一種檢測直流系統(tǒng)中鋁電解電容器老化的方法

曾昭武

（佛山市三水日明電子有限公司，廣東佛山，528000）

0 引言

太陽能是地球上最豐富的能源，卻未被完全開發(fā)。如果20%的太陽能被有效利用，地球上的能源短缺將得到極大緩解。20世紀80年代海灣國家經(jīng)歷的能源短缺和目前經(jīng)歷的能源價格上漲都是傳統(tǒng)能源枯竭的后果。因此有必要找到一種傳統(tǒng)能源的替代品，但這種替代品必須清潔、環(huán)保，對環(huán)境沒有污染[1]。

使用電解液以獲得高電容值的電容器一般稱為電解電容器，其中最常用的是鋁電解電容器(AEC)。電容器的等效電路包括電容、等效串聯(lián)電感(ESL)、與電容和等效串聯(lián)電阻(ESR)并聯(lián)的高阻直流回路(Rp)。選擇電解電容器的一個重要因素是看其ESR的質(zhì)量，它隨著組件的年齡變化而變化[2]。電容器的健康狀況可由ESR和電容值來估計。在可再生能源中，基于太陽能光伏的直流系統(tǒng)效率更高。本文將太陽能光伏與直流升壓變換器結(jié)合使用。由于電解液的蒸發(fā)，鋁電解液電容器變舊，等效串聯(lián)電阻值也變高[3]。因此，整個太陽能電池板的扭曲電壓增加，從電池板接收的平均功率減少。電解電容器的性能取決于工作條件，如電壓、電流、頻率和工作溫度[4]。在一定的條件下，ESR隨時間的增加緩慢，電容器的數(shù)值也隨著時間的增加緩慢減小，從而使電容器去除輸出電壓中的交流分量。電容器的持續(xù)下降導(dǎo)致變頻器輸出電壓降低到規(guī)格以下，在某些情況下，電壓紋波和電流紋波的聯(lián)合作用可能會損壞變頻器。電容器的健康狀況可以通過檢測等效串聯(lián)電阻的值來判斷[5]。在電流傳感器中不宜確定電容電流的大小，但電容電流的大小對揭示等效串聯(lián)電阻至關(guān)重要。因此，可以將需要解析的電容電流合并到電壓紋波測量中，以確定電容的狀態(tài)。

1 ESR估算

儲能裝置如電解電容器可作為輸入緩沖器，在市電輸入電壓不足時提供所儲存的能量，還可以避免轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲，并在轉(zhuǎn)換器的輸出充當濾波器。較高的ESR值增加了電容的高頻噪聲，降低了輸入端濾波器的影響。輸出端的高ESR會引起更多的波紋，也會影響控制回路的穩(wěn)定性。ESR受頻率、溫度的影響，隨構(gòu)件年齡的變化而變化。當ESR值較高時，電壓和電流波形中出現(xiàn)較多的尖峰，說明AEC已經(jīng)老化，需要更換。影響鋁電解電容器性能的兩個重要因素是ESR和溫度。溫度與ESR呈反比關(guān)系。如果溫度較低，則ESR值較高，進而增加波紋。因此，從太陽能光伏組件提取的能量將會更少。AEC的電容和ESR可用下式計算：

式中：

ε：介質(zhì)的介電常數(shù)。

S：介電介質(zhì)的表面積(cm2)。

d：介質(zhì)厚度，單位為cm。電感值在低頻(50Hz-1kHz)下可以忽略不計。

式中：

tanδ：耗散因子。

2 系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)由太陽能光伏板、升壓配置的dc-dc變換器、MPPT控制器和一個等效串聯(lián)電阻組成，用于檢測電解電容器的老化程度。利用MPPT技術(shù)優(yōu)化太陽能光伏系統(tǒng)。測量從太陽能光伏板獲得的電壓和電流值。為了找到占空比，采用了MPPT控制器。在該系統(tǒng)中，使用 P&O 算法以從太陽能光伏電池板獲得最佳功率。由于升壓轉(zhuǎn)換器配置的開關(guān)特性，電感電流由直流和紋波分量組成。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生開關(guān)電流紋波，當AEC 保持在太陽能 PV 終端時，這些紋波會被吸收。將鋁電解電容器的電阻和電容串聯(lián)起來，可以得到鋁電解電容器的等效電路。在非常大的頻率下，利用太陽能光伏板對電感電流進行檢測時，由于其阻抗小，導(dǎo)致電感電流的紋波分量通過AEC。為了了解AEC的健康狀況，系統(tǒng)應(yīng)在穩(wěn)態(tài)條件下進行測量。

