式的建模结果。图4(a)展示了逆变器S3的瞬时测量散热器温升与模型(R²＝0.71)的相关性，当数据求平均值时这种匹配度更高(R²＝0.97)，这里的R是线性相关系数，excel做公式拟合时可以直接得到。我们从S1和S2逆变器也得到了类似的结果,如图4(b)和图4(c)所示。这两项数字意味着在零消耗功率时还有散热器温升,这可能是热滞后伴随着逆变器的热容量附带功率所造成的。一些逆变器有一个附带功率,可能影响单个元件的温度，即使逆变器是封闭的。为了对逆变器的可靠性进行评估，平均温度的知识可能是足够的,缓解了需要开发一个瞬态模型的需要,尽管降解过程有很高的激活能量受由短时间花在高温下主导。受雪影响而数据遗漏不太可能影响可靠性,但当逆变器在阳光直射，高温下可能降低可靠性，一些制造商需要逆变器安装在一个持续有阴影的位置，对于安装在阳光充足位置的逆变器，在可靠性评估完成之前模型必须进一步修改，因为太阳照射可以缩短逆变器的使用寿命。

3、功率消耗比和交流电源的影响

曾经逆变器的效率被认为是常数，用交流电源代替功率消耗比来计算逆变器温度上升，为了显示交流电源和功率消耗比对逆变器散热器温度上升量上的不同影响，选择3个典型晴天天气下的光伏逆变器S1，S2，S3的散热器温度上升曲线，这3天分别从冬季，春季，夏季里面选取。当有雪覆盖或者有阳光直接照射在逆变器散热器表面，数据将被过滤除去。图5(a)显示了交流电源和经过风速校正后的逆变器散热器温度上升量的相关性，图中，纵坐标表示经风速校正后的逆变器的温升实测值，横坐标表示交流电源，图5(b)展示了功率消耗比和和经过风速校正后的逆变器散热器温度上升量的相关性，图中，纵坐标表示经风速校正后的逆变器的温升实测值，横坐标表示直流电源，逆变器的功率消耗比。图5(a)和(b)中的散热器温度上升数据是经过方程(14)风速修正的。图5a和5b中，■表示逆变器S1第一天的值，◆表示逆变器S2第一天的值，▲表示逆变器S3第一天的值，*表示逆变器S1第二天的值，×表示逆变器S2第二天的值，+表示逆变器S3第二天的值，□表示逆变器S1第三天的值，○表示逆变器S2第三天的值，△表示逆变器S3第三天的值。将逆变器的效率或者是功率损耗百分数看做一个常数，用交流电源代替逆变器功率消耗比，在图5(a)中逆变器合理的温度上升量显示的是Y轴距远高于起源点，反映了即使逆变器不工作，寄生用电依然存在。相比之下，图5(b)中显示的交点更加接近起源点，显示了消耗多少功率会导致散热器的温度上升。这些逆变器的数据能通过一个相关性系数0.8或者更高的系数，与公式(11b)相吻合。同样，逆变器效率与直流输入量也是不同的。所以，功率消耗比对于计算散热器温升是很重要的。

4、可靠性分析

逆变器温升模型是基于热稳定状态条件，而实际的现场条件是动态的。辐照度的变化，风速的变化和逆变器安装精度的变化都是动态条件。我们发现在图4测量的散热器平均温升比低逆变器功率消耗比情况下高，而比高功率消耗比逆变器情况下低，这可能是由于太阳辐照度变化与寄生耗电能力相结合。当太阳辐照度突然减小，逆变器功率消耗比将伴随着逆变器直流的功率下降而减小(功率消耗比依赖逆变器效率和直流电源)，基于方程(11c)的散热器温升立即减少，而实际散热器温度下降缓慢，这样测得的散热器温升将比模型计算的温升高，这是由于逆变器热含量产生的时间滞后造成的。我们比较了不同天的温升测量值和模拟计算值，发现逆变器温度模型更加适合晴天。在晴天，光伏系统表面上的辐照度相对比较稳定，这导致在很短的时间间隔里直流电源和逆变器功率消耗比变化幅度很小。对于多云的天气，逆变器直流电源和功率消耗比与辐照度急剧变化导致测量温升滞后于模拟计算的温度上升量。逆变器温度模型的不准确性在一定程度上在阴天更加突出,因为模型不描述瞬态行为。

