考慮基頻/低頻結溫影響的光伏逆變器壽命評估方法

張波，楊恩澤，李鐵成，顏湘武

［1.河北省分布式儲能與微網重點實驗室（華北電力大學），河北保定 071003；2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北石家莊050021］

隨著能源產業形勢的改變和可再生能源的高速發展，預計到2025 年，可再生能源發電量將超過煤電成為世界第一大電力來源，占世界發電量的三分之一，其中，太陽能發電占可再生能源新增裝機容量的60%，風能占30%［1］.光伏逆變器作為可再生能源光伏并網的關鍵環節［2］，其壽命和可靠性受到廣泛關注，而功率半導體器件和電容器是影響光伏逆變器壽命的主要因素，二者導致光伏逆變器故障的比例分別高達34%與13.8%［3］，因此，對IGBT 和電容器的壽命評估就顯得尤為重要.

已有研究表明，壽命評估是提高光伏逆變器可靠性的關鍵技術之一.光伏逆變器的壽命評估與傳統電力系統可靠性評估具有明顯區別，光伏發電系統中任務剖面和應用場合的不同會導致其壽命評估結果存在較大差異［4］，基于泊松分布原理的分析方法不再適用.因此，在典型工況下準確評估光伏逆變器的預期使用壽命對光伏發電系統的定期計劃維護具有重要指導意義.

光伏逆變器的壽命主要受工作環境的影響，目前對IGBT 結溫和電容器熱點溫度的測量和計算已有一定的研究成果.文獻［5］提出了一種基于電熱耦合模型的IGBT 器件功率損耗與瞬態結溫的計算方法，但并未考慮結溫變化對功率損耗的影響.文獻［6］提出了一種能夠快速計算不同工況、不同調制及均壓策略的IGBT 瞬時功率損耗模型，但并未利用該模型進行相關壽命分析.文獻［7］提出了一種改進的IGBT 電熱模型，指出開關瞬態過程的溫度特性主要受內部過剩載流子壽命影響，但此模型僅適用于單一溫度的計算，應用場景受限.文獻［8］提出了一種基于查表法的功率器件損耗快速計算方法，考慮了溫度耦合、母線電壓、柵極電阻等對功率器件損耗的影響，計算精度高且快速.文獻［9］對光伏逆變器中直流電容器的熱模型進行了詳細的介紹，并對幾種主要類型進行了對比分析.文獻［10］結合任務剖面研究了3 種逆變器拓撲對功率器件結溫的影響，并比較了開關器件的功率損耗，但并未對器件的壽命進行具體評估.

國內外學者針對光伏逆變器的壽命和可靠性已經開展了一系列研究，基于可靠性評估手冊的方法一度被廣泛應用，但該類方法并未考慮光伏逆變器理論工況與實際工況的差異性，壽命評估結果誤差較大［11］.為解決該問題，有學者提出了功率器件的解析壽命模型，基于該類模型的壽命評估方法逐漸成為研究熱點［12］.文獻［13］評估了風電變流器中IGBT和二極管在機側和網側的壽命消耗情況，并對IGBT模塊結溫的迭代方法做了介紹，但并未闡明不同時間尺度結溫在具體定義和提取方法方面的差異.文獻［14］和［15］提出了一種基于任務剖面的光伏逆變器限功率控制策略，考慮了不同地點太陽輻照度和環境溫度差異對光伏逆變器壽命的影響，但其壽命評估模型僅考慮了低頻結溫的影響，預測結果存在較大誤差.文獻［16］對2 MW 風機變流器進行了壽命評估，但僅考慮了短時間任務剖面，未計及復雜長時間任務剖面的影響，其評估方法有一定局限性.

針對當前光伏逆變器壽命評估中存在的問題，本文分析長時間任務剖面下基頻/低頻結溫的波動特性，揭示基頻/低頻結溫對光伏逆變器壽命評估的影響機理，建立IGBT 和電容器的電熱模型和壽命模型，提出考慮基頻/低頻結溫影響的光伏逆變器壽命評估方法，分析基頻結溫在壽命評估中的重要性，并以不同緯度地區為例，比較不同任務剖面和不同采樣周期對光伏逆變器壽命評估的影響，并驗證所提出方法的有效性.

