周 湶，薛 賽，李 劍，陳 實(shí)，王時(shí)征

（重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

0 引言

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展和風(fēng)機(jī)容量的增加，電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電裝置可靠性的要求越來(lái)越高。功率變流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置，影響著風(fēng)電機(jī)組的輸出功率及其并網(wǎng)穩(wěn)定性［1-2］。因風(fēng)速和氣溫的波動(dòng)，風(fēng)電變流器輸出的功率具有不穩(wěn)定性，因此需要儲(chǔ)能裝置平衡變流器系統(tǒng)中的功率差異［3］。直流側(cè)電容常被作為儲(chǔ)能裝置用在變流器中，主要起吸收逆變單元向直流側(cè)索取的高幅值紋波電流、維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的作用［4-5］。研究表明，功率變流器是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主要失效組件之一，而且其中超過(guò)20%的故障是由直流側(cè)電容的失效引起的［6-8］。綜上所述，研究影響直流側(cè)電容可靠性的影響因素，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)提高直流側(cè)電容和變流器的可靠性有重要意義。

目前，已有文獻(xiàn)主要是從電容的失效機(jī)理及其承受的電應(yīng)力角度出發(fā)，研究直流側(cè)電容的可靠性。如文獻(xiàn)［9］從電容的紋波電壓角度研究了滿足直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的變流器可靠性的要求；文獻(xiàn)［10］根據(jù)變流器可靠性對(duì)直流側(cè)電容紋波電流的要求，分析了脈寬調(diào)制（PWM）變流器直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)［11］針對(duì)電容容量和等效串聯(lián)電阻的退化，建立了鋁電解電容失效與變流器紋波電壓的關(guān)系，但上述方法僅考慮電容工作時(shí)所承受的電應(yīng)力對(duì)其可靠性的影響，未考慮電容紋波電流與內(nèi)部溫升的關(guān)系。文獻(xiàn)［12-13］根據(jù)直流側(cè)電容的失效模式及失效機(jī)理，分析了導(dǎo)致電容可靠性降低的主要因素，并提出了面向直流側(cè)電容可靠性的設(shè)計(jì)流程，具有一定的借鑒意義。文獻(xiàn)［14］通過(guò)將光伏變流器運(yùn)行時(shí)的太陽(yáng)輻射度和環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電容的應(yīng)力剖面，通過(guò)分析直流側(cè)電容的電應(yīng)力及熱應(yīng)力的變化，分析電容的可靠性，但沒(méi)有分析變流器參數(shù)差異對(duì)直流側(cè)電容可靠性的影響。文獻(xiàn)［15］通過(guò)引入應(yīng)力加速因子，進(jìn)而衡量電容容量等電容參數(shù)的變化對(duì)輸出電壓和功率損耗的影響，在此基礎(chǔ)上建立電容的故障率計(jì)算模型，但是該模型計(jì)算的是器件的平均無(wú)故障時(shí)間，不能反映電容實(shí)時(shí)可靠性。

基于此，本文在分析電應(yīng)力對(duì)電容可靠性的影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合電容的熱網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，給出了變流器直流側(cè)電容的可靠性預(yù)測(cè)流程圖；然后結(jié)合電容的失效機(jī)理，分析風(fēng)電機(jī)組參數(shù)對(duì)電容紋波電流及熱點(diǎn)溫度的影響；最后以實(shí)際風(fēng)速氣溫?cái)?shù)據(jù)為例，分析驗(yàn)證風(fēng)機(jī)中參數(shù)變化對(duì)直流側(cè)電容可靠性的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了提高直流側(cè)電容可靠性的措施。

1 變流器直流側(cè)電容可靠性評(píng)估模型

1.1 直流側(cè)電容壽命評(píng)估

電容的可靠性主要受其在工作時(shí)承受的電應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響。如鋁電解電容的失效主要是由電解液蒸發(fā)和電化學(xué)反應(yīng)引起的。文獻(xiàn)［16］給出了電容壽命與其運(yùn)行環(huán)境間的關(guān)系，如式（1）所示。

