一种基于纹波分析的电解电容寿命计算方法技术

本发明专利技术涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于纹波分析的电解电容寿命计算方法，包括利用二重傅里叶级数求解不同频率下的电解电容电流纹波，结合电解电容阻抗特性与基于内部温升的电解电容的模型，求解出电解电容寿命；步骤为A计算buck电路中各次谐波电流的有效值大小；B给出电解电容的模型，利用迭代算法通过谐波电流有效值与谐波频率处电解电容等效电阻ESR计算得到电解电容内部温升；C将电解电容内部温升代入电解电容寿命公式计算得到电解电容寿命。该方法将电解电容寿命模型与系统参数相结合，分析了主电路中电感对电解电容寿命的影响；将电解电容的寿命计算与电解电容阻抗特性紧密结合，可精确求解电解电容的寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子
，尤其涉及一种基于纹波分析的电解电容寿命计算方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，直流变换装置在可再生能源发电、智能电网、航天航海等应用中发挥越来越重要的作用。由于直流变换装置中开关器件的作用，其输出电压中含有开关频率及其整数倍谐波，因此直流变换装置的输出侧需安装滤波电路，如LC滤波电路，LCL滤波电路等。滤波电路不可缺少的为电容，而电解电容具有容值大，能量密度高，且成本较低等优点，使其被广泛应用于直流变换装置的输出侧滤波电路的设计中。然而铝电解电容中工作电解液所引起的等效串联电阻比其他电容器的金属电极所引起的等效串联电阻更大，流过电解电容的光伏电池侧电流纹波在铝电解电容内部产生的发热比其他电容更严重，使得铝电解电容的寿命低于其他电容，而铝电解电容的寿命也成为制约直流变换装置寿命的最主要部分。现有文献中的铝电解电容寿命模型多为基于环境温度与内部温升的模型，或是基于统计学的电解电容失效模型，没有与系统参数设计相联系，因此不能从系统设计上为延长电解电容寿命，提高直流变换系统稳定性提供参考。部分电解电容寿命模型将电解电容等效电阻ESR取为恒定值，然后利用输出平均值与简化的等效电阻ESR求解出了电解电容的内部温升，进一步求得电解电容的寿命。然而电解电容的等效电阻ESR随其工作频率与内部温度而变化，由于此类电解电容模型忽略了电解电容的阻抗特性，其计算出的电解电容寿命准确性较低。
技术实现思路
本专利技术提供一种将电解电容寿命模型与系统参数相结合，具体分析了主电路中电感对电解电容寿命的影响；同时将电解电容的寿命计算与电解电容阻抗特性紧密结合，可精确求解出电解电容寿命的方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于纹波分析的电解电容寿命计算方法，所述计算方法包括利用二重傅里叶级数求解不同频率下的电解电容电流纹波，结合电解电容阻抗特性与基于内部温升的电解电容的模型，计算出电解电容寿命；具体步骤包括：S1.计算buck电路中各次谐波电流的有效值；S2.给出电解电容的模型，利用迭代算法通过谐波电流的有效值与谐波频率处电解电容等效电阻ESR计算得到电解电容内部温升；S3.将电解电容内部温升代入电解电容寿命公式计算电解电容寿命。上述的电解电容寿命计算方法中，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11.利用二重傅里叶级数求解buck电路中开关函数s(t)在各个频率下的幅值，再进一步得到LC滤波器电容电流在各个频率下电流幅值；S12.求解出LC滤波器电容电流在各个频率下电流幅值后，利用叠加定理求解buck电路谐波交流电压源等效电路；S13.再利用谐波交流电压源等效电路求解出buck电路输出侧LC滤波器中的电解电容中各次谐波电流的有效值。上述的电解电容寿命计算方法中，所述步骤S11具体包括以下步骤：S111.将电路的开关函数s(t)转化为s(x,y)，在buck电路中，其输入电压Vin与输出电压Vout满足Vout＝DVin，采用调制方式得到一个直流输出，调制波形式如下：Mref＝D (1)(1)式中D为开关变换器占空比；令以下两个时间变量的函数x(t)＝ωc(t)+θc (2)y(t)＝ωo(t)+θo (3)(2)、(3)式中ωC是载波的角频率，θC是载波的初始相角，ωo为基波的角频率，θo为基波的初始相角；将开关函数s(t)转化为s(x,y)，变量x(t)与y(t)分别表示高频载波和低频调制波的时间变量，各变量为周期性信号且相互独立，在xy平面上，电路的开关函数s(x,y)仅有0和1两个值；S112.根据二重傅里叶级数理论，将电路的开关函数s(x,y)用以下级数表示 s ( x , y ) = c 00 4 + 1 2 Σ n = 1 ∞ ( c 0 n cos ( 2 n y ) + d 0 n sin ( 2 n y ) ) + 1 2 Σ m = 1 ∞ ( c m 0 cos ( 2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纹波分析的电解电容寿命计算方法，其特征在于，所述计算方法包括利用二重傅里叶级数求解不同频率下的电解电容电流纹波，结合电解电容阻抗特性与基于内部温升的电解电容的模型，计算出电解电容寿命；具体步骤包括：S1.计算buck电路中各次谐波电流的有效值；S2.给出电解电容的模型，利用迭代算法通过谐波电流的有效值与谐波频率处电解电容等效电阻ESR计算得到电解电容内部温升；S3.将电解电容内部温升代入电解电容寿命公式计算电解电容寿命。