1 常規壽命評估方法

1.1 光伏逆變器壽命評估流程

典型單相光伏發電系統一般為兩級拓撲結構，如圖1 所示.前級為DC-DC 升壓變換器，實現光伏發電（Photovoltaic，PV）輸出電壓的抬升和光伏的最大功率跟蹤；后級為DC-AC 全橋逆變器，實現功率輸出和并離網控制.

圖1 光伏系統配置和控制結構Fig.1 System configuration and control structure of PV system

光伏逆變器作為光伏發電系統的關鍵部件，其故障可能導致整個光伏發電系統的崩潰.制造商提供的光伏逆變器壽命一般設計為20 年，但研究發現，由于安裝地點和使用環境的差異性，光伏逆變器的使用壽命可能大大縮減，光伏發電系統整體可靠性嚴重下降.此外，在光伏電站建設中，光伏逆變器的初始成本僅占總投資的10%～20%，而故障維護相關的成本占比可高達總成本的59%［17］，可見由光伏逆變器核心器件可靠性降低造成的更換和維護成本遠遠高于其初始成本.因此，實現對光伏逆變器壽命的精確評估對光伏發電系統的可靠性、經濟運行至關重要.

光伏逆變器壽命評估流程如圖2 所示，主要涉及三個方面：

圖2 光伏逆變器壽命評估流程Fig.2 Lifetime evaluation process of PV inverter

1）提取太陽輻照度和環境溫度的任務剖面；

2）分別建立關于IGBT 和電容器的損耗模型和熱模型，將所提取的任務剖面轉化為器件的熱載荷剖面；

3）建立壽命模型，基于熱載荷剖面對IGBT 和電容器進行損傷度計算和壽命評估.

1.2 任務剖面的提取

任務剖面是系統運行狀態的重要表征因素，作為影響光伏發電系統出力的核心因素，太陽輻照度和環境溫度被視為光伏發電系統的任務剖面.

分別提取高緯度地區（丹麥）和低緯度地區（馬來西亞）的年度任務剖面，每個樣本采樣周期為1 min，如圖3所示.

圖3 年度任務剖面Fig.3 Location yearly mission profile

由提取的任務剖面可知，馬來西亞全年平均太陽輻照度水平較高，且全年溫度高、溫差小，基本保持在25 ℃左右波動.與馬來西亞情況不同，丹麥2月份到4 月份的平均太陽輻照度水平相對較低，全年太陽輻照度并不均衡；就環境溫度而言，丹麥一年中夏季溫度高達32.5 ℃，冬季溫度低至-18 ℃，全年溫差十分明顯.考慮上述地區任務剖面差異性，本文對該地區內同型號光伏逆變器進行壽命評估對比，分析任務剖面對光伏逆變器壽命的影響.

1.3 電熱模型的轉換

任務剖面是光伏逆變器壽命預測和可靠性評估的重要組成部分，將任務剖面（即太陽輻照度和環境溫度）導入光伏發電系統的仿真模型，得到光伏逆變器的輸出電流剖面，將其應用于IGBT 的功率損耗模型，最終得到IGBT 的功率損耗Ploss，s.由于結溫與IGBT的功率損耗有關，利用IGBT的電熱模型將器件功率損耗剖面進行轉換，得到IGBT的結溫剖面Tj［18］.

同理，由光伏逆變器直流母線紋波電流和電容器等效串聯電阻，可確定電容器的功率損耗Ploss，c，進而利用Ploss，c計算出電容器的熱點溫度Th［19］.

鑒于IGBT 和電容器的功率損耗模型、熱模型相關建模方法研究［18-19］較為成熟，此處不再贅述.

1.4 壽命模型

1.4.1 IGBT壽命模型

解析壽命模型描述了失效循環次數Nf對溫度循環參數的依賴關系，由比較常見的解析壽命模型可知，Coffin-Manson 模型、Lesit 模型只考慮單一變量（結溫）對IGBT 壽命的影響，預測精度較低；Bayerer模型是通過對Infineon 第四代不同功率等級的IGBT模塊進行大量功率循環實驗得到的，其包含變量多，考慮參數全面，計算精度更高［20-21］.因此，本文選取Bayerer模型進行壽命評估，該模型可表示為：

式中：ΔTj為結溫波動；Tjmin為最小結溫；ton為功率循環的加熱時間；I為鍵合線通過的電流；D為鍵合線直徑；V為阻塞電壓；A、β1、β2、β3、β4、β5、β6為Bayerer模型參數.詳細參數取值如表1所示.