其中，Urated和Uop分別為電容的額定電壓及實(shí)際運(yùn)行電壓；Trated和Thop分別為電容在額定條件下和實(shí)際運(yùn)行條件下的熱點(diǎn)溫度；Lop為電容在電壓Uop和溫度Thop下運(yùn)行時(shí)的壽命；Lrated為電容在額定電壓Urated和額定溫度Trated下運(yùn)行時(shí)的壽命；Kb為波茲曼系數(shù)；Ea和n分別為活化能和與電壓相關(guān)的常數(shù)，在本文中分別取1.19和2.46。

為體現(xiàn)電容在工作中的壽命損耗偏離額定壽命的程度，引入文獻(xiàn)［17］的方法，通過(guò)壽命損耗加速因子比較電容在不同運(yùn)行條件下的可靠性，其計(jì)算方法為：

由于電容的穩(wěn)壓作用，所以電容兩端電壓在運(yùn)行時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，因此對(duì)電容壽命影響較大的是其熱點(diǎn)溫度。

1.2 直流側(cè)電容的熱模型

為分析風(fēng)電機(jī)組參數(shù)對(duì)直流側(cè)電容電應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，基于電熱比擬理論，結(jié)合如圖1所示的雙饋風(fēng)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立變流器直流側(cè)電容的熱模型。

圖1 2 MW風(fēng)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of 2 MW wind turbine

電容的電模型常等效為由理想電容、等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感串聯(lián)組成，如圖2所示。則直流側(cè)電容在運(yùn)行中承受的電應(yīng)力為：

其中，Δu為直流側(cè)的紋波電壓值；P0為網(wǎng)側(cè)變流器的輸入功率；fg為電網(wǎng)頻率；Cdc為直流側(cè)電容；Udc為直流側(cè)電壓；ic，RMS為紋波電流的均方根值。

由于電容存在阻抗，使電容在運(yùn)行中產(chǎn)生功率損耗，進(jìn)而使電容內(nèi)部溫度升高。電容的電模型與熱模型的關(guān)系如圖2所示，圖中ESR和ESL分別為電容的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感，C為理想電容，PC，loss為電容的功率損耗，Th和Tc分別為電容的熱點(diǎn)溫度和殼溫，Rthhc和Rthca分別為電容熱點(diǎn)到殼與殼到外部環(huán)境之間的熱阻，Rth為Rthhc與Rthca的和，Ta為環(huán)境溫度。

由于電容的等效串聯(lián)電阻是隨流經(jīng)電容上的電流頻率變化而變化的［18-19］，因此需要考慮不同諧波電流對(duì)電容可靠性的影響，文獻(xiàn)［20］提出基于快速傅里葉變換（FFT）的電容功率損耗計(jì)算方法為：

其中，Ich為h次諧波電流的均方根值；N為紋波電流的諧波數(shù)；RESR（fh）為電容在fh時(shí)的ESR值，可通過(guò)電容的制造廠家提供的數(shù)據(jù)表查詢獲得。

圖2 直流側(cè)電容的簡(jiǎn)化電模型和熱模型Fig.2 Simplified electrical model and thermal model of DC-link capacitor

則由圖2可知電容的功率損耗與熱點(diǎn)溫度的關(guān)系式為：

1.3 可靠性評(píng)估步驟

基于前文的分析，風(fēng)電變流器直流側(cè)電容的可靠性評(píng)估流程如圖3所示，首先收集風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速、氣溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合式（4）計(jì)算直流側(cè)電容的紋波電流，然后對(duì)紋波電流進(jìn)行快速傅里葉變換，結(jié)合式（5）計(jì)算電容的功率損耗，接著利用熱模型計(jì)算電容的熱點(diǎn)溫度，利用式（1）計(jì)算電容的壽命來(lái)評(píng)估其可靠性。

