本发明涉及光伏变电器功率器件领域，更具体地，涉及一种光伏变换器功率器件的寿命检测方法。
背景技术：
igbt功率器件广泛应用于各类电力电子装置。当igbt在工作时，其开通、关断、导通等过程，导致了温度升高和热应力形变。当长期运行时，在温度变化不断重复作用下，igbt会产生失效或疲劳效应。变换器功率器件在独立光伏发电系统中占有重要地位，根据实际使用情况的统计，功率器件故障是引起发电系统失效的重要原因之一，对其进行寿命预测有重要意义。现有功率器件的寿命预测方法都是针对固定工况的，而光伏系统随着气候和日照等情况有较大变化，这种变化在一定程度上影响了功率器件的寿命。
公开号cn108037440b的中国专利公开了一种柔性直流输电模块化多电平换流器子模块igbt的在线监测方法，通过对模块化多电平换流器桥臂中各igbt通态电阻rce的增大百分比a评估模块化多电平换流器桥臂中各igbt的剩余使用寿命及老化程度，实现对监测模块化多电平换流器中igbt的在线监测。但在线监控的方法无法提前对器材进行寿命预测，在实际使用中在线监测的成本较高，对大量全方位器件监控容易带来成本过高和无法提前预估器材使用寿命的导致电力系统出现大范围故障的问题。
技术实现要素：
本发明为克服上述现有技术无法提前对变换器功率器件进行寿命预测的问题，提供一种光伏变换器功率器件的寿命检测方法，包括以下步骤：
s1：搭建具有mppt功能的光伏boost变换器的matlab/simulink仿真模型；
s2：根据时间常数划分时间尺度，建立不同时间尺度下的功率模块的电热模型；
s3：根据电热模型并基于焊接层疲劳的失效形式建立寿命预测模型，采用coffin-manson-arrhenius模型进行igbt寿命预测。
本技术针对光伏变换器功率器件的实际工况，对功率器件进行寿命预测，根据一年期间的实际运行工况，将年结温曲线(大载荷)以及分钟结温曲线(小载荷)的影响变量相结合，采用多时间尺度的方法进行功率器件的寿命预测，提高寿命预测的速度和准确性。
优选地，所述步骤s2包括对igbt功率模块在小时间尺度下以及大时间尺度下的热循环进行分析。在本技术方案中，对实际工况下的光伏发电系统中变换器的功率器件进行寿命预测时，既要考虑辐照度和气温变化的影响，又要考虑热容暂态过程的影响，即需要兼顾考虑大载荷和小载荷。
优选地，所述s2中，对igbt功率模块在小时间尺度下的热循环进行分析主要包括以下步骤：
s21：在matlab/simulink中搭建用于1至3分钟仿真运行的igbt功率损耗模型和热模型；
s22：将功率损耗模型和热模型结合起来，得到igbt模块在小时间尺度下的电热模型；
s23：以步骤s22中的电热模型进行时间为1～3min的运行仿真。
优选地，所述s2中，对igbt功率模块在大时间尺度下的热循环进行分析主要包括以下步骤：
s201：在matlab/simulink中搭建用于模拟1～3年实际工况运行的igbt功率损耗模型和热模型；
s202：在1～3年的时间里，将每30分钟设为一个状态，共有17520～52560个状态，视这一系列状态均为稳定运行状态，在每一个状态里，采集一组光照强度和温度的数据，作为光伏阵列的输入参数，通过仿真可得到这个状态下boost变换器的输入电流、输出电压、输入电压的平均值；
s203：利用公式计算所对应的这一个状态里，igbt和二极管的开关损耗和导通损耗的平均值；
s204：计算完功率损耗以后，使用热阻rth计算在稳定运行状态下的温度；
s205：使用反复迭代计算的方法，求出某一状态下的结温和功率损耗。
优选地，在所述步骤s2中，所述功率损耗模型：根据igbt模块器件手册上的igbt的输出特性曲线、igbt的开关损耗曲线、二极管的正向偏压特性曲线、二极管的开关损耗曲线制成查找表，将光伏boost变换器中igbt模块工作运行时相应的实时参数输入到查找表中，可计算得出得到实时功率损耗。
优选地，所述热模型：拟合一个四阶foster热网络模型，来获取igbt模块的结温，foster模型中的热阻根据器件手册上的热阻抗特性曲线来提取。
优选地，在所述步骤s203中，所述计算公式为：
其中，psw(t)为igbt的开关损耗，且psw(t)＝pon(t) poff(t)；dc(t)为igbt的占空比，且dc(t)＝ton/t＝1-vin/vout；psw(d)为二极管的开关损耗，且psw(d)＝poff(d)；dc(d)为二极管的占空比，且dc(d)＝1-dc(t)；iin为输入电流；vout为输出电压；tj为结温；fsw为开关频率；tcv、tcr为正向导通特性曲线的温度系数。在本技术方案中，tcv、tcr为正向导通特性曲线的温度系数，是从出25℃和最热温度的数据计算出来的，例如：
优选地，在所述步骤s204中，
igbt的结温为tj(t)＝ptot(t)·rth(j-s)(t) (ptot(t) ptot(d))·rth(s-a) ta