表1 Bayerer模型參數Tab.1 Bayerer’s model parameters

通常，壽命損傷度（Lifetime Consumption，LC）用來表示描述功率器件的壽命損耗情況，Miner線性累積損傷準則認為每個溫度循環均會對器件造成損傷，且損傷呈線性累積，當LC 累積損傷超過1 時，認為元件失效［22］.

功率器件的累積損傷度表達式為：

式中：ni為熱載荷作用下的溫度循環次數；(Nf)i為壽命模型計算得到的失效循環次數.

1.4.2 電容器壽命模型

解析壽命模型在電容器壽命預測、在線狀態監測等方面具有重要意義.式（3）為目前廣泛應用的電容器壽命模型，計及熱載荷和電壓的影響［23］.

式中：L和L0分別為實際工況和試驗條件下電容器的壽命；V和V0分別為實際工況和試驗條件下的電壓；T和T0分別為實際工況和試驗條件下的溫度；Ea為電容器的活化能；KB為玻爾茲曼常數；n為電壓應力指數.

工程中，電容器的壽命模型可簡化為：

電容器的壽命累積損傷度計算與IGBT 相同，均采用Miner線性累積損傷準則，則電容器的壽命損耗LC可表示為：

式中：li為不同電壓V和熱點溫度T下電容器的運行時間；lfi為熱載荷對應的失效時間.

2 基頻/低頻結溫影響下的IGBT壽命評估

2.1 基頻/低頻結溫

在傳統的光伏逆變器壽命評估過程中，僅考慮了功率器件低頻結溫均值和結溫波動值，而忽略了其中頻率較高的基頻結溫的影響，造成壽命評估結果存在理論誤差.因此，本文綜合考慮功率器件基頻和低頻結溫對光伏逆變器壽命的影響，以提高光伏逆變器壽命的評估精度.

圖4 為IGBT 基頻/低頻結溫示意圖，IGBT 的熱載荷剖面按時間尺度劃分，可分為低頻、基頻和開關頻率3 種情況.不同頻率下結溫對光伏逆變器評估壽命的影響機理并不相同.低頻結溫主要受任務剖面的影響，當太陽輻照度和環境溫度發生變化時，器件結溫呈一個緩慢上升然后趨于穩定的過程，若變化前穩態結溫為Tjm1，變化后穩態結溫為Tjm2，則低頻結溫為變化前后穩態結溫的平均值Tjm，此時忽略了結溫變化過程中結溫的波動，其中ton為一個低頻結溫周期，一般為幾十秒到幾百秒.而基頻結溫主要受系統運行頻率影響，t′on為一個基頻結溫周期，一般為幾十毫秒到幾百毫秒，且頻率越高其波動值越小，ΔTj1、ΔTj2為基頻結溫的波動值.可見，基頻結溫相對于低頻結溫波動幅度較小，但波動頻率較高，循環次數較多，其對應的累積損傷度會對光伏逆變器的壽命評估結果產生一定的影響.IGBT 開關頻率相較于低頻和基頻而言其頻率更高，波動幅度極小，故可忽略不計.

圖4 IGBT基頻/低頻結溫示意圖Fig.4 Schematic diagram of IGBT fundamental/low frquency junction temperature

2.2 IGBT壽命評估方法

同時考慮IGBT基頻/低頻結溫的影響，對傳統的光伏逆變器壽命評估方法進行改進，將由IGBT 電熱模型得到的結溫剖面進行時間尺度上的劃分，進而實現IGBT 壽命精準評估，其壽命評估原理圖如圖5所示.IGBT 的低頻結溫利用雨流計數法［24］進行提取，得到壽命模型所需的結溫均值、波動值和循環次數，而基頻結溫的均值、波動值以及循環次數可直接從結溫剖面上獲取，然后分別計算二者對IGBT 壽命評估的影響.光伏逆變器中IGBT 的總損傷度為低頻累計損傷度和基頻累計損傷度之和.

