電力電子電容器高海拔和超高海拔應(yīng)用的研究

文/黃云鍇 儲(chǔ)松潮 潘焱堯 徐亞寧 王 磊 徐 飛 徐 璐（安徽銅峰電子股份有限公司）

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電屬于國(guó)家支持的新型清潔能源，近年來(lái)在電力供應(yīng)中已逐漸占有一席之地。根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，未來(lái)5年風(fēng)能光伏發(fā)電量將占總發(fā)電量的11%[1]。我國(guó)西部地區(qū)風(fēng)能和日照自然條件好，有利于發(fā)展風(fēng)能光伏項(xiàng)目，但海拔大多在3000m以上，部分項(xiàng)目選址海拔高達(dá)5500m。高海拔、低氣壓會(huì)使得電氣元件散熱不良、絕緣能力下降，低溫引起的局部放電、高能宇宙射線粒子會(huì)損傷戶外使用的元器件絕緣材料、破壞電荷區(qū)電場(chǎng)[2]。

電力電子電容器是風(fēng)能光伏變流器中不可或缺的元器件，主要起到直流支撐和交流濾波的作用。為滿足高原環(huán)境使用需求，需要對(duì)電氣元件進(jìn)行特殊的熱穩(wěn)定性、絕緣耐壓和局部放電等試驗(yàn)，以保障在高海拔和超高海拔地區(qū)的安全可靠運(yùn)行。本文通過(guò)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)研究電力電子電容器在高原環(huán)境可以承載電流的變化情況，獲得高海拔因素對(duì)產(chǎn)品性能的影響，對(duì)在高海拔和超高海拔環(huán)境中電力電子電容器的選型和使用有積極意義。

一、電容器在高海拔和超高海拔環(huán)境中使用存在的問(wèn)題

1.不同海拔高度的劃分

根據(jù)地理學(xué)和氣象學(xué)的資料，海拔1500～3500m屬高海拔地區(qū)，海拔3500～5500m屬超高海拔地區(qū)。目前常規(guī)風(fēng)能光伏項(xiàng)目海拔最高的是西藏措美風(fēng)電項(xiàng)目，海拔4850～5500m。

2.海拔高度對(duì)氣壓和空氣密度的影響

由于重力的影響，離地面越高的地方空氣密度越小，氣壓也隨之降低。不同海拔的氣壓并不是恒定值，隨著季節(jié)變化、氣溫高低和晴雨情況會(huì)有波動(dòng)。而且氣壓在每天的不同時(shí)間也會(huì)有一定的波動(dòng)，一般最高值在9～10時(shí)，最低值在15～16時(shí)，波動(dòng)的幅值一般為0.1～0.4kPa，且隨海拔高度的增高而減小。考慮季節(jié)、天氣和氣溫等波動(dòng)因素和適當(dāng)加嚴(yán)試驗(yàn)條件，本文研究的邊界條件設(shè)置在海拔6000m環(huán)境，研究所需的不同海拔的氣壓見(jiàn)表1。

表1 不同海拔高度的氣壓值

3.高海拔和超高海拔對(duì)電容器承載電流的影響

電力電子電容器大多為金屬化薄膜電容器，薄膜材料作為電容器的主絕緣介質(zhì)對(duì)溫度較為敏感，一旦超過(guò)薄膜允許工作溫度電容器會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)失效。而薄膜材料如果長(zhǎng)期處于較高工作溫度中也會(huì)降低其擊穿電壓、加速薄膜老化，大幅度縮短電容器預(yù)期使用壽命。因此本文主要研究高海拔和超高海拔對(duì)電容器承載電流的影響，驗(yàn)證電容器能否在高原環(huán)境中安全可靠運(yùn)行[3]。

二、熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

1.標(biāo)準(zhǔn)的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

電力電子電容器的試驗(yàn)是按照GB/T17702標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的條件為：電容器在最高運(yùn)行環(huán)境溫度+5℃的烘箱中，對(duì)電容器施加1.1倍額定電流持續(xù)48h，在試驗(yàn)的最后6h溫升變化不超過(guò)1℃。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量電容器容量變化小于一個(gè)原件擊穿或一個(gè)內(nèi)部熔絲動(dòng)作之量，自愈式電容器容量變化≤1%，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)應(yīng)測(cè)量損耗[4]。

2.高海拔和超高海拔的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方案的選取

為探究高海拔和超高海拔對(duì)電容器的影響，選取風(fēng)能光伏逆變器中廣泛使用的1100VDC-270μF電容器進(jìn)行試驗(yàn)。制作了2只電容器，并在電容器芯棒中安裝了溫度傳感器，用于監(jiān)控試驗(yàn)中電容器中心的發(fā)熱情況。

