一种光伏变流器可靠性评估方法技术

本发明专利技术公开了一种光伏变流器可靠性评估方法，包括以下步骤：建立用于标准化不同材料水分扩散阻力的比率表达式，并根据菲克定律计算出水分扩散阻力；基于不同材料的水分扩散阻力建立用于反映光伏变流器温湿度变化对水分扩散造成影响的湿热等效电路模型；基于水分扩散的湿热等效电路模型和湿热老化模型建立光伏变流器的老化寿命预估模型；采用条件概率函数建立考虑光伏变流器老化寿命的时变故障率模型；基于光伏变流器的时变故障率采用序贯蒙特卡洛方法建立光伏系统可靠性评估模型。本发明专利技术通过基于时变故障率的贯序蒙特卡洛模拟对光伏发电系统进行可靠性评估，解决了同时对电气运行条件和气候中温湿度变化对光伏变流器的影响问题。的影响问题。的影响问题。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏变流器可靠性评估方法


[0001]本专利技术涉及低压直流配电网系统可靠性评估
，具体涉及一种光伏变流器可靠性评估方法。

技术介绍

[0002]光伏以可开发容量大、清洁等优点成为电力系统中增长最快的能源。随着大量不确定性分布式光伏能源的接入，对低压配电网优化运行带来了巨大的挑战，光伏的可靠性问题对于低压直流配电网有着重要的影响。光伏变流器是将电能输送到电网的光伏发电装置的关键部分，为保证光伏系统的能够安全稳定的运行，对于光伏变流器的可靠性评估具有实际意义。
[0003]光伏变流器主要由电力电子器件组成，评估其可靠性主要基于统计的方法和基于故障物理的方法。基于统计的方法通过分析长期收集的故障数据来获得长期平均故障率，基于已有现场数据的故障统计数据表明，电气运行条件和气候条件，尤其是温度和湿度，对变流器的故障有重大贡献，但是，这些参数并没有提供任何信息来量化根本原因对变流器可靠性的影响。基于故障物理的方法被广泛用于评估变流器的可靠性，其研究了故障和故障机制背后的根本原因，从而可以进行准确且随时间变化的可靠性评估，包括考虑老化过程的寿命估计。
[0004]但是，上述可靠性评估方法仅考虑了电气运行条件和环境温度，对于气候条件中的另一个重要影响因素，即湿度则被忽略，这对变流器的可靠性有重大影响。因此，需要一种新的可靠性评估方法，同时考虑电气运行条件和气候条件中的温湿度对变流器可靠性的影响。
[0005]为此，提供了一种光伏变流器可靠性评估方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所述的一种光伏变流器的可靠性评估方法，针对电气运行条件和气候中温湿度对变流器的影响，对湿热老化进行建模，来定量湿热老化对变流器的影响；通过序贯蒙特卡洛模拟对光伏发电系统进行可靠性评估，解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]本专利技术所述的一种光伏变流器可靠性评估方法，包括以下步骤：建立用于标准化不同材料水分扩散阻力的比率表达式，并根据菲克定律计算出水分扩散阻力；基于不同材料的水分扩散阻力建立用于反映光伏变流器温湿度变化对水分扩散造成影响的湿热等效电路模型；基于水分扩散的湿热等效电路模型和湿热老化模型建立光伏变流器的老化寿命预估模型；基于所述老化寿命估计模型，采用条件概率函数建立考虑光伏变流器老化寿命的时变故障率模型；基于光伏变流器的时变故障率模型得到的时变故障率，采用序贯蒙特卡洛方法建立光伏系统可靠性评估模型。
[0009]优选的，比率表达式通过下式描述：
[0010]ratio＝S(T)
·
R
D
·
T
en
，
[0011]式中，R
D
表示理想气体常数，T
en
表示环境温度，S(T)表示在环境温度T
en
下的溶解度；
[0012]所述水分扩散阻力通过菲克定律计算得出：
[0013][0014]式中，R
md
为湿度电阻，表示电力电子器件周围的密封和外壳引起的对湿度扩散的对立程度的量度，l表示材料的厚度，S表示材料的表面积，ε表示水分扩散系数；
[0015]当水分扩散阻力为空气中水分的等效浓度时，则需要转换不同聚合物的电阻：
[0016][0017]式中，温度T下的特定材料水分扩散系数取决于聚合物和温度，如下式表示：
[0018][0019]式中，E
a
表示材料的活化能，ε0表示理想条件下的水分扩散系数，T
p
表示聚合物的温度，k
b
为玻尔兹曼常数。
[0020]优选的，湿热等效电路模型表示为：
[0021][0022]式中，H
jT
、H
jD
分别为IGBT芯片和二极管芯片的湿度，R
mdhs
、R
mdbp
、R
mdigc
、和R
mddic
分别为散热器湿度电阻、外壳湿度电阻、IGBT芯片湿度电阻和二极管芯片湿度电阻，J
hs
、J
bp
、J
igc
、J
dic
分别表示为散热器、外壳、IGBT芯片和二极管芯片的水分扩散通量，C
a
、C
h
和C
c
分别表示环境、散热器和外壳的温度。
[0023]优选的，光伏变流器湿热老化寿命预估包括以下步骤：光伏变流器湿热老化寿命预估包括以下步骤：比较湿热循环造成的焊料层乏力损伤，以及湿气扩散造成的封装材料性能退化两种故障机制下的寿命，并选择其中的最小寿命作为预估寿命；
[0024]通过循环计数将随机变化的湿热负荷曲线转换为调节的循环数来量化光伏变流器可以承受的湿热循环，其中包括温度振幅ΔT