圖5 考慮基頻/低頻結溫影響的壽命評估原理圖Fig.5 Schematic diagram of life evaluation considering fundamental/low frequency junction temperature

IGBT 基頻累積損傷度：基頻結溫的累積損傷受采樣周期的影響，假設太陽輻照度和環境溫度的采樣周期為m（單位：min/采樣點），則每m分鐘的壽命損傷度為年壽命損傷度的一個累計單元，對Miner線性累積損傷準則進行改進如下：

Bayerer 模型中功率循環的加熱時間為1～15 s，而基頻結溫的周期為0.02 s，因此加熱時間需要設為0.01 s（即t′on/2），為了將加熱時間的適用范圍擴大至0.01～60 s，引入變換式

式中：Nf(ton)為實際加熱時間下的失效循環次數；Nf(1.5 s)為加熱時間1.5 s的失效循環次數.

在進行基頻累計損傷度計算時，首先計算功率循環加熱時間為1.5 s時IGBT的壽命損傷度，并以此為基準，利用式（7）對不同功率循環的加熱時間進行求解，然后利用式（6）將結溫剖面所有的基頻損傷度累加，得到基頻結溫累計損傷度.

IGBT 低頻累積損傷度：結溫剖面中結溫均值與時間的關系是隨機的，不易直接應用于壽命模型，需將不規則的結溫波動轉換為一系列有規律的熱循環，利用雨流計數法獲得低頻結溫均值、結溫波動值與循環次數的關系，將該結果代入式（1）得到失效循環次數，然后利用式（2）計算低頻結溫對應的累積損傷度.

由于Bayerer 模型未包含基板間焊點的壽命，僅考慮鍵合線損傷，因此最大加熱時間ton被限制為60 s.基于黏塑性變形飽和假設，若加熱時間大于60 s，則仍按60 s計算［25］.

3 光伏逆變器壽命評估方法的應用

3.1 長時間任務剖面轉換及熱循環提取

以高緯度地區（丹麥）和低緯度地區（馬來西亞）兩地的任務剖面為例，綜合考慮IGBT基頻/低頻結溫的影響，對光伏逆變器壽命進行綜合評估.

光伏逆變器中功率器件選用Infineon 公司的IGBT 模塊FF100R12RT4，直流電容器選用EPCOS 公司的B43630A5827.具體參數見文獻［26-27］中附錄A表A1～表A4.

將提取到的太陽輻照度和環境溫度數據導入光伏發電系統仿真模型，得到光伏逆變器的輸出電流ic，然后利用IGBT 和電容器的電熱模型并結合給定的器件參數得到相應的熱載荷剖面.IGBT 結溫和電容器熱點溫度分別如圖6和圖7所示.

由圖6和圖7可見，在高緯度地區，光伏逆變器運行于高結溫狀態的時間較短，有利于系統長壽命可靠運行；相反，在低緯度地區，光伏逆變器將長時間運行于高結溫狀態，對光伏逆變器的壽命損傷明顯.

圖6 IGBT結溫和電容器熱點溫度（丹麥）Fig.6 IGBT junction temperature and capacitor hot spot temperature（Denmark）

圖7 IGBT結溫和電容器熱點溫度（馬來西亞）Fig.7 IGBT junction temperature and capacitor hot spot temperature（Malaysia）

由功率器件失效機理可知，IGBT 壽命與熱循環均值、次數、波動幅值緊密相關，因此，需對結溫剖面進行熱循環提取，利用雨流計數法將結溫剖面轉化為壽命模型需要的結溫均值Tjm、結溫波動值ΔTj和循環次數ni，如圖8所示.由雨流計數法原理可知，其忽略了較多高頻結溫波動，直接利用雨流計數法提取的熱循環屬于低頻結溫范疇，無法體現功率器件基頻結溫對功率器件壽命的影響.

圖8 不同緯度地區雨流計數結果Fig.8 Rain flow counting results in different latitudes

IGBT 的基頻結溫可直接從結溫剖面中提取，其提取示意圖如圖9 所示.在IGBT 結溫剖面中，每個工頻周期（0.02 s）提取一組熱循環參數，包括結溫均值Tjm和波動值ΔTj.若采樣周期為1 min，則一個采樣周期內提取到3 000組結溫均值和波動值，近似認為每個采樣周期內太陽輻照度和環境溫度保持不變，則每個工頻周期內各組結溫均值和波動值基本相同，由式（1）可得該采樣周期對應的失效循環次數，進而結合式（6）計算出該采樣周期內的壽命損傷度.