二极管的结温为tj(d)＝ptot(d)·rth(j-s)(d) (ptot(t) ptot(d))·rth(s-a) ta
其中，ptot(t)为igbt的功率损耗，ptot(d)为二极管的功率损耗；rth(j-s)(t)为igbt结层到散热器之间的热阻，rth(j-s)(d)为二极管结层到散热器之间的热阻，rth(s-a)为散热器到环境之间的热阻；ta为环境温度。
优选地，步骤s205主要为：对于其中一个稳定运行状态，先算出在上一个状态结温tj(k-1)下的igbt模块的功率损耗值ptot(k-1)，再用igbt模块的功率损耗值结合热阻rth计算出结温tj(k)，比较tj(k-1)和tj(k)，如果相对误差大于1％，则再重复上述过程，即在此温度tj(k)下，会得出一个新的功率损耗值ptot(k)，再利用这个功耗值进行下一轮的计算，直到相对误差小于1％，就会得到最终的功率损耗和结温的值。
优选地，所述步骤s3具体为：
s31：功率模块循环失效次数
s32：使用miner线性累积损伤模型计算在线性区igbt模块结温对寿命的影响，设结构在某个恒定幅值的应力的作用下，经历n个循环后会疲劳失效，则该结构在这个应力下经历了n个循环时，其疲劳损伤程度d为
当d＝1时，认为该结构疲劳失效；
s33：采用雨流计数法来统计各载荷循环次数，采用coffin-manson-arrhenius模型来计算各载荷循环至功率模块失效时所对应的次数，然后用miner模型计算功率模块的疲劳损伤程度，设第i个载荷循环的次数为ni，igbt模块经历了这个载荷的ni次循环后会疲劳失效，对于在k个恒幅载荷作用下的igbt模块，其总共的疲劳损伤程度为
与现有技术相比，有益效果是：本发明通过搭建一个带有mppt功能的光伏boost变换器的仿真模型，把光伏系统气温、辐照度的变化和功率模块热容的暂态过程结合起来进行寿命预测，根据一年期间的实际运行工况，将年结温曲线(大载荷)以及分钟结温曲线(小载荷)的影响变量相结合，使用反复迭代计算的方法，采用雨流计数法来统计各载荷循环次数，通过计算各载荷循环至功率模块失效时所对应的次数，用miner模型计算功率模块的疲劳损伤程度，提高igbt寿命预测的速度和准确性。
附图说明
图1是本发明光伏变换器功率器件的寿命检测方法的流程图；
图2是本发明中具有mppt功能的光伏boost变换器的示意图；
图3是本发明igbt模块的热模型的模型示意图；
图4是本发明中小时间尺度下的igbt模块电热模型的模型示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1所示，一种光伏变换器功率器件的寿命检测方法，包括以下步骤：
s1：搭建具有mppt功能的光伏boost变换器的matlab/simulink仿真模型；
s2：根据时间常数划分时间尺度，建立不同时间尺度下的功率模块的电热模型；
s3：根据电热模型并基于焊接层疲劳的失效形式建立寿命预测模型，采用coffin-manson-arrhenius模型进行igbt寿命预测。
其中，图2为具有mppt功能的光伏boost变换器的示意图，图3为本发明igbt模块的热模型的模型示意图。
本技术针对光伏变换器功率器件的实际工况，对功率器件进行寿命预测，根据一年期间的实际运行工况，将年结温曲线(大载荷)以及分钟结温曲线(小载荷)的影响变量相结合，采用多时间尺度的方法进行功率器件的寿命预测，提高寿命预测的速度和准确性。
其中，步骤s2包括对igbt功率模块在小时间尺度下以及大时间尺度下的热循环进行分析。在本实施例中，对实际工况下的光伏发电系统中变换器的功率器件进行寿命预测时，既要考虑辐照度和气温变化的影响，又要考虑热容暂态过程的影响，即需要兼顾考虑大载荷和小载荷。
另外，s2中，对igbt功率模块在小时间尺度下的热循环进行分析主要包括以下步骤：
s21：在matlab/simulink中搭建用于1至3分钟仿真运行的igbt功率损耗模型和热模型；
s22：将功率损耗模型和热模型结合起来，得到igbt模块在小时间尺度下的电热模型；
s23：以步骤s22中的电热模型进行时间为1～3min的运行仿真。
图4为小时间尺度下的igbt模块电热模型的模型示意图。
其中，s2中，对igbt功率模块在大时间尺度下的热循环进行分析主要包括以下步骤：
s201：在matlab/simulink中搭建用于模拟1～3年实际工况运行的igbt功率损耗模型和热模型；
s202：在1～3年的时间里，将每30分钟设为一个状态，共有17520～52560个状态，视这一系列状态均为稳定运行状态，在每一个状态里，采集一组光照强度和温度的数据，作为光伏阵列的输入参数，通过仿真可得到这个状态下boost变换器的输入电流、输出电压、输入电压的平均值；
s203：利用公式计算所对应的这一个状态里，igbt和二极管的开关损耗和导通损耗的平均值；
