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储能系统技术 储能系统 ★ 5.0

一种用于电力电子应用中薄膜电容器的快速热网络模型,便于寿命评估

A Fast Thermal Network Model for Film Capacitors in Power Electronic Applications Facilitating the Lifespan Assessment

作者 Kaining Kuang · Jianjun Kuang · Yuanxi Chen
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年8月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 薄膜电容器 热点温度估计 可变阶福斯特热网络模型 电容器寿命预测 预测性维护
语言:

中文摘要

在电力电子应用中,薄膜电容器在滤除纹波电流和稳定直流母线电压方面起着至关重要的作用。由于金属化薄膜电容器的老化行为与温度高度相关,因此准确估算其热点温度至关重要。然而,传统的估算方法,如有限元分析(FEA)和简化的集总热网络(LTN)模型,分别在计算效率和准确性方面存在局限性。本文首先从准确性和计算效率的角度对传统热建模方法进行了综述,并对定制电容器进行了温升实验以支持这一分析。其次,采用变阶福斯特热网络模型实现对电容器运行过程中热点温度的准确高效估算。最后,研究了温度估算误差对电容器寿命预测的影响。该研究结果可为电力电子系统中薄膜电容器的热行为提供深入见解,并为其预测性维护提供指导。

English Abstract

Film capacitors play a critical role in filtering ripple current and stabilizing DC-link voltage in power electronic applications. As the degradation behavior of metallized film capacitors is highly temperature-dependent, accurate estimation of hotspot temperature is critical. However, conventional estimation methods such as finite element analysis (FEA) and simplified lumped thermal network (LTN) models have limitations in computational efficiency and accuracy, respectively. In this paper, traditional thermal modeling approaches are first reviewed in terms of their accuracy and computational efficiency, with temperature rise experiments conducted on a customized capacitor to support this analysis. Second, variable-order Foster thermal network models are adopted to achieve accurate and efficient estimation of the capacitor’s hotspot temperature during operation. Lastly, the impact of temperature estimation errors on the prediction of capacitor lifespan is investigated. The finding can provide insights into the thermal behavior of film capacitors in power electronic systems and offer guidance for their predictive maintenance.
S

SunView 深度解读

薄膜电容器在阳光电源的光伏逆变器和储能变流器等核心产品中承担着纹波电流滤波和直流母线电压稳定的关键功能,其可靠性直接影响系统整体寿命和运维成本。该论文提出的快速热网络模型技术对我司产品开发和运维服务具有重要应用价值。

从业务价值看,该技术通过可变阶Foster热网络模型实现了电容器热点温度的高精度快速估算,克服了有限元分析计算效率低和传统集总参数模型精度不足的局限。这对阳光电源意义显著:一方面,在产品设计阶段可加速热仿真迭代,优化电容器选型和散热设计,提升逆变器和储能系统的功率密度;另一方面,该模型可嵌入我司PowerTitan智慧能源管理平台,实现电容器温度的实时监测和寿命预测,支撑预测性维护策略,降低电站非计划停机风险。

技术成熟度方面,论文基于定制电容器的温升实验验证了模型准确性,但从实验室样品到批量生产的工程化应用仍需跨越。关键挑战包括:不同厂家电容器的热特性参数库建立、复杂工况下模型鲁棒性验证,以及与我司现有SCADA系统的集成开发。

机遇在于,随着大功率储能系统和1500V高压光伏系统的推广,电容器工作应力加剧,精准的热管理和寿命评估需求迫切。建议我司研发团队与论文作者团队建立合作,将该技术集成到下一代产品的数字孪生系统中,强化阳光电源在系统可靠性和智能运维领域的技术领先优势,为客户提供更低度电成本的解决方案。