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爱士惟卢盈:关注3个方面 实现逆变器的高可靠性技术

光伏逆变器  来源:北极星太阳能光伏网    2019/10/24 16:16:14  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:逆变器应用环境复杂多变,基本上都是户外应用,农光互补、丘陵应用、渔光互补,情况非常复杂,如何让逆变器在复杂多变的情况下能够长期稳定可靠运行呢,对我们设计提出了更高的要求。我从关键元器件选型、开放模式、测试三个方面讲如何实现逆变器高可靠性。

——爱士惟新能源技术研发中心高级总监卢盈

2019年是光伏产业承上启下的一年,平价上网之后,光伏将迸发出无限的生机与活力,光伏新时代即将开启。北极星电力网与北极星太阳能光伏网于10月24日在北京举办《2019光伏新时代论坛暨“北极星杯”2019光伏影响力品牌颁奖典礼》,北极星太阳能光伏网、北极星光伏APP将全程直播,如需我们直播您的会议,请联系:13693626116

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爱士惟新能源技术研发中心高级总监卢盈在论坛上做题为《逆变器的高可靠性技术》的演讲,以下为发言实录:

卢盈:大家好!我先介绍一下爱士唯,2019年初与德国SMA达成MBO协议,8年技术积累,超过175项自主知识产权,有完善的研发体系,全球累计装机量超过10GW,同时我们也是SMA品牌在中国的独家代理。

正是因为这些基因传承让我们企业对逆变器品质非常坚持。为什么逆变器需要高可靠性呢?因为我们可以看逆变器在光伏发电系统里的地位。这是一个逆变器在光伏的图,它的长期稳定直接决定了电站收益。逆变器应用环境复杂多变,基本上都是户外应用,农光互补、丘陵应用、渔光互补,情况非常复杂,如何让逆变器在复杂多变的情况下能够长期稳定可靠运行呢,对我们设计提出了更高的要求。

我从关键元器件选型、开放模式、测试三个方面讲如何实现逆变器高可靠性。

大家都知道IGBT是拓扑的关键模块,IGBT有卓越电器性能,积分参数是非常好的,开放特性很好,可以降低在IGBT使用过程当中的干扰,有出色的热频性能,热均匀性好,同时模块内部也提出了MTC,可以准确反应出IGBT温度,可以对它做比较好的保护,安装方法简单。组装工艺更加高效可靠。同时IGBT它的耐久性非常稳定的,IGBT它非常集成,高度集成化,内部线路集成参数非常好,可以提升整机效率,模块内部集成陶瓷机板,可以防止长期使用老化污染导致的绝缘问题。薄膜电容,在逆变器肩负了滤波的作用,对输入输出特性和EMI特性都起非常重要的作用。刚才我也提到了逆变器应用场合多变,有高温有高湿,选择薄膜电容时候如何处理呢?同样可以看出来左侧这个图,这是薄膜电容的电芯、绝缘材料、绝缘外壳组成的。在薄膜电容长期运行的时候绝缘材料出现开裂,时间长了会在电压作用下跟我们技术薄膜产生电化学腐蚀的情况,导致容量下降,会影响到滤波特性。

下面两张图可以看出来,上面是已经发生电化学反应的薄膜,一张是没有发生反应的薄膜。我们是不是考虑双爆就可以呢,现在常规的要求是85温度、85湿度,1000小时。其实在薄膜电容交流负载应用下除了考虑双85还要考虑局部放电,这个是对薄膜电容的测试,绿色线是薄膜电容的交流电,蓝色小点都是它每次放电的点,可以很明显看出来峰值处放电明显。

而且放电现象在大多数情况下放电现象局部放电起始电压点远低的,有些场合低于30%。左边两张是全新的薄膜电容的金属化膜,右边是长期带有交流负载的薄膜电容,白色点是长期放电情况下导致两面金属薄膜都已经减薄了,蓝色区域是其中一面已经减薄。深色这个是没有受到损伤。所以说电容放电会导致金属化薄弱逐渐减薄,破坏了自修复能力,导致容量下降。容量下降滤波特性会打折扣,进而影响性能。

下面我们再看电解电容,主要是做直流支撑的作用,而且最大弊端是生命的问题,有挥发。如何保证复杂多变情况下都能够满足我们设计寿命呢,以前比较武断做法是挑逆变器运行最后一个环境,低压满载,中低压配置,测一下电金属环。这是比较简单粗暴的,并不是最优。我们需要科学的评估方法。首先将逆变器应用的信息结合下来,结合全球气侯模型,通过云端分析可以产生可视化报表,包括逆变器某种配置情况下一年内在百分之百负载下运行时间,80%多少、60%多少、40%多少、20%多少,0是多少小时数。有条件以后针对不同配置情况在实验室模拟情况,进行温度测试拟合计算电源电容寿命,保证能够满足多办应用环境,同时达到成本平衡。