圖9 基頻結溫提取示意圖Fig.9 Schematic diagram of fundamental frequency junction temperature extraction

圖10為一整年的基頻結溫提取結果，共525 600個工況，根據基頻累計損傷模型對每個采樣周期的壽命損傷進行累加，可得基頻結溫對應的年壽命損傷度.

圖10 基頻結溫的提取Fig.10 Extraction of fundamental frequency junction temperature

3.2 壽命評估影響因素分析

根據3.1 節所述方法計算得到基頻/低頻結溫對應的IGBT 壽命損傷度LCIGBT，由式（4）、式（5）計算電容器壽命損傷度LCCAP.由于系統的壽命取決于內部最薄弱的環節（即損傷度最大），因此光伏逆變器的壽命損傷度可表示為：

對光伏逆變器中IGBT 和電容器的年損傷度進行比較，如表2 所示.可見，器件的使用壽命可能高于商家給定的參考值，這是由于在實際光伏發電系統中，受溫度、電壓以及使用時間等因素的影響，器件的壽命可能會存在一定差異，但也在合理范圍內［15］.此外，在緯度相同情況下，IGBT 的損傷度較電容器更高，因此把IGBT 的壽命損傷度用于光伏逆變器的壽命評估.

表2 不同地區任務剖面下的壽命評估對比Tab.2 Comparison of life assessment under mission profiles in different regions

由表2 可知，相同的光伏逆變器在高緯度地區壽命評估值為29 年，但在低緯度地區其壽命評估值僅為17 年，表明任務剖面對光伏逆變器的評估壽命有很大的影響，隨著緯度的升高，光伏逆變器的壽命評估值下降明顯.

在丹麥IGBT 基頻結溫損傷度為0.021 0，占總損傷度60.87%；在馬來西亞IGBT 基頻結溫損傷度為0.037 5，占總損傷度的63.78%.可見，基頻結溫對IGBT 的壽命損傷十分明顯，甚至高于低頻結溫的影響，為使壽命評估結果更加精確，應考慮基頻結溫影響.

為了分析采樣周期對光伏逆變器壽命評估的影響，以丹麥為例，利用相同的Bayerer 解析壽命模型，分別選取1 min、30 min 和60 min 的采樣周期對應的任務剖面進行分析，結果如表3 所示，壽命評估結果與文獻［13］在同一數量級，證明了光伏逆變器壽命評估的有效性.可見，基頻結溫和低頻結溫均對IGBT 的壽命有較大的影響，隨著采樣周期的增加，IGBT 的損傷度呈明顯下降趨勢.究其原因，主要是長時間采樣周期對應的任務剖面忽略了較多高頻率的溫度波動，導致對IGBT 年損傷度的低估，造成過于樂觀的可靠性估計，不利于光伏逆變器壽命的精確評估.

表3 不同采樣周期下的壽命評估對比Tab.3 Comparison of lifetime evaluation under different sampling periods

綜上所述，功率器件基頻結溫對光伏逆變器的壽命評估影響較大，甚至高于低頻結溫的影響，在光伏逆變器壽命評估中應予以考慮.此外，光伏逆變器工作緯度的不同以及采樣周期的差異都會對光伏逆變器的壽命評估結果造成影響，且太陽輻照度和環境溫度越高，采樣周期越小，所得到的壽命損傷度越大，對應的壽命評估值越小.

4 結語

為了給光伏逆變器可靠運行提供有效的理論依據，本文提出了一種考慮基頻/低頻結溫影響的光伏逆變器壽命評估方法，建立了光伏逆變器中IGBT 和電容器的電熱模型和壽命模型，揭示了基頻/低頻結溫對光伏逆變器壽命評估的影響機理，通過案例分析表明考慮基頻/低頻結溫影響有助于提高光伏逆變器壽命評估準確性.主要結論如下：

1）基頻/低頻結溫均會對光伏逆變器的壽命評估產生重要影響，基頻結溫的影響更大，為使光伏逆變器的壽命評估結果更加準確，基頻結溫的影響不可忽略.

2）光伏逆變器壽命受其工作地區緯度的影響，隨著工作地區緯度的升高，光伏逆變器的壽命評估值下降明顯.

3）采樣周期的不同會對光伏逆變器的壽命評估產生一定影響，隨著采樣周期增大，所得到的壽命損傷度相應降低，壽命評估值隨之增大.