CN113595142B - 一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力电子应用技术领域的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪控制的光伏逆变器寿命评估方法，包括以下步骤：S1、建立光伏系统的数学模型以及任务剖面的提取；S2、改变光伏阵列配置和功率跟踪限值；S3、计算考虑光伏阵列配置和功率跟踪限值的功率损耗；S4、计算IGBT和电容器的结温；S5、结温剖面的提取；S6、计算光伏阵列配置和功率跟踪限值变化后的IGBT和电容器的寿命；S7、比较光伏逆变器中IGBT和电容器的寿命计算值，以二者中寿命较小值作为光伏逆变器的寿命；S8、计算出不同光伏阵列配置和功率跟踪限值下的光伏逆变器寿命值。本发明提高了光伏逆变器寿命评估的准确性，具有工程实用性价值。

Description

一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿 命评估方法

技术领域

本发明属电力电子应用技术领域，特别涉及一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法。

背景技术

近十年来，光伏系统一直占据所有可再生能源投资的最大份额，而且随着光伏组件和安装成本的下降，将会有更大比例的光伏接入。光伏逆变器作为光伏系统的关键部件，为减少光伏发电成本，提高太阳能发电的竞争力，对光伏逆变器的可靠性提出了更高的要求。然而作为评估光伏系统成本的指标，最大发电量和逆变器实际寿命这两个目标是相互制约的，在这种情况下，需要特别考虑光伏逆变器的设计和控制，以降低系统的能源成本，提高发电量。光伏逆变器作为连接光伏组件和电网的重要环节，其寿命主要受IGBT和电容器的影响，二者导致光伏逆变器故障比例分别高达34％与13.8％。如何在保证光伏逆变器寿命的前提下增加发电量对降低光伏系统的整体能源成本至关重要。

由于光伏组件成本相对较低，一个常用的解决方案是增大光伏组件配置，故意将光伏组件的额定功率设计的高于光伏逆变器的额定功率，这样光伏逆变器将在更大比例的时间接近其额定功率运行，从而可以在非高峰生产期间捕获更多的光伏能量。

最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)是一种光伏逆变器以最大限度从光伏组件获取能量的控制方法。然而，随着光伏并网系统的不断壮大，电网面临着诸多挑战，即使在额定功率范围内保持MPPT模式下运行，也会出现系统过电压、开关器件退化严重、弃光率高以及负荷波动造成的逆变器损坏等问题，因此传统的MPPT已经不能满足要求，为此提出了光伏运行工作点跟踪方向可变的变功率点跟踪(Variable Power PointTracking，VPPT)控制方法，通过采取变功率跟踪限值的方法解决了逆变器设计过大或设计不足的问题，提高了逆变器的可靠性。

上述研究发现，在光伏系统中，光伏组件配置和功率跟踪限值并非严格按照1:1配置，而是会根据实际的运行情况做出改变，而当前的光伏逆变器寿命评估方法并未将这些变化考虑在内，若仍按照原有方法进行评估将存在较大误差，为此本发明提出一种考虑光伏组件配置和限功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，能够更加准确的对光伏逆变器进行寿命评估。

发明内容

本发明提出一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，以满足光伏逆变器寿命评估的准确性，该法主要包括以下步骤：

S1、建立光伏组件的数学模型，提取当地太阳辐照度和环境温度数据，将提取到的数据导入matlab/simulink仿真模型，得到负载电流i_c；

S2、将光伏组件配置比R_s和功率跟踪限值K_s的初始值设置为1，然后通过改变R_s和K_s的取值来调节调节光伏系统的出力，考虑单独改变R_s或K_s以及综合改变R_s和K_s对光伏逆变器寿命的影响，得到三种情况下的寿命评估结果，光伏组件配置R_s的调节范围为1≤R_s≤1.5，功率跟踪限值K_s的调节范围为0.7≤K_s≤1.2；

S3、建立考虑光伏组件配置R_s和功率跟踪限值K_s影响的IGBT和电容器的功率损耗模型，选定IGBT和电容器型号，根据供应商的产品参数表，确定损耗模型中IGBT和电容器各个参数的取值，根据步骤S1中得到的负载电流i_c，计算IGBT和电容器的功率损耗P_loss；

