基于温度和电压模型的风电变流器电容器寿命预估

【摘要】风电机组的变流器，一般使用的都是四象限变流器，电容是变流器直流母线部分以及滤波回路的重要组成部分。电容单体在长时间运行之后会发生容值衰减、ESR增大、tanθ增大等问题。由于多个电容串联或并联组成的回路中，单个电容损坏之后是无法通过简单手段发现的，因此电容寿命的预估对风电机组变流器的稳定运行和及时维护就至关重要。【关键词】风电机组；变流器；直流母线；电容；寿命变流器作为风力发电机组系统的重要组成部分，其在风机运行的过程中起到能量转换和有功无功调节的重要作用。一般情况下风力发电机组变流器的拓扑均使用的交-直-交系统，即将风力发电机组的波动、不稳定的交流电，转化成直流电，再转化成稳定的交流电并网。而作为直流环节的重要组成部分，电容起到了储存能量、提高功率因数、控制谐波和暂态调节的重要作用。1变流器中不同应用位置的电容器以双馈型风力发电机组为例，其变流器拓扑图如下图1所示。图1双馈风机变流器拓扑图其中电容按照应用位置可以分为两类，一类在交流侧，作为滤波电容应用；另一类在直流侧，做直流支撑及母线纹波吸收的作用。根据不同的技术路线，其电容分类如下表：2电容器的内部结构及失效机理2.1电解电容内部结构电解电容使用氧化铝的电介质属性，因此也被称为铝电解电容。其正负极和外壳等多处材料使用了金属铝，其内部结构示意图如图2所示：图2铝电解电容内部结构示意图铝电解电容内部金属箔和电解液受温度影响较大，当铝电解电容的环境温度高时，高温会导致电解液的加速挥发。另外，由于电解液和氧化膜之间发生化学反应导致产生气体，电解液的分解也会导致产生气体，造成电容内部压力的上升，电解液随即向外扩散，卷绕电极的芯包变干，产生开路。2.2膜电容内部结构目前市场上使用的变流器膜电容，大部分为聚丙烯薄膜电容，因其在绝缘介电性能，有功损耗，运行温升，比容特性等方面比铝电解电容更强，所以目前大兆瓦的风电变流器均使用膜电容作为直流支撑电容。2.3电容寿命标准模型根据业内前几的厂家的内部资料，以及参考厂家大量的实验室测试数据，得出电容寿命预测经验公式如下：根据研究得出，α、β的实际取值，根据不同的电容类型，可以按照下表所示进行选择。2.4不同温度下的电容温升实测验证以电解电容为例，直流电源电压范围是800V-2500VDC，测试回路使用2只电容串联，电容1和2分别放置在2个温箱中。外部连接可变电阻器来起到限流作用，通过对电容施加电压，使单只电容达到额定电压450V。调节温箱外部的可变电阻器来使电容器达到额定纹波电流。图3电容连接拓扑将串接好的电容放置进温箱中，通过调节温箱内部温度值，记录电容芯温温度稳定的曲线，通过对比两次电容温度，用来辅助论证温度系数β与寿命的关系。图4调节环温后电容测试温升曲线（曲线为部分，后面温度基本恒定）根据GBT2423.2-2008规定，高温环境下（65℃），持续运行16h后，保持在此环境下进行电性能检测。电容试验后外观需完好，无机械损伤。电容测试前后容量和内阻变化率满足以下要求：△C≤10%、△ESR≤100%。则实际通过图4曲线带载老化16小时之后，测量电容的相关参数容量C、ESR、tanθ，记录如下表所示：根据实测的数值来看，ESR下降的比例相差0.26%，而电容容量和tanθ下降较多，差值分别为4.85%和6.67%，可以论证温度的影响对于寿命来说是起到负作用的。2.5电容寿命的影响因素经过实际测试和现场运行数据来看，影响电容寿命的有两点，一是电容自身工作的电压，二是电容自身芯温。电压影响的因素是由于不论是电解电容还是膜电容，其材料本身的额定耐压与材质的介电强度、绝缘性能有关。以聚丙烯膜为基础的薄膜电容为例，不同的材料特性不同，其特性如下表：相同工况下，BSPP和GBSPP的介电强度相比PP高，故而BSPP和GBSPP的电容寿命高于PP的电容。而在不同温度下，同一种材质的介电特性也有区别：从上表可以看出，温度越高，材质的介电特性呈下降趋势。从风电变流器实际运行过程中的实例来看，当电网谐波较大、操作过电压等问题导致的电压尖峰频繁出现时，电容器内部的介质在微观上会受到不同程度的损耗。当这种损耗积累到一定量的时候，对电容器的损伤不可逆，当超过某一个临界值时，会发生介质击穿，导致寿命下降。而介电强度与电容器上施加的电压有关，因此通过电压加速系数推算电容器寿命时，需要知道电容器稳态工作的额定电压。2.6其他因素对电容寿命的影响风力发电机组的运行环境相对复杂，其中例如海拔，湿度，电压谐波等变量，在某些情况下会转变为温度和电压的波动。以海拔举例，海拔0m和2000m的运行环境相比，大气压分别为101.3kPa和79.5kPa，空气密度分别为1.29kg/m3和1.01kg/m3，不同的空气密度会导致电容周围的空气流动速率变化，带走的热量也存在差异。在工程应用上普遍认为，在海拔小于5000m的范围内，每升高1000m，温升增加3%~10%。再以湿度为例，平均湿度随海拔升高而降低。当湿度降低时，由于空气干燥度提高，电工产品的外绝缘强度会下降，则电容器的介电特性会下降，导致寿命降低。所以我们可以认为，各种环境因素的修订系数，最终都可以转换为电压加速系数和温度加速系数β。3结语本文论证了风电变流器的电容器的寿命模型，在考虑了电容额定寿命，以及温度和电压双因素加速状态下，电容类器件相对真实的寿命公式。温度、湿度、海拔、谐波等相关的因素对电容器的寿命均有不同程度