实际测量的散热器温度上升曲线与拟合的趋势线之间偏离可以从图2中看出。比较散热器温升的实测值和模拟计算值，图6是显示逆变器S3在高、低风速条件下散热器温度上升的测量值和模拟计算值对比。其中，直线为模拟计算值，+为0～0.1m/s风速，·为8±0.1m/s风速，横坐标为模拟计算的散热器温升，单位是℃，纵坐标为实际测量的散热器温升，单位是℃。相比风速为0～0.1m/s，8m/s的风速条件下，逆变器温度和功率消耗比之间相关性要好的多。对高风速而言，热扩散的速度允许逆变器快速达到稳定状态。逆变器的温度计算模型是基于热稳态条件,因此,在更高的风速的情况下，实测结果与预测结果显示更好的一致性。

光照在逆变器散热器表面添加了一个额外的热源如方程(3)所示，给模型造成一定的偏差。本发明在数据处理过程中已经过滤删除与阳光直射和/或雪覆盖相关的数据。如果有光照在逆变器散热器表面的表面，则测量温度会有所不同。图7(a)显示了阴影情况下和无遮挡情况下的散热器温升测量值和模拟计算值的对比。图7(b)显示了一个浅色逆变器类似的数据。图7a和7b中，+表示阴影情况下散热器温升实际测量值，·表示无遮挡情况下散热器温升的实际测量值，直线为阴影情况下散热器温升的模拟计算值，虚线表示无遮挡情况下散热器温升的模拟计算值。逆变器表面无遮蔽的条件下，低线性相关系数(R)和高散热器因子(k)更容易被找到。阳光直射在逆变器表面会导致更高和更少的可预测的逆变器工作温度。对于黑色逆变器，最大温升可达到5摄氏度，对于浅色逆变器在阳光直射下温升会小于3摄氏度。

总体看来,逆变器温升模型偏差的概率在不同功率消耗比或风速条件下是可变的。逆变器温升的模拟计算值和测量值之间还有一些区别的。然而,这些由动态辐照度或风速引起的温度偏差可以通过计算平均值而大部分抵消掉。所以，本发明的预测方法能够很好的预测开口型安装的逆变器平均温度。

最后，逆变器中包含着电子元件，电子元件和散热器之间的热传递系数是相对稳定的。逆变器的元件和散热器之间的温度差ΔT_C可以近似表示为：

ΔT_C＝k′×P_C                            (15)

其中，P_C为每个逆变器元件的功率消耗，k′为每个逆变器元件的散热系数。

逆变器元件的温度T_C可以用如下公式表示：

T_C＝T_H+ΔT_C＝T_H+k″×P_C                      (16)

每个元件都有一个不同的热耗散水平和吸收水平，所以公式(16)适用于每一个元件。

电容器和IGBT是逆变器中的两个重要组成部分，电容器失效可能是逆变器故障的主要因素。在电容器的功率消耗由两部分组成：介质滞后和介质泄漏，如式(17)所示：

P_cc＝I_r ²×R_s+I_L×V_L                               (17)

其中，I_r是电容中波纹电流的均方根，R_s是电容的等效串联电阻，I_L是电容器中的介质泄漏电流，V_L是电容器的纹波电压。通常，泄漏电流I_L很小，可以被忽略掉，波纹电流的均方根可用如下方式计算：

$I_r=\frac{P_o}{\sqrt{2}{V}_d}---\left(18\right)$

其中，P_o是逆变器的输出功率，V_d是逆变器的直流输入电压，在稳定状态下的电容器的温度和散热器之间的温度差，可以近似为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{\mathrm{cc}}=K_c^{\&prime;}\&times;P_{\mathrm{cc}}=K_c^{\&prime;}\&times;({I_r}^2\&times;R_s+I_L\&times;V_L)\\ \&ap;K_c^{\&prime;}\&times;{I_r}^2\&times;R_s=\frac{1}{2}{K}_c^{\&prime;}\&times;R_s\&times;{\left(\frac{P_o}{V_d}\right)}^2=\frac{1}{2}{K}_c^{\&prime;}\&times;R_s\&times;{I_{\mathrm{inverter}}}^2\&Proportional;{I_{\mathrm{inverter}}}^2\end{array}---\left(19\right)$

