CN117452078B - 一种母线电解电容的容值衰减预测方法及光伏系统 - Google Patents

一种母线电解电容的容值衰减预测方法及光伏系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种母线电解电容的容值衰减预测方法及光伏系统；方法包括如下步骤：接收到母线电解电容的容值预测指令；获取逆变器的实时功率，若大于设定的阈值功率P0，则将逆变器进行重启至稳定，然后在设定的时间T内计算母线电压的波动率e；根据母线电压的波动率e来计算出母线电解电容的容值Ctest；并根据计算的容值Ctest来判断母线电解电容的衰减程度是否低于设定的衰减阈值。光伏系统用于实施上述的方法。本申请的有益效果：可以通过逆变器的功率变化来实现对母线电解电容的容值预测，并根据预测的容值来判断母线电解电容是否能够保证逆变器进行稳定运行。

Description

一种母线电解电容的容值衰减预测方法及光伏系统
技术领域
本申请涉及光伏发电技术领域，尤其是涉及一种母线电解电容的容值衰减预测方法及光伏系统。
背景技术
在光伏系统中，逆变器的母线电容一般采样铝电解电容；由于铝电解电容器结构和制造工艺的复杂性，使得其在生产和贮存、使用过程中不可避免的会出现一些问题。
一般认为铝电解电容器容量衰减的原因主要有：主要由于电解液损耗较多，电解溶液粘稠度增加，电阻率因粘度增大而上升，使工作电解质的等效串联电阻增大，同时也导致电容器损耗明显增大，粘度增大的电解液对氧化膜表面修复的能力下降，这样就使得电容器的极板有效面积减小，引起铝电解电容器的容量急剧下降，这也是电容器使用寿命临近结束的表现。
基于此，在光伏逆变器中为了避免因为电容容值衰减造成的母线电压不平衡问题及可能存在的母线不均压导致的故障扩散，光伏逆变器增加母线电容的容值预测是十分必要的。
发明内容
本申请的其中一个目的在于提供一种能够解决上述背景技术中至少一个缺陷的母线电解电容的容值衰减预测方法。
本申请的另一个目的在于提供一种能够解决上述背景技术中至少一个缺陷的光伏系统。
为达到上述的至少一个目的，本申请采样的技术方案为：一种母线电解电容的容值衰减预测方法，包括如下步骤：
S100：接收到母线电解电容的容值预测指令；
S200：获取逆变器的实时功率，若大于设定的阈值功率P0，则进行步骤S300；
S300：将逆变器进行重启至稳定，然后在设定的时间T内计算母线电压的波动率e；
S400：根据母线电压的波动率e来计算出母线电解电容的容值Ctest；并根据计算的容值Ctest来判断母线电解电容的衰减程度是否低于设定的衰减阈值。
优选的，在步骤S200中，阈值功率P0为逆变器额定功率P的40%~80%。
优选的，在步骤S200中，阈值功率P0为逆变器额定功率P的50%。
优选的，在步骤S300中，将逆变器重启至达到设定的阈值功率P0时进行母线电压的波动率e的计算。
优选的，在步骤S300中，以控制环路中电压外环的控制周期作为设定的时间T。
优选的，设母线电压为U；则在步骤S400中，母线电解电容的容值Ctest的计算公式为：
。
优选的，在步骤S400中，通过衰减比%C来表示母线电解电容的衰减程度；衰减比%C的具体计算公式如下：
；其中，C表示母线电解电容的额定容值。
一种光伏系统，用于实施上述的母线电解电容的容值衰减预测方法；包括逆变器、母线电解电容以及控制器，所述母线电解电容与所述逆变器的直流侧连接；所述控制器用于获取所述母线电解电容的容值预测指令以及所述逆变器的实时功率；并根据所述逆变器的实时功率与阈值功率的对比结果控制所述逆变器进行重启并计算所述母线电解电容的容值。
优选的，所述光伏系统还包括电压采样单元和电流采样单元；所述电压采样单元用于采集母线电压以及所述逆变器的实时电压并反馈至所述控制器；所述电流采样单元用于采集所述逆变器的实时电流并反馈至所述控制器，进而所述控制器根据反馈的实时电压和实时电流值来获取所述逆变器的实时功率。
优选的，所述光伏系统还包括调节器，所述调节器用于调节所述逆变器控制环路的电压外环；则所述调节器的工作周期为控制环路的控制周期。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
可以通过逆变器的功率变化来实现对母线电解电容的容值预测，进而在光伏系统进行正常工作时，可以根据预测的容值来判断母线电解电容是否能够保证逆变器进行稳定运行；从而可以有效的避免因为容值衰减造成的母线电压不平衡问题及可能存在的母线不均压导致的故障扩散。