電容器置于真空加熱罐中，調(diào)節(jié)加熱溫度使之符合試驗(yàn)要求。選取 101.20kPa、84.00kPa、67.24kPa、50.44kPa和33.64kPa進(jìn)行試驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)海拔15m（實(shí)驗(yàn)室海拔）、1500m、3000m、4500m和6000m環(huán)境。試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄電容器和真空加熱罐溫度，以比較氣壓對(duì)溫升的影響。為了找到電容器可以運(yùn)行的邊界條件，針對(duì)不同氣壓、不同電流，通過(guò)調(diào)節(jié)烘箱溫度，使電容器內(nèi)部溫度盡可能處于較高范圍。

3.高海拔和超高海拔熱穩(wěn)定試驗(yàn)參數(shù)的確定

1100VDC-270μF電容器正常散熱工況下額定電流60A，由此確定電容器熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的條件為60A×1.1=66A。為了探究在高海拔和超高海拔條件下電容器降低電流使用的可能性，還進(jìn)行了33A（30A×1.1）、44A（40A×1.1）和55A（50A×1.1）電流時(shí)不同氣壓下的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。

三、高海拔和超高海拔熱穩(wěn)定性的試驗(yàn)情況

根據(jù)上述試驗(yàn)方案進(jìn)行的1100VDC-270μF的試驗(yàn)所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2—表5。

四、試驗(yàn)分析

1.數(shù)據(jù)分析和一般研究資料的比較

通過(guò)研究本試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，1200VDC-270μF電容器在相同電流條件下隨著海拔升高（氣壓降低）電容器溫升變高。根據(jù)以下公式計(jì)算：

表2 不同氣壓條件33A電流熱穩(wěn)定性試驗(yàn)溫度變化

表3 不同氣壓條件44A電流熱穩(wěn)定性試驗(yàn)溫度變化

表4 不同氣壓條件55A電流熱穩(wěn)定性試驗(yàn)溫度變化

表5 不同氣壓條件66A電流熱穩(wěn)定性試驗(yàn)溫度變化

表6 不同氣壓條件下電容器溫升變化率

通過(guò)表6分析可見(jiàn)，在海拔6000m以下，海拔每升高1000m溫升平均增加3.69%。同時(shí)數(shù)據(jù)還表明，在小電流情況下隨海拔升高，溫升上升率更加明顯，隨電流增加因海拔升高導(dǎo)致的溫升上升率有所減小。此結(jié)果給該型電容器或體積相近的風(fēng)能光伏電容器在高海拔地區(qū)運(yùn)行提供了參考。

2.高海拔和超高海拔帶來(lái)的溫度下降因素的影響

一般認(rèn)為，海拔每升高1000m，平均氣溫下降6℃。環(huán)境溫度下降，有利于電力電子電容器的長(zhǎng)時(shí)可靠運(yùn)行。但由于電力電子電容器一般置于電器柜中，而空氣密度下降導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)的熱量不易導(dǎo)出至自然環(huán)境中；而且各廠商電氣柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，電力電子電容器所處位置不同，散熱能力和散熱通道情況不同，項(xiàng)目所處位置接受陽(yáng)光輻射不同等復(fù)雜因素交織，所以不能簡(jiǎn)單認(rèn)為因高海拔氣溫下降就可以在更大的電流條件下使用。反之，在此惡劣自然環(huán)境中需要給電力電子電容器的工況留有足夠余量，降低電容器的發(fā)熱，使其安全可靠運(yùn)行，降低項(xiàng)目后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用[5]。

五、結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)可見(jiàn)，高海拔和超高海拔引起的空氣密度降低，帶來(lái)的散熱問(wèn)題會(huì)直接影響電力電子電容器承載電流能力。需要通過(guò)試驗(yàn)等手段找到電容器可以承載電流下降的規(guī)律，從而使電力電子電容器運(yùn)行在安全工況的范圍內(nèi)。

我們希望通過(guò)研究推動(dòng)電力電子電容器在高海拔和超高海拔環(huán)境下的應(yīng)用，使更多風(fēng)能光伏項(xiàng)目在雪域高原落地，給當(dāng)?shù)厣a(chǎn)經(jīng)營(yíng)和百姓生活帶來(lái)便利，助力西部發(fā)展和西電東送。同時(shí)，可再生能源的發(fā)展還可保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排。