一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，首先根据光伏逆变器元件类似于电力变压器元件的功能和结构，建立光伏逆变器元件温度预测方程，然后分别计算光伏逆变器散热器温升，以及逆变器元件温升，最后得到光伏逆变器的主要电子元件电容器和IGBT的温度。本发明专利技术引入了风速因子c和散热器因子k，散热器因子k是一个重要的量它可以反映一个光伏逆变器的热性能，并且本发明专利技术可以精确预计一般逆变器散热的温度为±3°C，在不同风速下的散热系数通过模拟计算的值和实际测量的差异小于10%。

【技术实现步骤摘要】
一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法
本专利技术涉及一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，属于光伏逆变器

技术介绍
逆变器是光伏系统中不可分割的一部分,必须正常运行以保证系统输出的最大化。电力电子设备的生命周期的可靠性很大程度上取决于运作温度,运作温度则取决于负载和环境条件。在气冷式逆变器中，风扇和散热片是用来减轻加热元件温度为了提高长期可靠性。操作温度通常与电元件的平均故障间隔时间(MTBF)有关。在实际应用中有一个程序元件精确的温度值是非常重要的。R.Bharti,etal.,"Nominaloperatingcelltemperature(NOCT):effectsofmodulesize,loadingandsolarspectrum,"inProceedingsofthe200934thIEEEPhotovoltaicSpecialistsConference(PVSC2009),Philadelphia,PA,USA,2009,pp.6-12，提出了光伏逆变器简化模型的温度评估,描述了逆变器空间的温度上升与入射辐照度的线性函数，逆变器元件温度公式参考Peng,etal.,"Reliabilityevaluationofgrid-connectedphotovoltaicpowersystems,"IEEETransactionsonSustainableEnergy,vol.3,pp.379-89,July2012。在IGBT逆变器内和二极管结温度计算时，使用这些元件的运行参数。一些出版物介绍逆变器元件功率损耗和有限元热模型逆变器散热器的分析，也有许多出版物关注光伏模块的温度评估和太阳能热收集器。然而,很少有去讨论逆变器的温度计算和可靠性评估,从光伏系统的环境和操作条件的角度来看,如辐照度、环境温度和光伏系统配置。单个元件,如电容器、IGBT、变压器和电路板的热力学知识可能会对评估系统的可靠性有用。
技术实现思路
本专利技术的提供一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，给出了光伏逆变器的主要元件电容器和IGBT的温度预测模型。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，包括以下步骤：1)建立光伏逆变器元件温度预测方程：TC＝TA+ΔTH+ΔTC(1)其中，TA为环境温度，ΔTH为散热器温升，ΔTC为逆变器元件温升，TC为光伏逆变器元件温度；2)计算散热器温升ΔTH；3)计算逆变器元件温升ΔTC；4)根据所述步骤1)的光伏逆变器元件温度预测方程，所述步骤2)求得的散热器温升，所述步骤3)求得的逆变器元件温升得到光伏逆变器元件温度。前述的步骤2)散热器温升的计算过程为：2-1)建立光伏逆变器散热器的热平衡状态方程：QA＝QC+QR(2)其中，QC为热对流，QR为从逆变器散热器表面辐射的热交换的热量，QA为散热器吸收的热量，所述QC，QR，QA分别通过如下公式表示：QA＝Pdc-Pac(3)QC＝Hw×A(TH-TA)＝Hw×A×ΔTH(4)QR＝A×σ(TH4-TE4)(5)其中，Pdc,Pac,Hw,A，σ,TH,TA,和TE分别表示逆变器直流电输入值，交流电输出值，对流传热系数，散热器的表面积，斯特凡·波尔兹曼常数，逆变器散热器温度，环境温度，逆变器架或盖温度；2-2)考虑到QC远远大于QR，为了简化方程，忽视QR，则逆变器散热器的热平衡状态方程式(2)简化成如下形式：QA＝QC＝Hw×A(TH–TA)＝A×Hw×ΔTH＝Pdc-Pac(6)其中，ΔTH表示逆变器散热器温度和环境温度的温差：2-3)所述步骤2-2)中的对流传热系数Hw通过如下表示：Hw＝a+b×Vw,Vw≤5m/s(10)其中，a，b分别为自定义系数，Vw为风速；则，式(7)变为：2-4)考虑到散热器的表面积A难以定义或测量，故将其替换，另外定义系数c和k取代系数a和b，则式(11a)变为如下形式：其中，PR，c，k分别表示逆变器的额定功率，风速因子和风速为0时的散热器因子；将式(11b)进行重新整理，得到：ΔTH＝Kws×Pcpr(11c)其中，Kws为散热系数，Pcpr为逆变器的消耗功率比；2-5)将散热器与风速相关的温升校正为风速为0时的散热器温升如下：前述的步骤3)逆变器元件温升的计算过程如下：3-1)逆变器元件温升ΔTC通过下式表示：ΔTC＝k′×PC(15)其中，PC为每个逆变器元件的功率消耗，k′为每个逆变器元件的散热系数；3-2)光伏逆变器元件主要包括电容器和IGBT；所述电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔTcc为：ΔTcc＝K′c×Pcc其中，K′c为电容器的散热系数，Pcc为电容器的功率消耗；所述IGBT在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔTCI为：ΔTCI＝ki′×Pci其中，ki′为IGBT的散热系数，Pci为IGBT的功率消耗。前述的电容器的功率消耗包括介质滞后和介质泄漏：Pcc＝Ir2×Rs+IL×VL(17)其中，Ir是电容中波纹电流的均方根，Rs是电容的等效串联电阻，IL是电容器中的介质泄漏电流，VL是电容器的纹波电压；其中，波纹电流的均方根Ir用如下方式计算：其中，Po是逆变器的输出功率，Vd是逆变器的直流输入电压，忽略掉泄漏电流IL，则电容器的功率消耗Pcc为：其中，Iinverter是逆变器的输出电流；则，电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔTcc为：前述的IGBT的功率消耗Pci包括导通损耗Pcond，开关损耗Psw和阻塞损失Pb：Pci＝Pcond+Psw+Pb；所述导通损耗Pcond通过下式表示：Pcond＝Uceo×Iav+rc×Irms2(21)其中，Uceo为IGBT通态零电流集电极-发射极点电压，rc为集电极-发射极通态电阻，Iav为IGBT的平均电流，Irms为IGBT电流的均方根值；所述开关损耗Psw通过下式表示：Psw＝fsw(Eonm+Eoffm)Is/Inom(22)其中，fsw为开关频率，Is为IGBT的工作电流，Inom为IGBT的额定电流，Eonm为IGBT单次开消耗的能量，Eoffm为IGBT单次闭消耗的能量；忽略阻塞损失Pb，则IGBT的功率消耗Pci为：定义K1和K2：则IGBT在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔTCI为：ΔTCI＝ki′×Pci＝Iinverter(K1+K2×Iinverter)(24)其中，Iinverter是逆变器的输出电流。本专利技术提供了一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，可以精确预计一般逆变器散热的温度为±3℃，在不同风速下的散热系数通过模拟计算的值和实际测量的差异小于10％，本专利技术用于预测光伏逆变器元件温度，具有较高的精度和可靠性。另外，本专利技术引入了风速因子c和散热器因子k，散热器因子k是一个重要的量，它可以反映一个光伏逆变器的热性能。附图说明图1a为S1和S2逆变器的安装位置示意图；图1b为S3逆变器的安装位置示意图；图2为逆变器S3在不同的风速下的散热器温升值；图3a为逆变器S3的散热系数的模拟结果和实测计算结果的对比；图3b为逆变器S1，S2的散热系数的模拟结果和实测计算结果的对比；图4a为逆变器S3在相同风速条件下散热器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立光伏逆变器元件温度预测方程：TC＝TA+ΔTH+ΔTC   (1)其中，TA为环境温度，ΔTH为散热器温升，ΔTC为逆变器元件温升，TC为光伏逆变器元件温度；2)计算散热器温升ΔTH；3)计算逆变器元件温升ΔTC；4)根据所述步骤1)的光伏逆变器元件温度预测方程，所述步骤2)求得的散热器温升，所述步骤3)求得的逆变器元件温升得到光伏逆变器元件温度。

