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兰州交通大学李帅兵教授团队:交变湿热下光伏变流器DC-Link电容器老化机理及寿命预测 | CJEE论文推荐

已有 897 次阅读 2024-5-9 10:44 |个人分类:中国电气工程学报(英文)|系统分类:论文交流

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本文为兰州交通大学李帅兵教授团队发表在Chinese Journal of Electrical Engineering 2024年第10卷第1期“Emerging Technology and Advanced Application of Nondestructive Detection for Power Equipment”专栏的文章,题为“Aging Mechanism and Life Estimation of Photovoltaic Inverter DC-link Capacitors in Alternating Humid and Thermal Environment”,论文作者:Quanyi Gao, Shuaibing Li, Yi Cui, Yongqiang Kang, Haiying Dong。

论文亮点

为研究光伏变流器中DC-Link电容实际工作时的老化情况,设计了24h交变湿热老化工况。通过搭建的老化试验平台对20个在光伏变流器中应用广泛的DC-Link电容器进行老化试验,监测电容容值、等效串联电阻和相角等参数在老化过程中的变化情况,得到DC-Link电容在交变湿热环境下的老化特性。进一步,从电极腐蚀、自愈过程和介质老化三个方面深入研究了电容的老化机理。最后,通过数据拟合,得到了DC-Link电容的经验寿命模型,计算并预测了DC-Link电容在不同衰减程度下的寿命。

(1)在接近实际工作条件的交变湿热条件下,电容衰减和ESR的增加表现为指数非线性。

(2)电容老化受电容金属电极的氧化和自愈、介质主链断裂和晶体转变等因素的影响。

(3)利用数据拟合和自相关分析所提出的经验寿命模型能够实现DC-Link电容不同衰减情况下的寿命预测。

论文背景及目的

现有研究的研究对象多为应用于交流的金属化薄膜电容,对应用于光伏变流器的DC-Link电容器缺乏老化特性的研究,同时,所有针对电容的老化试验都只考虑了固定的温度、湿度和电压组合,这与光伏变流器中DC-Link电容器的实际工作环境不符,得到的老化特性在应用方面缺乏有效性。

为了模拟和测试应用于光伏发电领域的DC-Link电容在接近实际工作环境的极端交变湿热工况下的老化情况,设计了符合其广泛应用场景的交变湿热老化工作环境,搭建老化实验平台对两组金属化聚丙烯薄膜电容进行老化。通过得到的老化数据,利用数据拟合和自相关分析进行了电容在不同寿命衰减要求下的寿命预测。为之后的电容设计和应用提供了一定的基础。

试验方法

结合光伏变流器中DC-Link电容的实际工作环境并参考GJB360B-2009、GB/T2423.4-2016和IEC60068-2-30,设计循环的24h交变湿热老化工况;通过选取的20个DC-Link金属化聚丙烯薄膜电容、可编程恒温恒湿箱和可编程直流电压源等完成老化试验平台的搭建并进行电容老化。老化过程中每24h为一次循环,每次试验循环后监测记录电容、等效串联电阻和相角等老化参数。定义归一化电容和等效串联电阻直观反映相关参量的变化,即电容的老化情况。通过分析两组电容的老化试验结果,从电极腐蚀、自愈过程和介质老化三个方面深入分析DC-Link电容的老化机制。利用数据拟合完成电容的初步寿命预测,如电容首次进入老化的时间、一般电容寿命定义下的老化时间和不同衰减定义下的电容寿命。通过对两组归一化电容器的平均衰减进行自相关分析,提出了电容在变化的温度、湿度和电压影响下的经验寿命模型。

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搭建的交变湿热老化试验平台

试验结果

两组电容的容值随着老化时间衰减。组1电容(除了C18)中C13、C14、C15和C17在816h最早出现了-0.1%的容值变化,C12和C19最迟,在888小时才出现了-0.1%的容值变化,剩余电容在840h时产生相应的变化。C19衰减的最慢,在老化实验结束的时间点—2232h,容值衰减也只有-4.66%,而C10、C13、C15和C17电容变化分别为-11.52%、-11.80%、-11.96%、和-11.45%。组2电容中C22和C29在912h最早出现了-0.1%的容值变化,剩余电容在936h时产生相应的变化。C23在实验结束时,容值衰减最小:-4.48%,容值衰减最大的为C24:-7.28%。除了C22和C23的8个电容的容值衰减都超过了5%。

通过数据拟合得到组1和组2在不同容值衰减下的寿命。按照一般的金属化薄膜电容器寿命终点定义——-5%,组1电容的寿命为1772.2h,组2为2140.7h。若以电容器每天工作12h来估算,组1和组2寿命分别对应147.7天和178.4天。组1和组2容值衰减25%对应的寿命为2720.1h(226.7天)和3012.6h(251天),50%对应寿命为3086.8h(257.2天)和3339.1h(278.3天)。

试验结论

(1) 在湿热交变环境下,DC-Link电容器的容量衰减和ESR增加均呈现指数非线性。考虑-5%容量衰减和3倍ESR0的寿命定义,显然电容衰减发生的时间早于ESR,反映了电容的老化。这一观察结果强调了为什么容量衰减被广泛用作电容器应用和监测中的老化特征。

(2) 电容器进入老化衰减阶段的时间不仅受电容器本身的制造材料和工艺变化的影响,还受封装材料阻止外界水分进入能力的影响。第1组和第2组的包装材料分别为黑色和白色环氧树脂,如图4所示。在第1组环氧树脂封装中,主要添加固化剂以增强附着力、绝缘性和抗静电性能。另一方面,第2组固化剂的组成和比例有助于提高耐蚀性和耐热性。第2组较高的最高工作温度反映了其优越的耐热性。在水分侵入时,封装性能的差异显著影响了两种电容器的衰减老化时间差异。此外,当两组电容器的绕组结构体积相似时,较大的封装体积和比例也可能使水分侵入更耗时、更具挑战性。

(3) 在老化初期,两组电容器之间的差距并不明显,中后期所观察到的差异除了不可避免的个体差异、时间不确定性和制造过程中的测量误差外,还受到老化过程中电容器之间接触的影响。这种接触导致外壳的某些部分阻挡了水分的侵入。

(4) 金属电极的氧化和自愈过程导致电容有效面积的减小。同时,介质的主链断裂和晶体转变也导致了电容器不同程度的老化。在介电薄膜的生产中,聚丙烯的介电性能可以通过长链分支改性和加入各种成核剂来提高。

前景与应用

研究DC-Link电容在更加符合实际工作条件的交变湿热老化环境中的老化情况,为DC-Link电容的设计提供参考,使DC-Link电容能够优化设计,减少电容在工作中的损伤,延长电容的使用寿命,降低变流器的检修和更换造成的成本和经济损失,为变流器的设计提供理论基础。

团队带头人

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李帅兵,1989年出生,博士、教授,甘肃省陇原青年英才。现任甘肃省能源互联网技术与装备国际科技合作基地副主任、智慧能源创新创业基地(校级)负责人,担任IEEE PES电力系统保护与控制技术委员会常务理事、中国自动化学会智能分布式能源专委会委员、甘肃省电工技术学会常务理事、甘肃省电器标准委员会委员、《电气工程学报》及《综合智慧能源》青年编委。主持国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金等各类纵向课题9项,企业横向科技项目20余项,发表SCI/EI检索高水平学术论文30余篇,参编国家和团体标准各1项,获甘肃省科技进步一/二/三等奖各1项、甘肃省电工技术学会科技进步奖一等奖3项。

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