圖3 風(fēng)電變流器直流側(cè)電容可靠性評(píng)估流程Fig.3 Flowchart of DC-link capacitor reliability evaluation in wind power converter

2 變流器參數(shù)對(duì)直流側(cè)電容可靠性的影響

2.1 理論分析

由上述分析可知，直流側(cè)電容的壽命主要受其承受的熱應(yīng)力所影響。依據(jù)圖2的熱模型可知，電容的熱點(diǎn)溫度的大小主要受功率損耗、熱阻和環(huán)境溫度影響，功率損耗又由電容的ESR和紋波電流等參數(shù)決定。具體分析如下。

a.當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，電容的熱點(diǎn)溫度也會(huì)隨之波動(dòng)。環(huán)境溫度越高，電容的熱點(diǎn)溫度越高，其可靠性越低。

b.由式（4）可知，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，變流器處理和變換的功率增大，流經(jīng)直流側(cè)電容上的紋波電流增大，則電容的功率損耗、熱點(diǎn)溫度都會(huì)增大，進(jìn)而縮短直流側(cè)電容的壽命。

c.當(dāng)電容的ESR發(fā)生變化時(shí)，電容的功率損耗會(huì)受到影響，以致改變熱點(diǎn)溫度的大小。ESR越小，電容的功率損耗越低，熱點(diǎn)溫度越小，因此電容的可靠性越高。

d.由式（6）可知，電容的熱阻增大，電容的熱點(diǎn)溫度增大，電容的壽命隨之縮短。

2.2 實(shí)例驗(yàn)證

如圖4所示，本文以甘肅某風(fēng)電場(chǎng)測(cè)得的2012年3月1日的風(fēng)速及氣溫?cái)?shù)據(jù)作為評(píng)估變流器直流側(cè)電容可靠性的基礎(chǔ)，進(jìn)而分析驗(yàn)證風(fēng)速、環(huán)境溫度及熱阻的變化對(duì)直流側(cè)電容可靠性的影響。風(fēng)機(jī)參數(shù)如下：額定功率為2 MW，切入風(fēng)速為3 m／s，額定風(fēng)速為 9m ／s，切出風(fēng)速為 16m ／s，網(wǎng)側(cè)頻率為 50Hz，機(jī)側(cè)頻率為0～100 Hz，開(kāi)關(guān)頻率為3 kHz，直流側(cè)電壓為1 100 V。變流器直流側(cè)電容的參數(shù)如下：額定容量為1000μF，額定電壓為315V，額定壽命（85℃）為2000h，ESR（25℃）為207mΩ，ESR（45℃）為145mΩ，ESR（65℃）為 124mΩ，ESR（85℃）為 124mΩ，熱阻為3.6℃／W。按照?qǐng)D3所示直流側(cè)電容可靠性的評(píng)估步驟，利用MATLAB繪制直流側(cè)電容熱點(diǎn)溫度的變化情況，并得出相應(yīng)的電容壽命。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)一天的風(fēng)速和氣溫剖面Fig.4 Profile of daily wind speed and ambient temperature of wind farm

a.環(huán)境溫度的影響。當(dāng)電容在額定電壓下運(yùn)行時(shí)，環(huán)境溫度與直流側(cè)電容的熱點(diǎn)溫度Thop及壽命的關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，環(huán)境溫度Ta越大，直流側(cè)電容的壽命越短，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度越高，熱點(diǎn)溫度越大，進(jìn)而導(dǎo)致電容的壽命縮短。

圖5 環(huán)境溫度與直流側(cè)電容熱點(diǎn)溫度及壽命的關(guān)系Fig.5 Relationship between ambienttemperatureand hot-pot temperature and lifetime of DC-link capacitor