S4、建立考虑光伏组件配置R_s和功率跟踪限值K_s影响的IGBT和电容器的热网络模型，考虑不同光伏阵列配置R_s和功率跟踪限值K_s对热模型的影响，将S3所得的功率损耗P_loss代入热网络模型中，利用供应商的产品参数确定热模型中各个参数的取值，计算出不同光伏组件配置R_s和功率跟踪限值K_s取值情况下IGBT和电容器的结温T；

S5、将光伏逆变器中IGBT的结温剖面根据波动周期分解为基频结温和低频结温，其中低频结温利用雨流计数法进行提取，得到寿命模型所需的结温最小值、结温波动值和循环次数，而基频结温最小值、结温波动值以及循环次数可直接从结温剖面上获取；

S6、建立IGBT和电容器的寿命模型，计算不同R_s和K_s参数下的光伏逆变器寿命，利用Bayerer’s寿命模型对IGBT进行寿命分析，具体公式为：

其中：ΔT_j为结温波动，T_jmin为最小结温，t_on为加热时间，I为每个键合线通过的电流，D为键合线直径，V为阻塞电压，A、β₁、β₂、β₃、β₄、β₅、β₆为Bayerer’s模型参数；

电容器寿命模型为：

其中：L和L₀分别为使用条件和试验条件下的损伤度，V和V₀分别为使用条件和试验条件下的电压，T和T₀分别为使用条件和试验条件下的开尔文温度，n为电压应力指数；

利用Miner准则进行IGBT和电容器的损伤度计算，对于电容器可采用传统的损伤度公式进行计算，而IGBT寿命模型中考虑了基频结温和低频结温对寿命分析结果的影响；

对于低频结温的损伤度计算，可根据Miner准则：

其中：n_i为低频周期的结温循环次数，由雨流计数法得到；(N_f)_i为IGBT理论的失效循环次数；LC₁为低频结温影响下的累计损伤度；

基频结温的损伤度主要与系统的频率有关，需对Miner进行改进，改进后的Miner准则公式为：

其中：n_i为m分钟内的基频结温循环次数；f为系统频率，一般为50Hz；(N_f)_i是根据寿命模型对应的失效循环次数；

则IGBT的总损伤度可表示为：LC＝LC₁+LC₂，当LC累计损伤超过1时元件失效，其寿命S可表示为：S＝1/LC，同理可计算出电容器的寿命值；

S7、比较光伏逆变器中IGBT和电容器的寿命计算值，以二者中寿命较小值作为光伏逆变器的寿命；

S8、计算不同光伏阵列配置R_s和功率跟踪限值K_s取值下的光伏逆变器寿命，完成逆变器的寿命评估。

如图3所示，t_on为一个低频周期的时长，由于太阳辐照度和环境温度是缓慢变化的，低频结温波动的周期一般为几十秒到几百秒，因此允许采样数据的时间长度为几分钟，不会显著影响结果的整体精度。而基频周期t'_on的结温波动一般为几十毫秒到几百毫秒，它与光伏逆变器工作的频率相关，频率越高波动周期越小。基频周期相对于低频，其结温的波动幅度较小，但波动频率高，循环次数较多，累计损伤也会对光伏逆变器的寿命产生较大影响。开关周期由于频率较高，波动很小，可忽略不计。

在光伏发电系统中，通过改变光伏组件配置比可改变系统出力，进而对逆变器寿命产生影响；光伏组件配置比是光伏发电系统中安装光伏组件的标称功率之和与逆变器额定输出功率的比值，表示为：

其中：P_pv,额定为光伏组件的标称功率；P_inv,额定为光伏逆变器的额定功率；R_s为光伏组件配置比(容配比)，根据工程要求，光伏组件配置比1≤R_s≤1.5。

图4为光伏组件配置控制原理图，E_增发为因改变光伏组件配置而增加的出力，当容配比R_s＞1时，系统的出力显著增加，且配置越高，光伏系统出力也越大。

将光伏逆变器输出功率P_pv限制到低于可用功率P_avai的某个水平，而不是始终跟踪最大功率点(MPPT)，通过功率跟踪限值改变输出到光伏逆变器的电流，进而对光伏逆变器寿命产生影响，其中功率跟踪限值K_s表示为：

