CN113595143A - 一种基于寿命估计的分布式光伏电源pv配置和功率限值整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力电子应用技术领域的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，包括以下步骤：S1、建立光伏系统的数学模型；S2、改变光伏阵列配置和功率限值；S3、计算考虑PV配置和功率限值的功率损耗；S4、计算IGBT和电容器的结温；S5、考虑PV配置和功率限值的IGBT和电容器寿命计算；S6、比较IGBT和电容器寿命大小，选取二者中较小值作为光伏逆变器寿命；S7、将计算寿命与系统寿命要求进行对比，若满足则输出K_s和R_s，若不满足则返回S2，改变K_s和R_s取值后重新计算，最终得到一组K_s和R_s取值。本发明可根据系统要求选取出一组满足寿命要求的PV配置和功率限值，实现对PV配置和功率限值的整定，保证了系统运行的可靠性。

Description

一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定 方法

技术领域

本发明属电力电子应用技术领域，特别涉及一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法。

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PV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，但将造成光伏逆变器利用率的下降。

上述研究发现，在光伏系统中，PV配置和功率限值并非严格按照1:1配置，而是可以根据实际的运行情况做出改变，而不同的PV配置和功率限值会对光伏逆变器的寿命产生很大影响，为保证光伏逆变器的寿命满足系统要求，本发明提出一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，可选取出一组满足逆变器寿命要求的PV配置和功率限值，保证光伏系统运行的可靠性。

发明内容

本发明提出一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，以满足光伏逆变器可靠性的要求，该方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PV配置比R_s和功率限值.K_s.的初始值设置为1，通过改变R_s和K_s的取值来调节光伏系统的出力，PV配置R_s的调节范围为1≤R_s≤1.5，功率限值K_s的调节范围为0.7≤K_s≤1.2；

S3、建立考虑PV配置比R_s和功率限值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，然后进行功率损耗P_loss的计算；

S4、建立考虑PV配置比R_s和功率限值.K_s.影响的IGBT和电容器的热网络模型，考虑不同PV配置比R_s和功率限值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PV配置比R_s和功率限值K_s取值情况下IGBT和电容器的结温；然后将得到的光伏逆变器中IGBT和电容器的结温剖面根据波动周期分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；

S5、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；

S6、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；

S7、将寿命模型计算值与逆变器寿命要求值进行对比，若满足逆变器寿命要求，则输出R_s和K_s，若不满足寿命要求则返回S2，改变PV配置比R_s和功率限值K_s重复计算，找到所有满足逆变器寿命要求的PV配置比R_s和功率限值K_s的取值，实现对PV配置和功率限值的整定。

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PV配置可改变系统出力，进而对逆变器寿命产生影响；PV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PV配置比(容配比)，根据工程要求，PV配置1≤R_s≤1.5。

图4为PV配置控制原理图，E_增发为因改变PV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_pv的某个水平，而不是始终跟踪最大功率点(MPPT)，通过功率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，其中功率限值K_s表示为：

其中：P_vppt为根据需求限定的功率限值，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，功率限值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)。

根据系统对光伏逆变器寿命的要求，对PV配置R_s和功率限值K_s参数的进行整定，选取出一组满足光伏逆变器寿命要求的R_s和K_s取值。

综合考虑PV配置比R_s和功率限值K_s对光伏逆变器寿命的影响，计算R_s和 K_s取值发生变化时的光伏逆变器寿命。

由于光伏逆变器的寿命依赖于其内部寿命最低的器件，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。

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)综合考虑PV配置和功率限值对光伏逆变器寿命的影响，在一定程度上解决了单纯调节配置或功率限值的局限性，通过调节PV配置和功率限值很好的保证了光伏逆变器的寿命。

3)本发明提出了一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，可以根据系统寿命要求整定PV配置和功率限值，从而提高光伏逆变器的可靠性

4)本发明提出的方法具有广泛适用性，可对不同任务剖面不同运行状态下的光伏系统进行整定。

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 PV配置和功率限值对逆变器寿命的控制框图。

图3基频和低频结温的提取

图4 PV配置与光伏出力关系原理图

图5功率限值与光伏出力关系原理图

图6丹麦PV配置与IGBT寿命的关系(系统寿命要求为20年)

图7新加坡功率限值与IGBT寿命的关系(系统寿命要求为15年)

图8丹麦PV配置和功率限值与IGBT寿命的关系(系统寿命要求为10 年)

图9新加坡PV配置和功率限值与IGBT寿命的关系(系统寿命要求为10 年)

具体实施方式

本发明提出一种考虑PV配置和功率限值影响的光伏逆变器寿命评估方法，下面结合实施例对本发明作进一步说明，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Matlab/simulink 仿真模型，得到光伏系统的负载电流i_c。