附图说明
图1为本发明进行容值预测的流程示意图。
图2为本发明中光伏系统的结构示意图。
图中：母线电解电容110、逆变器120、控制器130、电压传感器140、电流传感器150。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、 “横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本申请的具体保护范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请的一个方面公开了一种光伏系统，如图2所示，其中一个优选的实施例包括光伏组件、变换器、逆变器120、母线电解电容110以及控制器130。光伏组件的输出端与变换器的输入端连接；变换器的输出端通过母线电解电容110与逆变器120的直流侧进行连接；逆变器120的输出端与电网进行连接。控制器130可以获取母线电解电容110的容值预测指令，然后根据容值预测指令对逆变器120的实时功率进行检测。在获得逆变器120的实时功率后，控制器130可以将实时功率与设定的阈值功率进行对比；在对比的结果满足要求时，控制器130可以控制逆变器120进行重启。在逆变器120重启后，控制器130可以根据检测的逆变器120功率来计算母线电解电容110的容值，进而根据计算的母线电解电容110的容值来判断母线电解电容110的衰减是否影响逆变器120的正常运行，若母线电解电容110的衰减程度较大，可以及时的向控制中心发送预警信号，进而实现对衰减较为严重的母线电解电容110的及时更换，从而可以有效的避免因为容值衰减造成的母线电压不平衡问题及可能存在的母线不均压导致的故障扩散。
应当知道的是，母线电解电容110是光伏系统中重要的电子元件，起到储能的作用。在逆变器120工作时，由于开关器件的切换，电路中的电流存在瞬时变化，而母线电解电容110能够吸收低次纹波电流，即母线电解电容110能够使电流瞬时变化时的电压波动进行减小，从而提升逆变器120的工作效率和性能稳定。此外，母线电解电容110还可以在逆变器120输出负载的变化过程中平滑母线电压以起到平衡电压和电流的作用。例如，当负载变大时，逆变器120需要提供更多的电流，而母线电解电容110可以减缓电流的瞬时变化，从而使逆变器120输出的电流和电压更加的稳定。
母线电解电容110的容值将直接影响母线电解电容110的工作性能。在母线电解电容110的容值衰减时，母线电解电容110存储能量的能力将会下降，进而导致母线电解电容110补偿母线电压和电流的能力变弱。所以为了保证光伏系统能够顺利稳定的运行，需要及时的对光伏系统的母线电解电容110的容值进行估算预测，在预测的母线电解电容110的容值不满足使用要求时，需要及时的对母线电解电容110进行更换。
还应当知道的是，母线电解电容110的具体结构为本领域技术人员的公知技术，具体如图2所示，由于逆变器120为三电平拓扑，因此母线电解电容110包括位于正半母线的电容C1和位于负半母线的电容C2，电容C1和C2进行串联且容值相等，则母线电解电容110的容值为电容C1和C2的容值之和。
具体的说，对于容值的计算，在逆变器120进行重启后，通过在设定的时间T内对母线电压进行持续的检测，进而可以得到母线电压在时间T内的变化率，该变化率可以记为e。则根据能量守恒定理，可以得到如下的表达式：
。
将上式进行变换，可以得到。
式中，U表示母线电压；Ctest表示母线电解电容110的容值；P0表示阈值功率。
本实施例中，如图2所示，光伏系统还包括电压采样单元和电流采样单元；电压采样单元用于采集母线电压以及逆变器120的实时电压并反馈至控制器130；电流采样单元用于采集逆变器120的实时电流并反馈至控制器130，进而控制器130可以根据反馈的实时电压和实时电流值来获取逆变器120的实时功率，以便于进行后续的容值计算。
应当知道的是，电压采样单元和电流采样单元的具体结构和工作原理为本领域技术人员所公知，常见的电压采样单元为电压传感器140，常见的电流采样单元为电流传感器150。有上述的容值Ctest的计算公式可知，对于容值Ctest的计算不仅需要逆变器120的功率，还需要母线电压的值，故电压采样单元不仅需要对逆变器120的电压进行采集，还需要对母线电压进行采集。