其中：P_vppt为根据需求限定的功率跟踪限值，P_inv,额定为光伏逆变器的额定功率；K_s为二者的比值，根据工程要求，功率限限值范围0.7≤K_s≤1.2。

图5为功率限值控制原理图，K_s＝1为传统的最大功率跟踪情况下光伏出力，K_s＜1为功率跟踪限值情况下的出力，由于功率限制控制将使光伏出力下降，会造成一定的损失E_损失，功率限值越低，损失越大，逆变器的可靠性越高。为保证逆变器的可靠性，一般选用功率跟踪限值作为光伏逆变器的额定功率(即P_inv,额定＝P_vppt)。

综合考虑光伏组件配置比R_s和变功率跟踪限值K_s调节光伏系统的出力，计算R_s和K_s参数发生变化影响时的光伏逆变器寿命。

由于光伏逆变器的寿命依赖于其中寿命最低的器件，因此选择IGBT和电容器中寿命较小值作为光伏逆变器的寿命。

所述的功率损耗模型主要是考虑光伏逆变器中IGBT和电容器的损耗，对IGBT主要是导通损耗和开关损耗，对电解电容器要考虑流过的电流以及其等效串联电阻的大小。

建立热网络模型，将功率损耗转换为器件的内部温度，作为对IGBT和电容器进行寿命评估的依据。

进行三种模态下光伏逆变器的寿命评估，一是单独改变R_s对寿命评估的影响，二是单独改变K_s对寿命评估的影响，三是综合考虑改变R_s和K_s对光伏逆变器寿命的影响。

该技术方案具有如下技术和方法上的创新：

1)本发明完善了光伏逆变器中IGBT的寿命模型，考虑了基频和低频结温对其寿命的影响，使得IGBT的寿命评估更加准确。

2)本发明分别实现了单纯改变光伏组件配置和功率跟踪限值情况下光伏逆变器寿命的评估方法，定量的分析了两个参数变化对光伏逆变器寿命的影响，为实际系统的寿命评估提供参考。

3)本发明提出了一种综合考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，在一定程度上解决了当前实际系统中光伏逆变器寿命评估考虑参数不完善的情况，使得寿命评估更加准确，该方法适用于不同任务剖面不同运行状态下的寿命评估。

附图说明

图1任务剖面(太阳辐照度和环境温度)(a)丹麦(b)新加坡

图2光伏组件配置和功率跟踪限值对逆变器寿命的控制框图。

图3基频结温和低频结温的提取

图4增大光伏组件配置原理图

图5变功率跟踪限值原理图

图6光伏组件配置与IGBT寿命的关系

图7变功率跟踪限值与IGBT寿命的关系

图8丹麦光伏组件配置和变功率跟踪限值与IGBT寿命的关系

图9新加坡光伏组件配置和变功率跟踪限值与IGBT寿命的关系

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法包括以下步骤：

步骤1、本发明选取丹麦和新加坡一年的太阳辐照度S和环境温度T数据，如图1所示，采样频率为1小时，将采集到的任务剖面数据导入到PV模型中，利用Matlab/simulink进行仿真，得到光伏系统的负载电流i_c。

步骤2、设置光伏组件配置初始值R_s＝1，功率跟踪限值初始值K_s＝1，然后改变光伏组件配置和功率跟踪限值，光伏组件配置比的调节范围为1≤R_s≤1.5，功率跟踪限值的调节范围为0.7≤K_s≤1.2，分别计算不同R_s和K_s参数情况下的寿命值。

步骤3、根据建立的考虑光伏组件配置和功率跟踪限值的功率损耗模型，将提取的IGBT电流应用于功率损耗模型，得到IGBT的功率损耗P_loss,s。同样，考虑到直流环节的纹波电流和电容器的等效串联电阻，可以确定电容器中耗散的功率损耗P_loss,c。光伏逆变器中IGBT和电容器的型号可以通过查询供应商的产品参数获得，其中使用的IGBT型号为英飞凌公司的FF100R12RT4，直流电容器使用的是EPCOS B43630A5827，具体参数如表1所示。