當(dāng)風(fēng)速保持在12 m／s時(shí)，環(huán)境溫度與電容壽命損耗率的關(guān)系見(jiàn)表1。從表1可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度處于45～65℃之間時(shí)，與環(huán)境溫度處于5～45℃相比，電容壽命損耗率增大得更多，即電容的可靠性降低得更快。當(dāng)環(huán)境溫度從5℃升到25℃時(shí)，電容壽命損耗率增加了0.046 9，而當(dāng)環(huán)境溫度從45℃升到65℃時(shí)，電容壽命損耗率增加了0.75。

表1 環(huán)境溫度與電容壽命損耗的關(guān)系Table 1 Relationship between ambient temperatureand capacitor consumed lifetime

b.風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)速的影響。保持風(fēng)機(jī)所在的環(huán)境溫度為25℃，風(fēng)機(jī)在圖4所示的風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)，直流側(cè)電容的熱點(diǎn)溫度如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)風(fēng)速在04∶00時(shí)有較大的波動(dòng)時(shí)，電容的熱點(diǎn)溫度在04∶00時(shí)也產(chǎn)生較大的變化。這是由于在較高風(fēng)速段時(shí)，風(fēng)機(jī)的輸出功率較高，使直流側(cè)電容的紋波電流和熱點(diǎn)溫度較高。

圖6 直流側(cè)電容的熱點(diǎn)溫度Fig.6 Hot-pot temperature of DC-link capacitor

c.ESR的影響。當(dāng)ESR發(fā)生變化時(shí)，直流側(cè)電容熱點(diǎn)溫度及壽命損耗率的關(guān)系如表2所示。從表2中可以看出，當(dāng)ESR增大時(shí)，電容壽命損耗率增大。

表2 電容ESR與壽命損耗的關(guān)系Table 2 Relationship between capacitor ESR and consumed lifetime

d.電容熱阻的影響。電容在環(huán)境溫度為25℃下運(yùn)行時(shí)，熱阻的變化與直流側(cè)電容壽命損耗率的關(guān)系見(jiàn)表3。從表3可以看出，電容的壽命損耗率隨熱阻的增大而增大。由于熱阻的增加會(huì)引起殼溫以及熱點(diǎn)溫度的增大，以致直流側(cè)電容的壽命損耗變大。

表3 電容熱阻與壽命損耗的關(guān)系Table 3 Relationship between capacitor thermal resister and consumed lifetime

3 提高直流側(cè)電容可靠性措施的討論

由式（1）和式（2）可知，直流側(cè)電容的可靠性主要由電容的運(yùn)行電壓Uop及熱點(diǎn)溫度Thop所決定，由于電容的穩(wěn)壓特性導(dǎo)致其兩端的運(yùn)行電壓基本維持穩(wěn)定，所以熱點(diǎn)溫度的大小對(duì)電容可靠性的影響更大。因此提高電容的可靠性主要從降低其熱點(diǎn)溫度的角度去考慮。

提高直流側(cè)電容的措施總體上分為2種類型：優(yōu)化直流側(cè)設(shè)計(jì)，使電容能在可靠性較高的狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行；通過(guò)提高電容的制造技術(shù)，減少電容在工作中的壽命損耗率，提高直流側(cè)電容的可靠性［21-24］。

a.改變直流側(cè)的設(shè)計(jì)。

通過(guò)改變直流側(cè)電容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變流經(jīng)電容的紋波電流幅值，降低電容的熱點(diǎn)溫度，進(jìn)而減少因紋波電流變化導(dǎo)致的電容可靠性降低。傳統(tǒng)的變流器直流側(cè)設(shè)計(jì)如圖7（a）所示。文獻(xiàn)［21］采用在直流側(cè)電容一側(cè)增加附加電容的直流側(cè)設(shè)計(jì)，如圖7（b）所示。