本实施例中，光伏系统还包括调节器，调节器用于调节逆变器120控制环路的电压外环；调节器的工作周期为控制环路的控制周期。则可以将控制环路的控制周期作为变化率e计算的设定时间。
应当知道的是，在逆变器120进行工作时，逆变器120的控制环路的工作周期受调节器的开关频率控制。则为了保证母线电压的变化率e的计算准确性，需要在调节器的一个工作周期内完成对母线电压的采集，所以在本实施例中优选将调节器的工作周期作为母线电压的变化率e计算所需的时间T。以调节器的开关频率为16kHz为例，则调节器的工作周期为62.5μs。
本申请的另一个方面公开了一种母线电解电容110的容值衰减预测方法，如图1和图2所示，其中一个优选的实施例包括如下步骤：
S100：接收到母线电解电容110的容值预测指令。
S200：获取逆变器120的实时功率，若大于设定的阈值功率P0，则进行步骤S300。
S300：将逆变器120进行重启至稳定，然后在设定的时间T内计算母线电压的波动率e。
S400：根据母线电压的波动率e来计算出母线电解电容110的容值Ctest；并根据计算的容值Ctest来判断母线电解电容110的衰减程度是否低于设定的衰减阈值；若低于，则说明母线电解电容110的衰减较为严重，需要进行更换。
为了方便理解，下面可以结合光伏系统的具体结构对母线电解电容110的具体预测过程进行描述。
当需要进行母线电解电容110的容值预测时，控制中心可以向控制器130发送容值预测指令，则控制器130在接收到容值预测指令后，可以向电压采集单元和电流采集单元发送控制信号，以使得电压采集单元和电流采集单元分别对逆变器120的实时电压和电流进行采集并反馈给控制器130。
控制器130可以根据反馈的电压和电流值计算出逆变器120的实时功率，并将计算的实时功率与设置的阈值功率P0进行对比。若逆变器120的实时功率大于设定的阈值功率P0，则说明光伏组件具有较大的能量突变，此时逆变器120的工作趋于稳定状态。
然后控制器130可以将逆变器120进行重启，即先将逆变器120的功率限载至0，然后再启机至工作稳定。随后在设定的T时间内控制器130可以控制电压采集单元持续的对母线电压进行采集并反馈至控制器130，进而控制器130可以根据采集的数据计算出母线电压在T时间内的变化率e。
最后控制器130可以根据计算的变化率e并结合母线电压来计算出母线电解电容110的容值，并根据设定的衰减阈值来判断母线电解电容110的衰减程度是否过大，若母线电解电容110的衰减程度大于设定的衰减阈值，则控制器130可以向控制中心发送预警信号，以便于维护人员能够及时的对衰减程度过大的母线电解电容110进行更换。
应当知道的是，母线电解电容110的容值筛减是一个长时间的持续过程，则母线电解电容110的容值预测也是一个持续的过程。由于母线电解电容110的容值筛减时间较长，一般为几年；则对于母线电解电容110的容值预测可以每间隔设定的时间进行一次；如逆变器120每持续工作24h进行一次母线电解电容110的容值预测。
本实施例中，对于步骤S200中与逆变器120的实时功率进行对比的阈值功率P0，可以作为逆变器120是否达到稳定工作的一个标准。即逆变器120的实时功率大于阈值功率P0，则可以认为逆变器120当前处于稳定工作状态。
可以理解的是，逆变器120工作稳定时，整个光伏系统的电压和电流值都相对稳定，此时对光伏系统的母线电压的数据采集的准确性较高。所以，本实施例对于母线电解电容110的容值计算先要保证逆变器120工作于稳态。一般来说，逆变器120的实时功率超过额定功率P的40%就可以看作是工作于稳定状态；即阈值功率P0的取值至少为额定功率P的40%，但也不能将阈值功率P0的取值设定的过高。若将阈值功率P0的取值设定的较高，例如为额定功率P的90%，则在出现连续的阴天时，逆变器120的工作功率可能连续几天都位于额定功率P的90%以下，进而导致连续的几天都无法进行母线电解电容110的容值预测，这将会对光伏系统的稳定工作带来隐患。所以，本实施例中将阈值功率P0的取值范围设置在额定功率P的40%~80%；优选为额定功率P的50%。
本实施例中，由于逆变器120的工作功率受光照强度的影响，而光照强度是一个由弱到强的过程；即逆变器120的工作过程包括先后的功率较低的不稳定过程和功率较高的稳定过程。则在步骤S200中判断出逆变器120的实时功率大于阈值功率P0时，虽然说此时逆变器120处于稳定的工作状态，但由于逆变器120经历了不稳定过程，此时母线电压的稳定性较差。所以在步骤S300中，在进行母线电压的变化率e的计算之前，可以将逆变器120重启。此时外界的光照强度可以保证逆变器120在重启后迅速的达到稳定状态，进而保证母线电压的波动误差较小，以提高母线电压的变化率e的计算准确性。