s204：计算完功率损耗以后，使用热阻rth计算在稳定运行状态下的温度；
s205：使用反复迭代计算的方法，求出某一状态下的结温和功率损耗。
另外，在步骤s2中，功率损耗模型：根据igbt模块器件手册上的igbt的输出特性曲线、igbt的开关损耗曲线、二极管的正向偏压特性曲线、二极管的开关损耗曲线制成查找表，将光伏boost变换器中igbt模块工作运行时相应的实时参数输入到查找表中，可计算得出得到实时功率损耗。
其中，热模型通过拟合一个四阶foster热网络模型，来获取igbt模块的结温，foster模型中的热阻根据器件手册上的热阻抗特性曲线来提取。
另外，在步骤s203中，计算公式为：
其中，psw(t)为igbt的开关损耗，且psw(t)＝pon(t) poff(t)；dc(t)为igbt的占空比，且dc(t)＝ton/t＝1-vin/vout；psw(d)为二极管的开关损耗，且psw(d)＝poff(d)；dc(d)为二极管的占空比，且dc(d)＝1-dc(t)；iin为输入电流；vout为输出电压；tj为结温；fsw为开关频率；tcv、tcr为正向导通特性曲线的温度系数。在本实施例中，tcv、tcr为正向导通特性曲线的温度系数，是从出25℃和最热温度的数据计算出来的，例如：
另外，在步骤s204中，
igbt的结温为tj(t)＝ptot(t)·rth(j-s)(t) (ptot(t) ptot(d))·rth(s-a) ta
二极管的结温为tj(d)＝ptot(d)·rth(j-s)(d) (ptot(t) ptot(d))·rth(s-a) ta
其中，ptot(t)为igbt的功率损耗，ptot(d)为二极管的功率损耗；rth(j-s)(t)为igbt结层到散热器之间的热阻，rth(j-s)(d)为二极管结层到散热器之间的热阻，rth(s-a)为散热器到环境之间的热阻；ta为环境温度。
另外，步骤s205主要为：对于其中一个稳定运行状态，先算出在上一个状态结温tj(k-1)下的igbt模块的功率损耗值ptot(k-1)，再用igbt模块的功率损耗值结合热阻rth计算出结温tj(k)，比较tj(k-1)和tj(k)，如果相对误差大于1％，则再重复上述过程，即在此温度tj(k)下，会得出一个新的功率损耗值ptot(k)，再利用这个功耗值进行下一轮的计算，直到相对误差小于1％，就会得到最终的功率损耗和结温的值。
其中，步骤s3具体为：
s31：功率模块循环失效次数
s32：使用miner线性累积损伤模型计算在线性区igbt模块结温对寿命的影响，设结构在某个恒定幅值的应力的作用下，经历n个循环后会疲劳失效，则该结构在这个应力下经历了n个循环时，其疲劳损伤程度d为
当d＝1时，认为该结构疲劳失效；
s33：采用雨流计数法来统计各载荷循环次数，采用coffin-manson-arrhenius模型来计算各载荷循环至功率模块失效时所对应的次数，然后用miner模型计算功率模块的疲劳损伤程度，设第i个载荷循环的次数为ni，igbt模块经历了这个载荷的ni次循环后会疲劳失效，对于在k个恒幅载荷作用下的igbt模块，其总共的疲劳损伤程度为
另外，对实际工况下的光伏发电系统中变换器的功率器件进行寿命预测时，既要考虑辐照度和气温变化的影响，又要考虑热容暂态过程的影响，即需要兼顾考虑大载荷和小载荷。在本实施例中，通过对小时间尺度和大时间尺度下仿真得到的结温曲线，用雨流计数法进行统计，得到结温幅值、均值、循环次数。接着用coffin-manson-arrhenius模型来计算各载荷循环至功率模块失效时所对应的次数，再用miner模型计算功率模块的疲劳损伤程度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
1.一种光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：搭建具有mppt功能的光伏boost变换器的matlab/simulink仿真模型；
s2：根据时间常数划分时间尺度，建立不同时间尺度下的功率模块的电热模型；
s3：根据电热模型并基于焊接层疲劳的失效形式建立寿命预测模型，采用coffin-manson-arrhenius模型进行igbt寿命预测。
2.根据权利要求1所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，所述步骤s2包括对igbt功率模块在小时间尺度下以及大时间尺度下的热循环进行分析。
3.根据权利要求2所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，所述s2中，对igbt功率模块在小时间尺度下的热循环进行分析主要包括以下步骤：
s21：在matlab/simulink中搭建用于1至3分钟仿真运行的igbt功率损耗模型和热模型；