其中，K′_c为电容器的散热系数，I_inverter是逆变器的输出电流。

与其他半导体器件的功率损耗一样，IGBT的功率消耗P_ci包括三部分：导通损耗P_cond，开关损耗P_sw和阻塞(泄漏)损失P_b，通常，阻塞(泄漏)损失P_b很小，可以忽略不计，所以：

P_ci＝P_cond+P_sw+P_b≈P_cond+P_sw                         (20)

IGBT的导通损耗可以将IGBT近似为一个直流电压源串U_ceo，表现为IGBT通态零电流集电极-发射极点电压和集电极-发射极通态电阻r_c来计算：

P_cond＝U_ceo×I_av+r_c×I_rms ²                           (21)

其中，I_av为IGBT的平均电流，I_rms为IGBT电流的均方根值。

IGBT中的开关损耗为：

P_sw＝f_sw(E_onm+E_offm)I_s/I_nom                        (22)

其中，f_sw为是开关频率，I_s为IGBT的工作电流，I_nom为IGBT的额定电流，E_onm为IGBT单次开消耗的能量，E_offm为IGBT单次开消耗的能量。

综上，IGBT的功率消耗可以用如下公式计算：

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ci}}=P_{\mathrm{cond}}+P_{\mathrm{sw}}\\ =U_{\mathrm{ceo}}\&times;I_{\mathrm{av}}+r_c\&times;{I_{\mathrm{rms}}}^2+\frac{f_{\mathrm{sw}}(E_{\mathrm{onm}}+E_{\mathrm{offm}})I_s}{I_{\mathrm{nom}}}\end{array}---\left(23\right)$

在稳定状态下的IGBT的温度和散热器之间的温度差可以近似为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{\mathrm{CI}}=k{i}^{\&prime;}\&times;P_{\mathrm{ci}}\\ =k{i}^{\&prime;}\&times;(U_{\mathrm{ceo}}\&times;I_{\mathrm{av}}+r_c\&times;{I_{\mathrm{rms}}}^2+\frac{f_{\mathrm{sw}}(E_{\mathrm{onm}}+E_{\mathrm{offm}})I_s}{I_{\mathrm{nom}}}\\ =I_{\mathrm{inverter}}\&times;[k{i}^{\&prime;}\&times;U_{\mathrm{ceo}}\&times;\frac{I_{\mathrm{av}}}{I_{\mathrm{inverter}}}+k{i}^{\&prime;}\\ \&times;\frac{f_{\mathrm{sw}}(E_{\mathrm{onm}}+E_{\mathrm{offm}})}{I_{\mathrm{nom}}}\&times;\frac{I_s}{I_{\mathrm{inverter}}}+I_{\mathrm{inverter}}\&times;k{i}^{\&prime;}\&times;r_c\&times;{\left(\frac{I_{\mathrm{rms}}}{I_{\mathrm{inverter}}}\right)}^2]\\ =I_{\mathrm{inverter}}(K_1+K_2\&times;I_{\mathrm{inverter}})\end{array}---\left(24\right)$

其中，K₁和K₂是IGBT定义的温度系数：

$K_1=k{i}^{\&prime;}\&times;U_{\mathrm{ceo}}\&times;\frac{I_{\mathrm{av}}}{I_{\mathrm{inverter}}}+k{i}^{\&prime;}\&times;\frac{f_{\mathrm{sw}}(E_{\mathrm{onm}}+E_{\mathrm{offm}})}{I_{\mathrm{nom}}}\&times;\frac{I_s}{I_{\mathrm{inverter}}}---\left(25\right)$

$K_2=k{i}^{\&prime;}\&times;r_c\&times;{\left(\frac{I_{\mathrm{rms}}}{I_{\mathrm{inverter}}}\right)}^2---\left(26\right)$