【技术特征摘要】
1.一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立光伏逆变器元件温度预测方程：TC＝TA+ΔTH+ΔTC(1)其中，TA为环境温度，ΔTH为散热器温升，ΔTC为逆变器元件温升，TC为光伏逆变器元件温度；2)计算散热器温升ΔTH，所述散热器温升是指散热器温度和散热器周围空气之间的温差，计算过程为：2-1)建立光伏逆变器散热器的热平衡状态方程：QA＝QC+QR(2)其中，QC为热对流，QR为从逆变器散热器表面辐射的热交换的热量，QA为散热器吸收的热量，所述QC，QR，QA分别通过如下公式表示：QA＝Pdc-Pac(3)QC＝Hw×A(TH-TA)＝Hw×A×ΔTH(4)QR＝A×σ(TH4-TE4)(5)其中，Pdc,Pac,Hw,A，σ,TH,TA,和TE分别表示逆变器直流电输入值，交流电输出值，对流传热系数，散热器的表面积，斯特凡·波尔兹曼常数，逆变器散热器温度，环境温度，逆变器架或盖温度；2-2)考虑到QC远远大于QR，为了简化方程，忽视QR，则逆变器散热器的热平衡状态方程式(2)简化成如下形式：QA＝QC＝Hw×A(TH–TA)＝A×Hw×ΔTH＝Pdc-Pac(6)其中，ΔTH表示逆变器散热器温度和环境温度的温差：2-3)所述步骤2-2)中的对流传热系数Hw通过如下表示：Hw＝a+b×Vw,Vw≤5m/s(10)其中，a，b分别为自定义系数，Vw为风速；则，式(7)变为：2-4)考虑到散热器的表面积A难以定义或测量，故将其替换，另外定义系数c和k取代系数a和b，则式(11a)变为如下形式：其中，PR，c，k分别表示逆变器的额定功率，风速因子和风速为0时的散热器因子；将式(11b)进行重新整理，得到：ΔTH＝Kws×Pcpr(11c)1其中，Kws为散热系数，Pcpr为逆变器的消耗功率比；2-5)将散热器与风速相关的温升校正为风速为0时的散热器温升如下：3)计算逆变器元件温升ΔTC；，所述逆变器元件温升是指逆变器元件与和散热器之间的温度差，计算过程如下：3-1)逆变器元件温升ΔTC通过下式表示：ΔTC＝k′×PC(15)其中，PC为每个逆变器元件的功率消耗，k′为每个逆变器元件的散热系数；3-2)光伏逆变器元件主要包括电容器和IGBT；所述电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔTcc为：ΔTcc＝K′c×Pcc其中，K′c为电容器的散热系数，Pcc为电容器的功率消耗；所述IGBT在稳定状态下和散热器之间的温度差ΔTC...

【专利技术属性】
技术研发人员：张臻，徐夏天，单力，杜嵩，徐永晨，刘升，白建波，王磊，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32