i
、平均温度值T
im
、水分浓度振幅ΔC
i
。
[0025]优选的，寿命预估包括以下两个阶段：阶段一为热阻R
t
变化的线性阶段，累积损伤ΔR
t
通过下式计算：
[0026][0027][0028]式中，C(i)表示为i型热循环数，C
c
(i)表示使热阻增加0.5％的i型热循环数，ΔT
i
为i型热循环的温度振幅，T
im
为i型热循环的平均温度值，A1、A2和α为实验中得到的参数；
[0029]阶段二为热阻R
t
增加超过0.5％的非线性阶段，在相应的应力水平R下R
t
速率的增加取决于归一化的热阻本身，R通过下式计算：
[0030][0031]R
t
(i)＝R
t
(i
‑
1)+R(i
‑
1)，
[0032]式中，a1、a2、a3、a4、a5和a6为从实验室中得出的参数，ΔT
i
为i型热循环的温度振幅，T
im
为i型热循环的平均温度值。
[0033]优选的，时变故障率模型表示为计算当光伏变流器操作了T
nor
年时，光伏变流器操作L年的概率，L表示为剩余寿命；当光伏变流器运行T
nor
年时，光伏变流器的故障分布F(t)如下式表示：
[0034][0035]剩余寿命的期望值如下式表示：
[0036][0037]时变参数如下式表示：
[0038][0039]式中，L0表示光伏变流器的理论寿命，α为比例参数，β为形状参数；
[0040]变尺度参数如下式表示：
[0041]EL＝L，
[0042]光伏变流器的时变故障率如下式表示：
[0043][0044]式中，α(t)为威布尔分布的时变比例参数，β(t)为威布尔分布的时变形状数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光伏变流器可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：建立用于标准化不同材料水分扩散阻力的比率表达式，并根据菲克定律计算出水分扩散阻力；基于不同材料的水分扩散阻力建立用于反映光伏变流器温湿度变化对水分扩散造成影响的湿热等效电路模型；基于水分扩散的湿热等效电路模型和湿热老化模型建立光伏变流器的老化寿命预估模型；基于所述老化寿命估计模型，采用条件概率函数建立考虑光伏变流器老化寿命的时变故障率模型；基于光伏变流器的时变故障率模型得到的时变故障率，采用序贯蒙特卡洛方法建立光伏系统可靠性评估模型。2.根据权利要求1所述的一种光伏变流器可靠性评估方法，其特征在于，比率表达式通过下式描述：ratio＝S(T)
·
R
D
·
T
en
，式中，R
D
表示理想气体常数，T
en
表示环境温度，S(T)表示在环境温度T
en
下的溶解度；所述水分扩散阻力通过菲克定律计算得出：式中，R
md
为湿度电阻，表示电力电子器件周围的密封和外壳引起的对湿度扩散的对立程度的量度，l表示材料的厚度，S表示材料的表面积，ε表示水分扩散系数；当水分扩散阻力为空气中水分的等效浓度时，则需要转换不同聚合物的电阻：式中，温度T下的特定材料水分扩散系数取决于聚合物和温度，如下式表示：式中，E
a
表示材料的活化能，ε0表示理想条件下的水分扩散系数，T
p
表示聚合物的温度，k
b
为玻尔兹曼常数。3.根据权利要求1所述的一种光伏变流器可靠性评估方法，其特征在于，湿热等效电路模型表示为：式中，H
jT
、H
jD
分别为IGBT芯片和二极管芯片的湿度，R
mdhs
、R
mdbp
、R
mdigc
、和R
mddic
分别为散热器湿度电阻、外壳湿度电阻、IGBT芯片湿度电阻和二极管芯片湿度电阻，J
hs
、J
bp
、J
igc
、J
dic
分别表示为散热器、外壳、IGBT芯片和二极管芯片的水分扩散通量，C
a
、C
h
和C
c
分别表示环境、散热器和外壳的温度。4.根据权利要求1所述的一种光伏变流器可靠性评估方法，其特征在于，光伏变流器湿热老化寿命预估包括以下步骤：比较湿热循环造成的焊料层乏力损伤，以及湿气扩散造成的封装材料性能退化两种故障机制下的寿命，并选择其中的最小寿命作为预估寿命；
通过循环计数将随机变化的湿热负荷曲线转换为调节的循环数来量化光伏变流器可以承受的湿热循环，其中包括温度振幅ΔT
i
、平均温度值T
im
、水分浓度振幅ΔC
i
。5.根据权利要求4所述的一种光伏变流器可靠性评估方法，其特征在于，寿命预估包括以下两个阶段：阶段一为热阻R
t
变化的线性阶段，累积损伤ΔR
t
通过下式计算：通过下式计算：式中，C(i)表示为i型热循环数，C
c
(i)表示使热阻增加0.5％的i型热循环数，ΔT
i
为i型热循环的温度振幅，T
im
为i型热循环的平均温度值，A1、A2和α为实验中得到的参数；阶段二为热阻R
t
增加超过0.5％的非线性阶段，在相应的应力水平R下R
t
速率的增加取决于归一化的热阻本身，R通过下式计算：R
t
(i)＝R
t
(i
‑
1)+R(i
‑
1)，式中，a1、a2、a3、a4、a5和a6为从实验室...

【专利技术属性】
技术研发人员：周杨珺，李珊，秦丽文，吴丽芳，黄伟翔，陈千懿，
申请(专利权)人：广西电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：