圖7 變流器直流側(cè)的設(shè)計(jì)方案Fig.7 DC-link design scheme of power converter

圖8比較了在250kW的逆變器中，直流側(cè)40mF的鋁電解電容在附加2 mF的薄膜電容前后的紋波電流頻域圖。其中深灰色部分為圖7（a）中C1的紋波電流，淺灰色部分為圖7（b）中C1的紋波電流。從圖8可以看出，在采用附加電容直流側(cè)設(shè)計(jì)后，流經(jīng)直流側(cè)鋁電解電容的紋波電流減少，則電容產(chǎn)生的功率損耗減少，熱點(diǎn)溫度降低，使其可靠性得到較為明顯的提高。因此通過(guò)適當(dāng)?shù)闹绷鱾?cè)設(shè)計(jì)可以提高直流側(cè)電容的可靠性，但是增加的附加電路可能會(huì)引發(fā)變流器其他的失效行為，同時(shí)增加了變流器的成本，所以具體的直流側(cè)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步研究。

圖8 250 kW逆變器中40 mF的鋁電解電容在并聯(lián)2 mF的附加電容前后的紋波電流Fig.8 Ripple current before and after 40 mF aluminum electrolytic capacitor is paralleled with additional 2 mF capacitor for 250 kW inverter

b.改變電容的散熱環(huán)境。

作為處理和變換功率的裝置，風(fēng)電變流器在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的功率損耗，熱阻的變化對(duì)電容的熱點(diǎn)溫度、殼溫都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以較大的熱阻和不合理的散熱設(shè)計(jì)都會(huì)縮短電容的壽命。因此為了提高直流側(cè)電容的可靠性，可以通過(guò)改變電容的安裝方式、冷卻方式及設(shè)計(jì)方式等降低電容熱阻，進(jìn)而降低電容的熱點(diǎn)溫度。如可采用螺栓安裝方式或者延長(zhǎng)的陰極鋁箔與電容器鋁殼直接接觸等方法降低熱阻。

除此之外，應(yīng)盡量將電容安置在遠(yuǎn)離發(fā)熱元件的位置，否則過(guò)高的環(huán)境溫度會(huì)縮短直流側(cè)電容的使用壽命。在環(huán)境溫度較高時(shí)，盡量采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，將電容安裝在進(jìn)風(fēng)口。

c.降低電容的ESR值。

常見(jiàn)的降低ESR值的方法有：采用多個(gè)電極引接片來(lái)降低芯包和引腳之間的阻抗，芯包上的電極引接片越多，電容的ESR值越低；借助激光焊接電極，可在芯包上加上更多的電極引接片，因此使電容能達(dá)到較低的ESR值。通過(guò)降低電容的ESR值，使器件在工作時(shí)產(chǎn)生較小的功率損耗和較低的內(nèi)部溫升，從而延長(zhǎng)變流器直流側(cè)電容的使用壽命。

4 結(jié)論

本文根據(jù)電應(yīng)力及熱應(yīng)力波動(dòng)對(duì)電容的可靠性的影響機(jī)理，結(jié)合電熱比擬理論，給出了風(fēng)電變流器直流側(cè)電容的可靠性評(píng)估模型。結(jié)合實(shí)際風(fēng)速及氣溫?cái)?shù)據(jù)，分析驗(yàn)證了環(huán)境溫度、運(yùn)行風(fēng)速、電容ESR及熱阻的變化對(duì)直流側(cè)電容可靠性的影響，為風(fēng)電變流器的運(yùn)行維護(hù)和可靠性設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

根據(jù)分析結(jié)果，本文討論了通過(guò)改變直流側(cè)設(shè)計(jì)、改變電容的散熱環(huán)境及降低電容的ESR值，以降低電容的紋波電流和熱點(diǎn)溫度，可達(dá)到提高變流器直流側(cè)電容的可靠性的目的。對(duì)于直流側(cè)設(shè)計(jì)和電容的散熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)將是下一步的研究重點(diǎn)。

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