一种敞开式支架安装光伏逆变器元件温度预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明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
技术领域。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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，et al.，''Nominal operating cell temperature (NOCT) : effects of module size, loading and solar spectrum,〃in Proceedings of the 2009 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference(PVSC 2009)，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, et al·，"Reliability evaluation of grid-connected photovoltaic power systems, ^IEEE Transactions on Sustainable Energy，vol. 3, pp. 379-89, July 2012。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。
【发明内容】
[0004] 本发明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。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006] 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：
[0007] 1)建立光伏逆变器元件温度预测方程：
[0008] Tc= Ta+Δ Th+ATc (1)
[0009] 其中，Ta为环境温度，Λ ThS散热器温升，Λ T。为逆变器元件温升，T。为光伏逆变 器元件温度；
[0010] 2)计算散热器温升Λ Th;
[0011] 3)计算逆变器元件温升Λ Tc;
[0012] 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。
[0013] 前述的步骤2)散热器温升的计算过程为：
[0014] 2-1)建立光伏逆变器散热器的热平衡状态方程：
[0015] Qa= Q C+Qr (2)
[0016] 其中，Q。为热对流，Q κ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，
[0017] 所述Qc，QK，Qa*别通过如下公式表示：
[0018] Qa= Pdc-Pac (3)
[0019] Qc= HwXA(Th-Ta) = HwXAX Δ Th (4)
[0020] Qk= AX 〇 (Th4-Te4) (5)
[0021] 其中，Pd。，Pa。，Hw，Α，〇，T H，Ta，和1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；
[0022] 2-2)考虑到％远远大于QK，为了简化方程，忽视QK，则逆变器散热器的热平衡状态 方程式（2)简化成如下形式：
[0023] Qa=Qc=HwXA(T h-Ta) =AXHwXAT11=Pdc-Pac (6)
[0024] 其中，Λ Th表示逆变器散热器温度和环境温度的温差：
[0025]
(7);
[0026] 2-3)所述步骤2-2)中的对流传热系数Th通过如下表示：
[0027] Hw= a+bXVw，Vw彡 5m/s (10)
[0028] 其中，a，b分别为自定义系数，乂￥为风速；
[0029] 贝丨J，式（7)变为：
[0030]
(Ha)
[0031] 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（Ila)变为如下形式：
[0032]
(Hb)
[0033] 其中，PK，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；
[0034] 将式（Ilb)进行重新整理，得到：
[0035] (Ilc)
[0036] (1°)
[0037] (13)
[0038] 其中，Kws为散热系数，P ^为逆变器的消耗功率比；
[0039] 2-5)将散热器与风速相关的温升a7Ww校正为风速为0时的散热器温升W h。如下：
[0040] ^h0 = (I + c X Vw) X ^Tfjyw (14)。
[0041] 前述的步骤3)逆变器元件温升的计算过程如下：
[0042] 3-1)逆变器元件温升Λ T。通过下式表示：
[0043] ATc= k，XPc (15)
[0044] 其中，P。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；
[0045] 3-2)光伏逆变器元件主要包括电容器和IGBT ;
[0046] 所述电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差Λ T。。为：
[0047] ATcc= K/CXPCC
[0048] 其中，C。为电容器的散热系数，P。。为电容器的功率消耗；
[0049] 所述IGBT在稳定状态下和散热器之间的温度差Λ 1为：
[0050] ATCI=ki' XPci
[0051] 其中，kW为IGBT的散热系数，PeiS IGBT的功率消耗。
[0052] 前述的电容器的功率消耗包括介质滞后和介质泄漏：
[0053] Pcc= Ir2X Rs+Il X Vl (17)
[0054] 其中，L是电容中波纹电流的均方根，Rs是电容的等效串联电阻，U是电容器中的 介质泄漏电流，'是电容器的纹波电压；
[0055] 其中，波纹电流的均方根仁用如下方式计算：
[0056]
(18)
[0057] 其中，P。是逆变器的输出功率，V d是逆变器的直流输入电压，
[0058] 忽略掉泄漏电流込，则电容器的功率消耗P。。为：
[0059]
[0060] 其中，1_#"是逆变器的输出电流；
[0061] 则，电容器在稳定状态下和散热器之间的温度差Δ T。。为：
[0062]
(19)?
[0063] 前述的IGBT的功率消耗Pei包括导通损耗P _d，开关损耗Psw和阻塞损失P b:
[0064] Pci= P cond+Psw+Pb;
[0065] 所述导通损耗P_d通过下式表示：
[0066] Pcond= UceoXIav+rcXIrms2 (21)
[0067] 其中，心。为IGBT通态零电流集电极-发射极点电压，r。为集电极-发射极通态 电阻，IavS IGBT的平均电流，I _为IGBT电流的均方根值；
[0068] 所述开关损耗Psw通过下式表示：
[0069] Psw= f sw(Eonm+Eoffm)Is/Inom (22)
[0070] 其中，fsw为是开关频率，I 3为IGBT的工作电流，I _为IGBT的额定电流，E _为 IGBT单次开消耗的能量，Etjffm为IGBT单次开消耗的能量；
[0071] 忽略阻塞损失Pb，
[0072] 贝IJ IGBT的功率消耗Pci为：
[0073]
(23);
[0074] 定义 KjPK2:
[007