【技术特征摘要】
1.一种基于纹波分析的电解电容寿命计算方法，其特征在于，所述计算方法包括利用二重傅里叶级数求解不同频率下的电解电容电流纹波，结合电解电容阻抗特性与基于内部温升的电解电容的模型，计算出电解电容寿命；具体步骤包括：S1.计算buck电路中各次谐波电流的有效值；S2.给出电解电容的模型，利用迭代算法通过谐波电流的有效值与谐波频率处电解电容等效电阻ESR计算得到电解电容内部温升；S3.将电解电容内部温升代入电解电容寿命公式计算电解电容寿命。2.根据权利要求1所述的基于纹波分析的电解电容寿命计算方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11.利用二重傅里叶级数求解buck电路中开关函数s(t)在各个频率下的幅值，再进一步得到LC滤波器电容电流在各个频率下电流幅值；S12.求解出LC滤波器电容电流在各个频率下电流幅值后，利用叠加定理求解buck电路谐波交流电压源等效电路；S13.再利用谐波交流电压源等效电路求解出buck电路输出侧LC滤波器中的电解电容中各次谐波电流的有效值。3.根据权利要求2所述的基于纹波分析的电解电容寿命计算方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括以下步骤：S111.将电路的开关函数s(t)转化为s(x,y)，在buck电路中，其输入电压Vin与输出电压Vout满足Vout＝DVin，采用调制方式得到一个直流输出，调制波形式如下：Mref＝D (1)(1)式中D为开关变换器占空比；令以下两个时间变量的函数x(t)＝ωc(t)+θc (2)y(t)＝ωo(t)+θo (3)(2)、(3)式中ωC是载波的角频率，θC是载波的初始相角，ωo为基波的角频率，θo为基波的初始相角；将开关函数s(t)转化为s(x,y)，变量x(t)与y(t)分别表示高频载波和低频调制波的时间变量，各变量为周期性信号且相互独立，在xy平面上，电路的开关函数s(x,y)仅有0和1两个值；S112.根据二重傅里叶级数理论，将电路的开关函数s(x,y)用以下级数表示 s ( x , y ) = c 00 4 + 1 2 Σ n = 1 ∞ ( c 0 n cos ( 2 n y ) + d 0 n sin ( 2 n y ) ) + 1 2 Σ m = 1 ∞ ( c m 0 cos ( 2 m x ) + e m 0 sin ( 2 m x ) ) + 1 2 Σ m = 1 ∞ Σ n = - ∞ ∞ ( ( c m n - f m n ) cos ( 2 m x + 2 n y ) + ( d m n + e m n ) sin ( 2 m x + 2 n y ) ) - - - ( 4 ) ]]>(4)式中的为直流分量，为基波及其整数倍的谐波，为高频的载波谐波及其整数倍谐波，为载波谐波、参考波形加上与之相关的基带谐波之间的和与差所形成的所有谐波的集合，为边带谐波；其中c00，c0n，cm0，d0n，dmn，em0，cmn，emn，fmn，为傅里叶积分系数，m与n分别代表基波频率的倍数与载波频率的倍数，其求解方法如下： c m n = 2 π 2 ∫ - π π ∫ 0 π D c o s ( 2 m x ) c o s ( 2 n y ) d x d y ]]> d m n = 2 π 2 ∫ - π π ∫ 0 π D c o s ( 2 m x ) s i n ( 2 n y ) d x d y ]]> e m n = 2 π 2 ∫ - π π ∫ 0 π D sin ( 2 m x ) c o s ( 2 n y ) d x d y ]]> f m n = 1 l ∫ - l l b m ( y ) sin n π y l d y = 1 l 2 ∫ - l l ∫ - l l f ( x , y ) sin m π x l sin n π y l d x d y ]]> c 0 n = 4 π 2 ∫ - π 2 π 2 ∫ - π 2 π 2 f ( x , y ) cos ( 2 n y ) d x d y = 4 π 2 ∫ - π 2 π 2 ∫ - π 2 π M cos y - π 2 cos ( 2 n y ) d x d y = 4 π M [ - 2 cos ( n π ) 4 n 2 - 1 ] ]]> d ...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄萌，刘懿，刘悦遐，韦李军，岑扬，吉慧子，孙建军，查晓明，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42