s22：将功率损耗模型和热模型结合起来，得到igbt模块在小时间尺度下的电热模型；
s23：以步骤s22中的电热模型进行时间为1～3min的运行仿真。
4.根据权利要求3所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，所述s2中，对igbt功率模块在大时间尺度下的热循环进行分析主要包括以下步骤：
s201：在matlab/simulink中搭建用于模拟1～3年实际工况运行的igbt功率损耗模型和热模型；
s202：在1～3年的时间里，将每30分钟设为一个状态，共有17520～52560个状态，视这一系列状态均为稳定运行状态，在每一个状态里，采集一组光照强度和温度的数据，作为光伏阵列的输入参数，通过仿真可得到这个状态下boost变换器的输入电流、输出电压、输入电压的平均值；
s203：利用公式计算所对应的这一个状态里，igbt和二极管的开关损耗和导通损耗的平均值；
s204：计算完功率损耗以后，使用热阻rth计算在稳定运行状态下的温度；
s205：使用反复迭代计算的方法，求出某一状态下的结温和功率损耗。
5.根据权利要求2所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，在所述步骤s2中，所述功率损耗模型：根据igbt模块器件手册上的igbt的输出特性曲线、igbt的开关损耗曲线、二极管的正向偏压特性曲线、二极管的开关损耗曲线制成查找表，将光伏boost变换器中igbt模块工作运行时相应的实时参数输入到查找表中，可计算得出得到实时功率损耗。
6.根据权利要求5所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，所述热模型：拟合一个四阶foster热网络模型，来获取igbt模块的结温，foster模型中的热阻根据器件手册上的热阻抗特性曲线来提取。
7.根据权利要求4所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，在所述步骤s203中，所述计算公式为：
其中，psw(t)为igbt的开关损耗，且psw(t)＝pon(t) poff(t)；dc(t)为igbt的占空比，且dc(t)＝ton/t＝1-vin/vout；psw(d)为二极管的开关损耗，且psw(d)＝poff(d)；dc(d)为二极管的占空比，且dc(d)＝1-dc(t)；iin为输入电流；vout为输出电压；tj为结温；fsw为开关频率；tcv、tcr为正向导通特性曲线的温度系数。
8.根据权利要求7所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，在所述步骤s204中，
igbt的结温为tj(t)＝ptot(t)·rth(j-s)(t) (ptot(t) ptot(d))·rth(s-a) ta
二极管的结温为tj(d)＝ptot(d)·rth(j-s)(d) (ptot(t) ptot(d))·rth(s-a) ta
其中，ptot(t)为igbt的功率损耗，ptot(d)为二极管的功率损耗；rth(j-s)(t)为igbt结层到散热器之间的热阻，rth(j-s)(d)为二极管结层到散热器之间的热阻，rth(s-a)为散热器到环境之间的热阻；ta为环境温度。
9.根据权利要求8所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，步骤s205主要为：对于其中一个稳定运行状态，先算出在上一个状态结温tj(k-1)下的igbt模块的功率损耗值ptot(k-1)，再用igbt模块的功率损耗值结合热阻rth计算出结温tj(k)，比较tj(k-1)和tj(k)，如果相对误差大于1％，则再重复上述过程，即在此温度tj(k)下，会得出一个新的功率损耗值ptot(k)，再利用这个功耗值进行下一轮的计算，直到相对误差小于1％，就会得到最终的功率损耗和结温的值。
10.根据权利要求9所述的光伏变换器功率器件的寿命检测方法，其特征在于，所述步骤s3具体为：
s31：功率模块循环失效次数
s32：使用miner线性累积损伤模型计算在线性区igbt模块结温对寿命的影响，设结构在某个恒定幅值的应力的作用下，经历n个循环后会疲劳失效，则该结构在这个应力下经历了n个循环时，其疲劳损伤程度d为
当d＝1时，认为该结构疲劳失效；
s33：采用雨流计数法来统计各载荷循环次数，采用coffin-manson-arrhenius模型来计算各载荷循环至功率模块失效时所对应的次数，然后用miner模型计算功率模块的疲劳损伤程度，设第i个载荷循环的次数为ni，igbt模块经历了这个载荷的ni次循环后会疲劳失效，对于在k个恒幅载荷作用下的igbt模块，其总共的疲劳损伤程度为