表1 IGBT模块相关参数

步骤4、计算不同光伏组件配置和功率跟踪限值情况下的结温，将功率损耗应用于IGBT的热模型，得到IGBT结温分布T_j，然后利用电容器的功率损耗计算出电容器的热点温度剖面T_h，即实现了光伏逆变器中IGBT和电容器的任务剖面向热应力剖面的转换。查询器件的参数手册可得IGBT和电容器的热参数，见表2和表3。

表2 选定IGBT模块的foster热参数

表3 铝电解电容器的热参数

步骤5、根据步骤4中的结温剖面，对IGBT的低频结温利用雨流计数法获取光伏逆变器寿命估计所需的热循环的信息，包括结温波动ΔT_j、循环次数n_i、平均结温T_jm和循环周期t_on，将这些得到的信息应用到Bayerer’s寿命模型中，结合Miner准则可计算出低频结温下的寿命损伤LC₁，对于基频结温可直接从结温剖面T_j中获取寿命模型所需数据，求得基频结温下的寿命损伤LC₂，则当前光伏组件配置和功率跟踪限值情况下IGBT的寿命损伤LC＝LC₁+LC₂；对于电解电容器可直接将步骤4中得到的结温剖面T_h代入到寿命评估模型中，结合Miner准则计算出此时电容器的寿命。Bayerer’s寿命模型各个参数取值见表4

表4 Bayerer’s模型参数

步骤6、仅改变光伏组件配置R_s，其功率跟踪限值保持K_s＝1不变，计算光伏逆变器中IGBT和电容器的寿命。图4为光伏组件配置与光伏出力关系原理图，光伏组件配置的变化范围为1≤R_s≤1.5，计算步长ΔR_s＝0.1，计算结果如图6，可得光伏组件配置与逆变器中IGBT和电容器寿命的关系。

步骤7、仅改变功率跟踪限值K_s，其光伏组件配置保持R_s＝1不变，计算光伏逆变器中IGBT和电容器的寿命。图5为变功率跟踪限值与光伏出力的关系，功率跟踪限值的变化范围为0.7≤K_s≤1，计算步长ΔK_s＝0.1，计算结果如图7所示，可得到不同功率跟踪限值下的光伏逆变器中IGBT和电容器的寿命。

步骤8、综合考虑光伏组件配置R_s和功率跟踪限值K_s影响的光伏逆变器寿命计算。分别调整光伏组件配置和功率跟踪限值，其中光伏组件配置的调节范围为1≤R_s≤1.5，步长为ΔR_s＝0.1，功率跟踪限值的调节范围为0.7≤K_s≤1.2，步长为ΔK_s＝0.1，计算结果如图8和图9所示，得到不同光伏组件配置和功率跟踪限值下两地光伏逆变器的寿命。

Claims (9)

1.一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，所述一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法包括以下步骤：

S1、建立光伏组件的数学模型，提取当地太阳辐照度和环境温度数据，将提取到的数据导入matlab/simulink仿真模型，得到负载电流i_c；

S2、将光伏组件配置比R_s和功率跟踪限值K_s的初始值设置为1，然后通过改变R_s和K_s的取值来调节光伏系统的出力，光伏组件配置R_s的调节范围为1≤R_s≤1.5，功率跟踪限值K_s的调节范围为0.7≤K_s≤1.2；

S3、建立考虑光伏组件配置R_s和功率跟踪限值K_s影响的IGBT和电容器的功率损耗模型，选定IGBT和电容器型号，根据供应商的产品参数表，确定损耗模型中IGBT和电容器各个参数的取值，根据步骤S1中得到的负载电流i_c，计算IGBT和电容器的功率损耗P_lo_ss；

S4、建立考虑光伏组件配置R_s和功率跟踪限值K_s影响的IGBT和电容器的热网络模型，考虑不同光伏阵列配置R_s和功率跟踪限值K_s对热模型的影响，将S3所得的功率损耗P_lo_ss代入热网络模型中，利用供应商的产品参数确定热模型中各个参数的取值，计算出不同光伏组件配置R_s和功率跟踪限值K_s取值情况下IGBT和电容器的结温T；

S5、将光伏逆变器中IGBT的结温剖面根据波动周期分解为基频结温和低频结温，其中低频结温利用雨流计数法进行提取，得到寿命模型所需的结温最小值、结温波动值和循环次数，而基频结温最小值、结温波动值以及循环次数直接从结温剖面上获取；

