[发明专利]一种基于半物理仿真平台的逆变器可靠性评估方法

权利要求书

1.一种基于半物理仿真平台的逆变器可靠性评估方法，其特征在于：所述评估方法根据半物理仿真平台的实时仿真数据进行损耗计算，根据逆变器工作环境、拓扑和器件型号搭建相应的半物理仿真平台，逆变器为功率开关管IGBT、直流母线电容或滤波器，所述逆变器工作于光伏并网系统中，光伏并网系统包括依次相互连接的光伏组件模型、逆变器模型以及交流电网模型；所述评估方法具体步骤如下：

(1)根据所需要评估的逆变器工作环境，生成任务剖面；

(2)在Matlab/Simulink中搭建光伏并网系统模型；

(3)搭建光伏并网系统的半物理仿真平台；

(4)根据半物理仿真平台的仿真结果，评估逆变器可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种半物理仿真平台的逆变器可靠性评估方法，其特征在于步骤(1)具体为：根据统计的历史气象数据中的辐照度和温度数据，取近三年平均值，生成一年长度的任务剖面，即一年长度的辐照度和温度的时间序列。

3.根据权利要求1所述的一种半物理仿真平台的逆变器可靠性评估方法，其特征在于步骤(2)中对光伏组件模型、逆变器模型以及交流电网模型建模，具体如下：

(2.1)对光伏并网系统中的光伏组件模型建模，所述光伏组件模型为电流源模型，其功能为输入环境参数，输出相应的直流电流电压；电流源模型的环境条件输入为温度和辐照度；光伏组件参数输入为光伏组件的开路电压Voc、最大功率点电压Vmpp、短路电流Isc或最大功率点电流Impp中的一种以上，具体数值由光伏组件类型和工艺决定；

(2.2)对光伏并网系统中的逆变器模型建模，所述逆变器模型由逆变器实际拓扑决定，其功能为输入直流电，输出交流电；功率开关管模型为Matlab/Simulink现成库模块，参数为开关电阻、杂散电容和杂散阻抗，根据逆变器实际使用的功率开关管参数确定；直流母线电容模型为Matlab/Simulink现成库模块，参数为电容值，根据逆变器实际使用的直流母线电容参数确定；滤波器模型根据逆变器实际使用的直流母线电容参数设定；

(2.3)对光伏并网系统中的交流电网模型建模，所述交流电网模型功能为三相电压源；三相电压源为三相独立的电压源，参数为相电压的均方根值、初始相角和电压频率，根据逆变器所处交流电网的实际情况进行参数设定。

4.根据权利要求1所述的一种半物理仿真平台的逆变器可靠性评估方法，其特征在于步骤(3)具体如下：

所述半物理仿真平台包括仿真机、控制板、转接板和上位机，上位机与仿真机双向连接，用于控制仿真机，仿真机运行仿真模型，所述仿真模型包括光伏组件模型、逆变器模型和交流电网模型，仿真机与IO板双向连接，IO板与转接板双向连接，转接板与控制板双向连接，仿真机的输出采样信号依次经IO板和转接板传入控制板，控制板为逆变器控制板，控制板的输出控制信号经过转接板传回仿真机，控制仿真模型；在半物理仿真平台输入步骤(1)生成的任务剖面，获取逆变器在此任务剖面下的功率管电流电压。

5.根据权利要求1所述的一种半物理仿真平台的逆变器可靠性评估方法，其特征在于步骤(4)具体如下：

(4.1)：计算逆变器功率器件损耗；根据步骤(3)中获得的功率器件在此任务剖面下的电流电压，计算功率器件开关损耗和导通损耗:P_IGBT＝P_cond，IGBT+P_sw，IGBT,总损耗P_l＝P_sw，IGBT+P_cond，IGBT+P_sw，Diode+P_cond，Diode，计算公式如下：

IGBT导通损耗：

其中，V_CE为导通压降，i_C为导通电流，τ为控制信号的占空比；

IGBT开关损耗：

其中，f_sw为开关频率，E_on(I_nom，V_nom)和E_off(I_nom，V_nom)为额定情况下的开关损耗，为电流与额定电流的比值，为直流侧电压与额定电压的比值；

二极管导通损耗：

其中，v_F为二极管导通压降，i_C为导通电流，τ为控制信号的占空比；

二极管开关损耗：

其中，f_sw为开关频率，E_Diode(off)为额定情况下的关断损耗，为电流与额定电流的比值，为直流侧电压与额定电压的比值；

(4.2)：计算逆变器功率器件结温T_j；根据逆变器散热设计生成热阻网络，在此热阻网络下依据热阻计算结温T_j；

T_j＝T_air+P_l×(R_h-a(t)+R_c-h(t))+P_igbt×R_c-j(t)

其中，T_air为环境温度，P_l为步骤S4中的总功率损耗，P_igbt为步骤S4中的IGBT损耗，R_h-a为散热器到环境的等效热阻，R_c-h为散热器到功率模块的等效热阻，R_c-j为功率模块外壳到IGBT结温的等效热阻；

(4.3)：使用雨流计数进行功率循环计数；根据步骤(4.2)计算出的功率器件结温进行功率循环计算，使用雨流计数法根据结温的时间序列，计算逆变器在不同平均结温和结温波动下的循环次数矩阵N(ΔT_jm，ΔT_jm)；

(4.4)：评估当前任务剖面下功率器件可靠性变化；根据逆变器功率器件的寿命模型计算每一个功率循环对应的功率器件循环次数N_f(ΔT_jm，ΔT_jm)，取倒数即为此功率循环的损耗D(ΔT_jm，ΔT_jm)，将损耗进行叠加得到在当前任务剖面下的逆变器功率器件损耗，即一年使用时间的损耗D；当损耗累计到1即视为失效；

其中，A、α、β₁、β₀、C、γ、E_a为常数，与IGBT型号有关，k_b为玻尔兹曼常数，T_jm为功率循环的平均结温，ΔT_jm为功率循环的最大结温和最小结温的差，t_on为IGBT导通时间，f_d为开关频率；

d＝1/N_f

D＝∑d。