下面看逆变器,是一个关键安全部件,产生一个隔离作用,一旦遇到风险逆变器及时跳脱,来保证有效断开,继电器是一个关键部件,而且继电器时效也是一个主要因素。我们如何评估它的电器寿命呢?前面这两张图是我从标准继电器图阶下来的,他们对继电器电器寿命只有标准工况下的寿命。比如在13安培切换,240伏交流电压情况下,85度情况下一万次,但是实际上逆变器运行的时候是不是这个环境下呢?不是的。跟我们环境差异比较大,怎么样设计评估我的继电器实际使用过程当中不存在问题呢?那么我就需要一个对它寿命提出一个高科学的方法。

首先要分析继电器全部工况,分析这些工况在生命周期当中概率,结合逆变器运行的数据分布选择合理温度湿度,对合理寿命进行测试,包括测试中要观测触点温度、大小、变化。根据经验以十年设计寿命为例,这项测试要持续四个月时间。同时在大的场合,微小场合,这时候是不是继电器随便选就可以?不是,微小场合对继电器选择更加关注,因为开合电弧,不仅伤害触点,合理条件下对触电起清洁作用,如果一直在这样的情况下应用反而对继电器处理有伤害。

微小应用也要关注。

继电器除了关注它电器寿命,同时还要了解它的继电器工作环境。这是我们从客户现场拿掉失效继电器,对触点元素进行分析,接触表面里面多出一个硅磷,非接触表面没有硅但是有磷,但是在继电器生产过程当中不含有这两种元素,都是由继电器内部一些元器件长期工作的时候吸出来的,这些元素吸出来以后附着在继电器触点上,导致金属逐渐升高,同一台逆变器在有硅和有磷环境下和在没有硅磷环境下进行对比测试,温升相差40度。

下面看一个要提高我们逆变器可靠性,用高可靠性比较好,我们常用一个主一个副CPU,因为我们需要保护。但是用这么多器件可靠性并不高。如果采用一个方案集成所有功能,可靠性肯定很高。

我们这边用了一个创新软件开发模式和架构,通过单芯片形式可以实现冗余保护要求,可以用一个来完成,提高逆变器可靠性。

看一下软件开放模式,这个软件,逆变器是光伏电站系统的心脏,而它的软件、控制是逆变器的心脏。它是我们的大脑,会调度我们做事情,软件开发模式非常重要了,我们采用的是基于模型开发模式,以模型为基础为核心,在早期只要有需求就会做一些简单建模,早期发现问题,迭代,可以做自动代码生成避免了认为代表非客观因素导致的问题。传统的开发模式问题到开发后期才会发现问题,采伐后期是什么呢?软件陪硬件做整机测试,才能发现问题。如果采用基于模型开发模式问题基本上在前端发现,大大节省了时间。

下面对V型开放模式做更加明确的介绍。传统开发模式在这个点发现的时候如果要推倒重来对开发资源是极大浪费,采用软件建模在早期内可以发现问题,并回到原点进行迭代,这对开发可靠性非常好。

还有自动代码生成,我觉得机器最可靠,不存在任何掺杂因素,就算公司有非常完备的代码编写规范,但是每个人习惯不一样,总会有自己思想产生一些不必要bug,如果自动生成代码完全可以避免这个问题发生,后面测试也很重要。我们会对软件做一个非常专业基于模型的测试,主要分为五个步骤,第一个是MRI,基于模型的,是对一个系统平台的平台级测试,下面进行一个SIR,基于单元模块,我们把模型分离成单元模块进行测试,后面是单元测试,区别于SIR,可以把自动生成代码嵌入到模型重复测试,来发现问题找出问题。

还有硬件测试管理平台,可以在简易硬件平台里实现模型到平台逐步转换。前面这四项都可以在没有硬件情况下进行,这样会大大缩短开发周期,提高设计稳定性,系统测试是结合逆变器做整机测试。

还有硬件黑盒测试,它对性能把关是非常重要的一项,我们自主开发一款全自动化的黑盒测试模型,可以使得测试非常全面、高效、客观、报道、代码都自动生成。这个是其中一项,模拟光照测试,会根据随即光照变动来看逆变器的特性是什么样的。

下面是一个环境测试,理论设计加严酷的验证才是完美的组合,先有理论计算再到测试形成一个闭环。我们严酷可靠性测试也非常重要,我们会根据逆变器实际应用工况采用加速原理拟合出一套原理,很多标准远高于国内标准。拿一个例子,逆变器在白天运行由于外界温度,内部温度非常高,到了晚上逆变器不发热,气温也下降,里面温度比较低,每天都有这样循环,针对逆变器每天经历这个循环,五年、十年、十五年以后器件会发生什么变化呢?我们会拟合出一个测试条件,按照经验以十五年设计寿命为例,冲击实验需要做一千个循环测试,光伏逆变器产品是一个生命周期在20到25年的产品,我们如何保证这个在整个光伏生命周期里单度电成本最低,其实在我们提高可靠性上增加了一些成本,对于整体光伏后期表现,故障率高、转换率低导致的一些损失是比较小的。所以我们还是希望在不改变逆变器品质前提下通过技术革新来降低整体的系统成本,达到行业良性竞争。

我分享到这里,谢谢。

(以上内容根据现场速记整理,未经嘉宾审核)


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