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电网电压不平衡下可调速驱动器直流支撑电容器的寿命估计
Haoran Wang , Student Member, IEEE, Pooya Davari , Member, IEEE, Huai Wang , Senior Member, IEEE, Dinesh Kumar, Member, IEEE, Firuz Zare , Senior Member, IEEE, and Frede Blaabjerg , Fellow, IEEE
二极管整流并网调速驱动(ASDs)中的非典型直流环节滤波结构。直流支撑滤波器的大小主要从稳定性和电能质量两个方面来确定。然而，直流支撑滤波器的可靠性也是一个必须考虑的性能因素，这取决于部件的固有性能和现场操作条件(如电热应力)。目前，在许多配电网中，不平衡电压是最常见的。它给器件带来了较大的电热应力，影响了电容器的可靠性。为了定量研究ASD系统中LC滤波器的可靠性性能，本文提出了一种基于任务剖面的电容器可靠性评估方法。与传统的寿命估计方法不同，这种方法考虑了等效串联电阻在退化过程中的增长和电容退化的非线性过程，提出了一种用于长期估计的非线性累积损伤模型。在此基础上，研究了四种电容器寿命评估方法:一是电容器在LC滤波和小电容滤波条件下的寿命基准测试;第二，可扩展性分析的电容或烧结系统的功率和电网的平衡水平的寿命;第三，具有长期任务剖面的直流支撑滤波器中电容器的寿命估计;第四，在电网平衡和电网不平衡的情况下，电容器尺寸对直流链路电容器寿命的影响。这些结果可以作为正确选择直流支撑滤波器配置和参数以满足ASDs规范的指南。
关键词：直流支撑电容器，并网调速驱动器(ASDs)，寿命，可靠性，不平衡电压。
1引言
电力电子设备的进步和市场需求导致的价格下降，增加了电网连接调速系统(ASD)的使用，作为各种工业、商业和住宅应用的有效节能解决方案[1]，[2]。在尺寸、成本和故障方面，直流支撑滤波器是标准ASD的重要组成部分。它的作用是限制直流链路电压波动，吸收谐波，并为异常和瞬态操作[3]、[4]提供一定的能量存储。在许多电力电子应用中，由于成本效益和简单性，包括大型电解电容器在内的直流支撑LC滤波器是首选。直流支撑滤波器的选型标准主要是从稳定性和电能质量的角度出发，如电压和电流的纹波限制、动态响应、保持能量要求、整个并网驱动器的稳定性等[5]。然而，使用电解电容器会引起可靠性问题的忧虑。电解电容或电解降解的主要原因是电解蒸发和电化学反应，电解蒸发和电化学反应在很大程度上取决于电热应力。高纹波电流引起内部自热，增加热点温度，导致老化。此外，它可以随着时间的推移增加电容等效串联电阻(ESR)。在给定的纹波电流下，ESR的增加导致了更多的加热，从而增加了堆芯的温升，加速了[3]的降解过程。因此，对于直流支撑 LC滤波器中的电容定径，可靠性性能是需要研究的一个重要方面。它既取决于所选电容器的固有能力，也取决于现场操作[6]、[7]时的操作条件(如电热应力)。近年来，直流支撑电容在美国，由薄膜电容器实现的细长驱动器已经进入市场，对其进行了相应的改造，并有可能提高其可靠性。然而，对于传统LC滤波器和小型直流支撑电容方案的寿命估计和比较的综合分析在文献中还没有出现。
现代配电网面临电压不平衡、背景谐波失真、电压暂降、电压膨胀、线频变化等电能质量问题。最近的电能质量问题表明，在不同类型的电能质量扰动中，不平衡电压在许多配电网[9]、[10]中出现的频率最高。影响配电网电压不平衡的主要问题如下：
1)三相电力系统单相负荷分配不均;
2)不对称馈线和变压器绕组阻抗;
3)不对称发电的并网单相分布式发电，如屋顶太阳能逆变器。