其中，ki′为IGBT的散热系数。

上述得到了各逆变器元件与散热器温度之间的温度差ΔT_C，对于电容器来说是ΔT_cc，对于IGBT来说是ΔT_CI，再根据式(11c)求得的ΔT_H或者式(14)求得的结合式(1)，即可得到各逆变器元件的温度，其中，环境温度T_A为直接测量值，如果采用式(11c)求得的ΔT_H则计算的是与风速相关的逆变器元件温度，如果是采用式(14)求得的则计算的是经风速校正后的，0风速下的逆变器元件温度。或者是先根据式(11c)求得ΔT_H或者式(14)求得的再结合环境温度T_A，求得逆变器散热器温度T_H，再计算各逆变器元件与散热器温度之间的温度差ΔT_C，根据式(16)求得各逆变器元件的温度。

Claims (5)

1.一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立光伏逆变器元件温度预测方程：

T_C＝T_A+ΔT_H+ΔT_C   (1)

其中，T_A为环境温度，ΔT_H为散热器温升，ΔT_C为逆变器元件温升，T_C为光伏逆变器元件温度；

2)计算散热器温升ΔT_H；

3)计算逆变器元件温升ΔT_C；

4)根据所述步骤1)的光伏逆变器元件温度预测方程，所述步骤2)求得的散热器温升，所述步骤3)求得的逆变器元件温升得到光伏逆变器元件温度。

2.根据权利要求1所述的一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，其特征在于，所述步骤2)散热器温升的计算过程为：

2-1)建立光伏逆变器散热器的热平衡状态方程：

Q_A＝Q_C+Q_R   (2)

其中，Q_C为热对流，Q_R为从逆变器散热器表面辐射的热交换的热量，Q_A为散热器吸收的热量，

所述Q_C，Q_R，Q_A分别通过如下公式表示：

Q_A＝P_dc-P_ac   (3)

Q_C＝H_w×A(T_H-T_A)＝H_w×A×ΔT_H   (4)

Q_R＝A×σ(T_H ⁴-T_E ⁴)   (5)

其中，P_dc,P_ac,H_w,A，σ,T_H,T_A,和T_E分别表示逆变器直流电输入值，交流电输出值，对流传热系数，散热器的表面积，斯特凡·波尔兹曼常数，逆变器散热器温度，环境温度，逆变器架或盖温度；

2-2)考虑到Q_C远远大于Q_R，为了简化方程，忽视Q_R，则逆变器散热器的热平衡状态方程式(2)简化成如下形式：

Q_A＝Q_C＝H_w×A(T_H–T_A)＝A×H_w×ΔT_H＝P_dc-P_ac   (6)

其中，ΔT_H表示逆变器散热器温度和环境温度的温差：

${\mathrm{\&Delta;T}}_H=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{A\&times;H_w}---\left(7\right);$

2-3)所述步骤2-2)中的对流传热系数T_H通过如下表示：

H_w＝a+b×V_w,V_w≤5m/s   (10)

其中，a，b分别为自定义系数，V_w为风速；

则，式(7)变为：

${\mathrm{\&Delta;T}}_H=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{A\&times;(a+b\&times;V_w)}---\left(11a\right)$

2-4)考虑到散热器的表面积A难以定义或测量，故将其替换，另外定义系数c和k取代系数a和b，则式(11a)变为如下形式：

${\mathrm{\&Delta;T}}_H=\frac{k}{(1+c\&times;V_w)}\&times;\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R}---\left(11b\right)$

其中，P_R，c，k分别表示逆变器的额定功率，风速因子和风速为0时的散热器因子；

将式(11b)进行重新整理，得到：

ΔT_H＝K_ws×P_cpr   (11c)

$K_{\mathrm{ws}}=\frac{k}{(1+c\&times;V_w)}---\left(12\right)$

$P_{\mathrm{cpr}}=\frac{(P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}})}{P_R}---\left(13\right)$

其中，K_ws为散热系数，P_cpr为逆变器的消耗功率比；

2-5)将散热器与风速相关的温升校正为风速为0时的散热器温升如下：

${\mathrm{\&Delta;T}}_{H_0}=(1+c\&times;V_w)\&times;{\mathrm{\&Delta;T}}_{H_{\mathrm{Vw}}}---\left(14\right).$

3.根据权利要求1所述的一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，其特征在于，所述步骤3)逆变器元件温升的计算过程如下：

3-1)逆变器元件温升ΔT_C通过下式表示：

ΔT_C＝k′×P_C   (15)