应当知道的是，在步骤S300中，对于逆变器120重启后至稳定状态，可以是逆变器120重启后的实时功率达到设定的阈值功率P0时进行母线电压的波动率e的计算；也可以是逆变器120重启后的实时功率超过设定的阈值功率P0时进行母线电压的波动率e的计算。本实施例中优选采用逆变器120重启的实时功率达到设定的阈值功率P0时进行母线电压的波动率e的计算。
本实施例中，在步骤S300中，以控制环路中电压外环的控制周期作为设定的时间T。
本实施例中，设母线电压为U；则在步骤S400中，母线电解电容110的容值Ctest的计算公式为：
；若取/>，则有/>。
本实施例中，在步骤S400中，通过衰减比%C来表示母线电解电容110的衰减程度；衰减比%C的具体公式如下：
；其中，C表示母线电解电容110的额定容值。
应当知道的是，衰减比%C的值为无纲量，取值范围为[0，1]。对于母线电解电容110的衰减程度判断，可以将计算的衰减比%C与设定的衰减阈值进行比较。一般来说，母线电解电容110的容值衰减20%~30%就需要更换母线电解电容110；以母线电解电容110的容值衰减20%为例，即%C的值小于0.8时就需要更换母线电解电容110；则可以设衰减阈值为0.8。
以上描述了本申请的基本原理、主要特征和本申请的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请的范围内。本申请要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种母线电解电容的容值衰减预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：接收到母线电解电容的容值预测指令；
S200：获取逆变器的实时功率，若大于设定的阈值功率P0，则进行步骤S300；
S300：将逆变器进行重启至稳定，然后在设定的时间T内计算母线电压的波动率e；
S400：根据母线电压的波动率e来计算出母线电解电容的容值Ctest；并根据计算的容值Ctest来判断母线电解电容的衰减程度是否低于设定的衰减阈值；
在步骤S300中，将逆变器重启至达到设定的阈值功率P0时进行母线电压的波动率e的计算；在步骤S200中，阈值功率P0为逆变器额定功率P的40%~80%；
设母线电压为U；则在步骤S400中，母线电解电容的容值Ctest的计算公式为：
；
在步骤S400中，通过衰减比%C来表示母线电解电容的衰减程度；衰减比%C的具体计算公式如下：
；
其中，C表示母线电解电容的额定容值。
2.如权利要求1所述的母线电解电容的容值衰减预测方法，其特征在于：在步骤S200中，阈值功率P0为逆变器额定功率P的50%。
3.如权利要求1所述的母线电解电容的容值衰减预测方法，其特征在于：在步骤S300中，以控制环路中电压外环的控制周期作为设定的时间T。
4.一种光伏系统，用于实施权利要求1-3任一项所述的母线电解电容的容值衰减预测方法，其特征在于，包括：
逆变器；
母线电解电容；所述母线电解电容与所述逆变器的直流侧连接；以及
控制器，所述控制器用于获取所述母线电解电容的容值预测指令以及所述逆变器的实时功率；并根据所述逆变器的实时功率与阈值功率的对比结果控制所述逆变器进行重启并计算所述母线电解电容的容值和衰减比。
5.如权利要求4所述的光伏系统，其特征在于，所述光伏系统还包括：
电压采样单元；所述电压采样单元用于采集母线电压以及所述逆变器的实时电压并反馈至所述控制器；以及
电流采样单元；所述电流采样单元用于采集所述逆变器的实时电流并反馈至所述控制器；
所述控制器根据反馈的实时电压和实时电流值来获取所述逆变器的实时功率。
6.如权利要求4所述的光伏系统，其特征在于：所述光伏系统还包括调节器，所述调节器用于调节所述逆变器控制环路的电压外环；则所述调节器的工作周期为控制环路的控制周期。
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Citations (21)

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