S6、建立IGBT和电容器的寿命模型，计算不同R_s和K_s参数下的光伏逆变器寿命，利用Bayerer’s寿命模型对IGBT进行寿命分析，具体公式为：

其中：ΔT_j为结温波动，T_jmin为最小结温，to_n为加热时间，I为每个键合线通过的电流，D为键合线直径，V为阻塞电压，A、β₁、β₂、β₃、β₄、β₅、β₆为Bayerer’s模型参数；

电容器寿命模型为：

其中：L和L₀分别为使用条件和试验条件下的损伤度，V和V₀分别为使用条件和试验条件下的电压，T和T₀分别为使用条件和试验条件下的开尔文温度，n为电压应力指数；

利用Miner准则进行IGBT和电容器的损伤度计算，对于电容器采用传统的损伤度公式进行计算，而IGBT寿命模型中考虑了基频结温和低频结温对寿命分析结果的影响；

对于低频结温的损伤度计算，根据Miner准则：

其中：n_i为低频周期的结温循环次数，由雨流计数法得到；(N_f)_i为IGBT理论的失效循环次数；LC₁为低频结温影响下的累计损伤度；

基频结温的损伤度与系统的频率有关，需对Miner进行改进，改进后的Miner准则公式为：

其中：n_i为m分钟内的基频结温循环次数，f为系统频率50Hz，(N_f)_i是根据寿命模型对应的失效循环次数；

则IGBT的总损伤度表示为：LC＝LC₁+LC₂，当LC累计损伤超过1时元件失效，其寿命S表示为：S＝1/LC，同理可计算出电容器的寿命值；

S7、比较光伏逆变器中IGBT和电容器的寿命计算值，以二者中寿命较小值作为光伏逆变器的寿命；

S8、计算不同光伏阵列配置R_s和功率跟踪限值K_s取值下的光伏逆变器寿命，完成逆变器的寿命评估。

2.根据权利要求1所述的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，在光伏发电系统中，通过改变光伏组件配置比可改变系统出力，进而对逆变器寿命产生影响；光伏组件配置比是光伏发电系统中安装光伏组件的标称功率之和与逆变器额定输出功率的比值，表示为：

其中：P_pv,额定为光伏组件的标称功率；P_inv,额定为光伏逆变器的额定功率；R_s为光伏组件配置比，其中1≤R_s≤1.5。

3.根据权利要求1所述的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，将光伏逆变器输出功率P_pv限制到低于可用功率P_avai的某个水平，而不是始终跟踪最大功率点(MPPT)，通过功率跟踪限值改变输出到光伏逆变器的电流，进而对光伏逆变器寿命产生影响，其中功率跟踪限值K_s表示为：

其中：P_vppt为根据需求限定的功率跟踪限值，P_inv,额定为光伏逆变器的额定功率；K_s为二者的比值，其中0.7≤K_s≤1.2。

4.根据权利要求1所述的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，综合考虑光伏组件配置比R_s和功率跟踪限值K_s调节光伏系统的出力，计算R_s和K_s参数发生变化影响时的光伏逆变器寿命。

5.根据权利要求1所述的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，由于光伏逆变器的寿命依赖于其中寿命最低的器件，因此选择IGBT和电容器中寿命较小值作为光伏逆变器的寿命。

6.根据权利要求1所述的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，所述的功率损耗模型考虑光伏逆变器中IGBT和电容器的损耗，对IGBT是导通损耗和开关损耗，对电解电容器要考虑流过的电流以及其等效串联电阻的大小。

7.根据权利要求1所述的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，建立热网络模型，将功率损耗转换为器件的内部温度，作为对IGBT和电容器进行寿命评估的依据。

8.根据权利要求1所述的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，所述的IGBT寿命模型，考虑了低频和基频结温对IGBT寿命的影响，其中低频结温的波动周期为几十秒到几百秒，基频结温波动周期为几十毫秒到几百毫秒，与系统的工作频率相关。

9.根据权利要求1所述的一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，其特征在于，进行三种模态下光伏逆变器的寿命评估，一是单独改变R_s对寿命评估的影响，二是单独改变K_s对寿命评估的影响，三是综合考虑改变R_s和K_s对光伏逆变器寿命的影响。