步骤2、设置PV配置比初始值R_s＝1，功率限值初始值K_s＝1，然后改变PV 配置和功率限值，PV配置比的调节范围为1≤R_s≤1.5，功率限值的调节范围为 0.7≤K_s≤1.2，计算不同R_s和K_s取值情况下的寿命。

步骤3、建立的考虑PV配置和功率限值的功率损耗模型，将提取的IGBT 应用于功率损耗模型，得到IGBT的功率损耗P_loss,s。考虑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PV配置和功率限值情况下的结温，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 PV配置和功率限值情况下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。

表4 Bayerer’s模型参数

步骤6、仅改变PV配置R_s，其功率限值保持K_s＝1不变，计算光伏逆变器中IGBT和电容器的寿命。图4为PV配置与光伏出力的关系，PV配置的变化范围为1≤R_s≤1.5，计算步长ΔR_s＝0.01，计算结果如图6，可以根据系统的寿命要求确定PV配置，本发明以丹麦20年寿命为例，要求此时的PV配置比R_s＝1.10。

步骤7、仅改变功率限值K_s，其PV配置比保持R_s＝1不变，计算光伏逆变器中IGBT和电容器的寿命。图5表示变功率限值K_s，功率限值的变化范围为 0.7≤K_s≤1，计算步长ΔK_s＝0.01，计算结果如图7所示，可以根据系统的寿命要求，确定功率限值的比例，本发明以新加坡20年寿命为例，此时的功率限值为K_s＝0.91。

步骤8、综合考虑PV配置和功率限值对光伏逆变器寿命评估的影响，分别调整PV配置和功率限值，其中PV配置比的调节范围为1≤R_s≤1.5，步长为ΔR_s＝0.01，功率限值的调节范围为0.7≤K_s≤1.2，步长为ΔK_s＝0.01，得到不同 PV配置和功率限值情况下两地光伏逆变器的寿命。然后根据系统对逆变器的寿命要求，整定PV配置和功率限值，本发明以丹麦和新加坡两地10年的寿命要求为例，图8和图9分别丹麦和新加坡光伏逆变器寿命要求为10年时的PV配置和功率限值整定情况，得到一组PV配置比和功率限值表示为(R_s,K_s)。比如：丹麦PV配置和功率限值可整定为A(1.21,1.20)、B(1.28,1.12)、C (1.50,0.95)……；新加坡可整定为A(1.07,1.20)、B(1.22,0.79)C(1.50,0.84)……。

Claims (9)

1.一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，其特征在于，所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方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PV配置比R_s和功率限值K_s的初始值设置为1，通过改变R_s和K_s的取值来调节光伏系统的出力，PV配置比R_s的调节范围为1≤R_s≤1.5，功率限值K_s的调节范围为0.7≤K_s≤1.2；

S3、建立考虑PV配置比R_s和功率限值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，然后进行功率损耗P_loss的计算；

S4、建立考虑PV配置比R_s和功率限值K_s影响的IGBT和电容器的热网络模型，考虑不同PV配置比R_s和功率限值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PV配置比R_s和功率限值K_s取值情况下IGBT和电容器的结温；然后将得到的光伏逆变器中IGBT的结温剖面根据波动周期分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；

S5、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；

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；

S6、选取光伏逆变器中IGBT和电容器中寿命较小值作为光伏逆变器的寿命；

S7、将逆变器寿命计算值与逆变器寿命要求值进行对比，若满足逆变器寿命要求，则输出R_s和K_s，若不满足寿命要求则返回S2，改变PV配置比R_s和功率限值K_s重复计算，找到所有满足逆变器寿命要求的PV配置比R_s和功率限值K_s的取值，实现对PV配置和功率限值的整定。

2.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，在光伏发电系统中，通过改变PV配置可改变系统出力，进而对逆变器寿命产生影响；PV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PV配置比，其中1≤R_s≤1.5。

3.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，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_pv的某个水平，而不是始终跟踪最大功率点(MPPT)，通过功率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，其中功率限值K_s表示为：

其中：P_vppt为根据需求限定的功率限值，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所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，其特征在于，根据系统对光伏逆变器寿命的要求，对PV配置R_s和功率限值K_s参数的进行整定，选取出一组满足光伏逆变器寿命要求的R_s和K_s取值。

5.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，其特征在于，综合考虑PV配置比R_s和功率限值K_s对光伏逆变器寿命的影响，计算R_s和K_s取值发生变化时的光伏逆变器寿命。

6.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，其特征在于，由于光伏逆变器的寿命依赖于其内部寿命最低的器件，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。

7.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，其特征在于，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。

8.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，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。

9.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源PV配置和功率限值整定方法，其特征在于，所述的寿命评估模型，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一般为几十秒到几百秒，基频结温波动周期一般为几十毫秒到几百毫秒，与系统的工作频率相关。

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