事实上，考虑到上述因素，在公共连接点上保持精确的电压平衡基本上是不可控制的。因此，不平衡电压条件是持续稳定状态。美国(ANSI C84.1[13])和欧洲配电网络(IEC 60038[14])的标准规定建议最大电压不平衡分别为3%和2%。然而，一些电力电子系统，如ASDs，对电压不平衡非常敏感，即使是2-3%的电压不平衡也会导致明显的不平衡电流，这可能会对电子元件的寿命造成不良的影响。目前，大多数ASD系统都配备了三相二极管整流器作为前端的交直流转换阶段。当电压不平衡事件发生时，三相二极管整流器可进入单相运行模式(取决于负载电平和不平衡电平)，在直流链路电压下可产生低次谐波分量(100Hz、200Hz、50Hz市电)。这些低次电压谐波会对电热学应力产生不良影响，从而影响直流电容器的可靠性。在[15]中研究了某一特定稳态工作条件下直流环节电容器的应力，从而得到了ASD系统的电流和电压应力。但现有的寿命估计是基于一个简单的经验公式，对长期的时间剖面没有考虑。Yang等人研究了基于任务剖面的光伏系统直流支撑电容器可靠性评估方法。这种损害会在很长一段时间内直线累积，也会在很长一段时间内无法估计。然而，前人的研究仍存在以下局限性。
1)现有的基于任务剖面的寿命估计方法缺乏对故障物理性质的理解。例如，现有寿命估计中的累积损伤模型是一个线性模型[16]。然而，从电容寿命测试结果[18]可以看出，以ESR升高为代表的电容在寿命周期内的损伤呈指数表达式。
2)栅极不平衡改变了电机驱动[19]-[21]关键部件的电热学应力。在ASD系统中，在电网不平衡的情况下，LC和超薄电容滤波器的寿命没有定量比较。电网电压幅值和相角不平衡对这两种情况下寿命的影响未作研究。
3)基于任务剖面的估计寿命没有考虑到电容器的大小。
为了评估和优化直流支撑滤波器在ASD系统中的可靠性性能，本文研究了一种新的基于任务剖面的电容器寿命估计方法。考虑了用于长期估计的非线性损伤模型，得到了全寿命周期内的非线性损伤累积、ESR提高比、电容降低比的过程。这一过程已经在[22]的一篇会议论文中发表，而其非线性模型的推导、标量积研究和比较分析还没有被研究。本文在扩展[22]研究的基础上，逐步讨论了非线性累积损伤模型的寿命估计过程，并从以下几个方面对定量可靠性性能进行了综合研究：
1)可扩展负载条件下ASDs中直流支撑LC滤波器与微电容的寿命基准;
2)直流支撑电容器在电网电压平衡和不平衡条件下的寿命估计;
3)基于长期寿命估算的真实任务剖面;
4)电容器尺寸对直流支撑滤波器寿命的影响。
它可以作为正确选择直流支撑滤波器配置和参数以满足特定寿命要求的指南。值得一提的是，电压暂降也是电容器的相关可靠性问题，可能会增加电容器的电热应力，从而导致电容器的损耗。此外，它还可能会引起电压下降(如过压、温度过高)。所研究的寿命估计方法也可应用于电压暂降情况。
本文的其余部分组织如下。在第二节中，介绍了不同直流链路滤波器配置的谐波发射。在第三节中，针对评估过程中累积的非线性损伤，提出了基于任务剖面的寿命估计方法。第四部分是实验案例分析和可扩展性分析，第五部分是结论。
2 并网驱动器的谐波发射
图1为本文所研究的符合表中规格的三相并网型asd的框图。图1(a)所示为常规驱动器，该驱动器由直流支撑LC滤波器实现。大尺寸直流电感Ldc - cnv用于降低线路电流谐波，大尺寸直流电容Cdc - cnv用于限制直流链路电压波动。Cdc - cnv由两个串联的电解电容器实现，用于高电压和高并联，用于大容量。图1(b)为第二种情况，其中ASD采用小型直流支撑电容Cslim。其中的一个主要问题是直流支撑电容和线路电感Lg产生的谐振频率。低压配电网的线路电感主要由降压变压器的大小和类型决定。纹波电流是影响直流电容器寿命的重要应力之一。根据电路分析，电容电流谱可分为两个频段: 0 - 2千赫(即输入输出功率不平衡所引入的低频谐波)及2千赫以上(即电力电子开关引入高频谐波)。整个频率范围内电流的均方根值决定了电容器的热负荷，对电容器的可靠性有很大影响。这主要取决于两个因素:直流支撑滤波器的谐振频率和不同网格条件下ASDs的工作状态。
Fig. 1 两种dc-link结构的7.5 kw ASD系统的框图及其在不同负载下的输入波形。ASD系统的参数基于表I. (a)标准驱动器中的规范。(b)苗条的驱动器。
TABLE 1 电机驱动和DC-LINK配置说明
1) 直流支撑滤波器的谐振频率:图2所示为谐振频率与直流支撑电容器功率损耗的关系示意图。在具体的频率上，功率损耗传感器是纹波电流和ESR的函数，而总功率损耗是整个频率范围内功率损耗的总和，其表达式如下:
其中ESR(fi)为频率fi处的等效串联电阻，Irms(fi)为频率fi处纹波电流的均方根值。假设f1 Hz和f2 Hz的谐波是由电容电流组成的，当谐振频率为f1 Hz时，f1 Hz电流造成的功率损耗达到峰值。频率越高，增益越小，功率损耗越小。类似的现象也可以从f2Hz电容电流造成的功率损耗中得到。当谐振频率为f2 Hz时，功率损耗达到峰值。电流谐波在特定频率下的放大是由LC滤波器根据谐振频率和阻尼系数来决定的。它影响了功率损耗在频率范围内的分布，从而改变了电容器的寿命。
2) ASDs的运行状态，以及电网的情况，如电压不平衡事件、三相二极管放电工可能进入单相运行模式，在直流电压中产生低次谐波分量。直流支撑电容器的电热负荷。因此，电网电压平衡运行条件下的可靠性估计不再有效。本文考虑不同的额定功率电平和电网不平衡电平对寿命的影响，因为它们是实际应用中的两个主要影响因素，对直流支撑电容器的电应力有显著影响。关于这两个因素的详细讨论如下。
TABLE 2 用于驱动分析的电压不平衡情况
Fig. 2驱动系统中谐振频率与电容器功率损耗的关系。假设f1赫兹和f2赫兹的谐波是电容器电流的两个主要成分。
A 额定功率
对于相同的滤波结构和参数，功率级越高，直流环节的纹波电压越高，同时也增加了直流环节电容器的热负荷，对电容器可靠性的影响也越大。在平衡条件下，该纹波电流的主谐波是电网频率的6倍(6fg)。此外，输出功率不仅影响电容器的电压纹波，而且还影响电网的侧通质量。由于大多数电机驱动应用程序都是在部分负载条件下运行的，因此可伸缩的功率级更符合实际，更适合进行可靠性分析。
B电网电压不平衡水平
电网电压不平衡可能导致前端整流系统单相运行，严重影响直流环节电容器的使用寿命。三相系统的电压不平衡量根据IEC61000-2-2计算，其表达式为
其中Uab、Ubc和Uca为三相系统中的线电压。下面的案例研究应用了网格条件。与平衡状态相比，可以看出，无论输出功率大小，不平衡状态下输出电压纹波明显增大，如图3所示，电压幅值不平衡为5%。这是因为前端整流器是被迫在单相模式下工作的。在电网电压不平衡的情况下，由于整流相腿部分或不导电)。单相运行在直流环节引入低频谐波;因此，它有助于更多的热负荷直流环节电容器。值得注意的是，在不平衡的情况下，输出、功率、转速的影响会显著降低产品的性能和可靠性。在这些操作条件下，电容器的可靠性分析将在下一节中介绍。
3基于非线性累积损伤模型的电容器可靠性分析
所提出的基于任务剖面的可靠性评估方法如图4所示。该过程包括三个主要步骤:电热载荷分析、非线性损伤累积和基于蒙特卡罗仿真的变量分析。环境温度，加载条件作为输入。输出是具有一定置信度(如90%)的电容器的寿命。从电容器电模型的累积损伤反馈回路可以看出电容的加速退化效应，对应于电容的降低和ESR的提高。该方法的目的是提供一个系统的寿命估计程序来评估电容器的可靠性基于指定的任务剖面。
A 电热负载分析
热应力是电容器磨损的一个关键应力源。环流和环境温度是气温或热点温度的两大贡献因素。相对来说，电解电容器的主要降解机理是氧化膜中的电化学反应和电解蒸发。随着时间的推移，这两个因素都会导致ESR的增加。特别是电容器功率损耗的增大，使电容器内部工作温度升高。电容的热点温度受电流应力和环境温度的影响，表达式为：
其中，Th为热点温度，Ta为环境温度。Rha是热点到环境的等效热阻，它包括两部分:热点到外壳取决于固体材料，外壳到环境取决于通过自然空气传播的热量。在本研究中，热阻是直接从数据表中获得的。电容器间距大于10毫米，因此电容器之间的热耦合很小。ESR(fi)为频率fi处的等效串联电阻，Irms(fi)为频率fi处纹波电流的均方根值。
Fig. 3 采用dc-link LC滤波器和瘦电容滤波器的标准驱动器的仿真波形。(a)带dc-linkLC滤波器的标准驱动器在电网电压平衡状态下。(b)带dc- linklcfilterunder5%电网电压不平衡状态下的标准驱动器。(c)在电网电压平衡的情况下，标准驱动器与直流链路超薄电容器。(d) 5%电网电压幅值不平衡条件下dc-link超薄电容器标准驱动。
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