其中，P_C为每个逆变器元件的功率消耗，k′为每个逆变器元件的散热系数；

3-2)光伏逆变器元件主要包括电容器和IGBT；

所述电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔT_cc为：

ΔT_cc＝K′_c×P_cc

其中，K′_c为电容器的散热系数，P_cc为电容器的功率消耗；

所述IGBT在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔT_CI为：

ΔT_CI＝ki′×P_ci

其中，ki′为IGBT的散热系数，P_ci为IGBT的功率消耗。

4.根据权利要求3所述的一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，其特征在于，所述电容器的功率消耗包括介质滞后和介质泄漏：

P_cc＝I_r ²×R_s+I_L×V_L   (17)

其中，I_r是电容中波纹电流的均方根，R_s是电容的等效串联电阻，I_L是电容器中的介质泄漏电流，V_L是电容器的纹波电压；

其中，波纹电流的均方根I_r用如下方式计算：

$I_r=\frac{P_o}{\sqrt{2}{V}_d}---\left(18\right)$

其中，P_o是逆变器的输出功率，V_d是逆变器的直流输入电压，

忽略掉泄漏电流I_L，则电容器的功率消耗P_cc为：

$P_{\mathrm{cc}}={I_r}^2\&times;R_s=\frac{1}{2}\&times;R_s\&times;{\left(\frac{P_o}{V_d}\right)}^2=\frac{1}{2}\&times;R_s\&times;{I_{\mathrm{inverter}}}^2\&Proportional;{I_{\mathrm{inverter}}}^2,$

其中，I_inverter是逆变器的输出电流；

则，电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔT_cc为：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_{\mathrm{cc}}=K_c^{\&prime;}\&times;P_{\mathrm{cc}}=\frac{1}{2}\&times;K_c^{\&prime;}\&times;R_s\&times;{I_{\mathrm{inverter}}}^2\&Proportional;{I_{\mathrm{inverter}}}^2---\left(19\right).$

5.根据权利要求3所述的一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，其特征在于，所述IGBT的功率消耗P_ci包括导通损耗P_cond，开关损耗P_sw和阻塞损失P_b：

P_ci＝P_cond+P_sw+P_b；

所述导通损耗P_cond通过下式表示：

P_cond＝U_ceo×I_av+r_c×I_rms ²   (21)

其中，U_ceo为IGBT通态零电流集电极-发射极点电压，r_c为集电极-发射极通态电阻，I_av为IGBT的平均电流，I_rms为IGBT电流的均方根值；

所述开关损耗P_sw通过下式表示：

P_sw＝f_sw(E_onm+E_offm)I_s/I_nom   (22)

其中，f_sw为是开关频率，I_s为IGBT的工作电流，I_nom为IGBT的额定电流，E_onm为IGBT单次开消耗的能量，E_offm为IGBT单次开消耗的能量；

忽略阻塞损失P_b，

则IGBT的功率消耗P_ci为：

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ci}}=P_{\mathrm{cond}}+P_{\mathrm{sw}}\\ =U_{\mathrm{ceo}}\&times;I_{\mathrm{av}}+r_c\&times;{I_{\mathrm{rms}}}^2+\frac{f_{\mathrm{sw}}(E_{\mathrm{onm}}+E_{\mathrm{offm}})I_s}{I_{\mathrm{nom}}}\end{array}---\left(23\right);$

定义K₁和K₂：

$K_1={\mathrm{ki}}^{\&prime;}\&times;U_{\mathrm{ceo}}\&times;\frac{I_{\mathrm{av}}}{I_{\mathrm{inverter}}}+{\mathrm{ki}}^{\&prime;}\&times;\frac{f_{\mathrm{sw}}(E_{\mathrm{onm}}+E_{\mathrm{offm}})}{I_{\mathrm{nom}}}\&times;\frac{I_s}{I_{\mathrm{inverter}}}---\left(25\right)$

$K_2={\mathrm{ki}}^{\&prime;}\&times;r_c\&times;{\left(\frac{I_{\mathrm{rms}}}{I_{\mathrm{inverter}}}\right)}^2---\left(26\right)$

则IGBT在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔT_CI为：

ΔT_CI＝ki′×P_ci＝I_inverter(K₁+K₂×I_inverter)   (24)

其中，I_inverter是逆变器的输出电流。