2.1 等效串聯(lián)電阻（ESR）

等效串聯(lián)電阻是大型濾波電容器高頻性能中最重要的限制因素。ESR受多種因素的影響，包括電容器的工作電壓和生產(chǎn)廠家的類型。對于鋁電解電容器，工作電壓越高，ESR越小。溫度高時，水分蒸發(fā)，電容器漏電。當溫度較低時，ESR值會隨著電解液的電導(dǎo)降低而升高。

2.2 太陽能光伏板

光伏電池板是一種有源設(shè)備，因為它向負載提供電力。PV面板由半導(dǎo)體材料制成的p-n二極管組成。在結(jié)點入射的光能驅(qū)動電荷穿過二極管的能量勢壘，從而產(chǎn)生電流。若干電池組合串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一個PV板。PV板的I-V特性是高度非線性的。光伏板的電氣等效電路也必須產(chǎn)生相同的非線性曲線。對于一個顯示非線性特性的雙端器件，通過它的電流和通過它的電壓之間的關(guān)系也必須是非線性函數(shù)。

2.3 MPPT控制器算法

MPPT用于從PV模塊獲得最佳功率。在任何光伏面板中，功率和電壓曲線都會隨著太陽輻照度和溫度的變化而移動最佳功率點。因此，為了有效地跟蹤最優(yōu)功率點，研究者采用了一些跟蹤技術(shù)。本文采用擾動觀測算法對最優(yōu)功率進行跟蹤。在面板電壓中存在系統(tǒng)干擾，用先前的擾動周期檢測輸出端相應(yīng)的功率。在P&O算法中，控制器的目的是調(diào)節(jié)電壓和校準功率值。如果功率增加，則在該方向進行輔助修改，直到功率不再上升。該方法具有效率高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，是一種被廣泛接受的最大功率跟蹤算法。

2.4 DC-DC轉(zhuǎn)換器

升壓變換器是一種開關(guān)式穩(wěn)壓DC到DC變換器。在電路中使用電感可以防止輸入電流出現(xiàn)異常波動。電感器的主要用途是將電能儲存為磁能。當電路中的開關(guān)斷開時就會發(fā)生這種情況。當開關(guān)打開或關(guān)閉時，感應(yīng)器釋放能量。在輸出電路中需要考慮較大的電容值。本文將升壓變換器與太陽能組件連接起來。

3 鋁電解電容器的老化機理分析

一般的鋁電解元件由陽極、浸漬隔膜紙的電解液和陰極箔組成。保持電容的介質(zhì)是陽極箔上的氧化鋁。氧化鋁很薄，具有優(yōu)良的耐電壓性能。因此，鋁電解電容器可以方便地獲得大容量和高額定電壓。金屬表面形成的氧化物具有類似半導(dǎo)體器件中PN結(jié)的整流特性，而陰極箔上沒有這種氧化物而沒有“形成”，因此電容器具有極性。常見的電解質(zhì)是乙二醇和硼酸銨等的混合溶液。電解液保持了氧化鋁介質(zhì)的完整性，同時也是串聯(lián)電阻的主要組成部分。浸漬電解液的導(dǎo)電紙，用于保存電解液，防止陽極和陰極電極短路。電容發(fā)生故障有多種情況。振動，沖擊和在引線上的壓力或通過暴露在高于其額定電壓可引起電容器短路。極端機械力、電解汽化、密封材料老化或大量波紋可導(dǎo)致開路。而連續(xù)施加反向電壓、高電流紋波或老化則會導(dǎo)致電容器退化失效。然而，磨損失效的主要機制是電解液的蒸發(fā)及其通過端封的損失，這將導(dǎo)致鋁箔的有效接觸面積減少，ESR增大。鋁電解電容器的介電介質(zhì)是陽極箔上形成的氧化膜，它的質(zhì)量對鋁電解電容器的性能影響很大。氧化鋁膜的質(zhì)量首先取決于生產(chǎn)廠家的工藝，而在設(shè)備的工作期間，主要與電解液的功能有關(guān)，電解液能保持氧化鋁的完整性。當泄漏電流流動時，電解液中的水被水解成氫和氧，然后在陽極箔和陰極箔上發(fā)生以下反應(yīng)。這些反應(yīng)形成的氧化物導(dǎo)致電容下降，ESR增加。氫氣的析出也會加速電解液的汽化，導(dǎo)致鋁電解電容器磨損。

4 Simulink模型和結(jié)果

該模型使用的平臺是Matlab/Simulink。它由光伏陣列、dc-dc升壓變換器和等效串聯(lián)電阻組成。太陽輻照量取1000w/m2。模擬了太陽能光伏板電解電容器的電壓和電流曲線圖。電流和電壓的畸變?nèi)Q于ESR的值。當ESR值較小時，電流波形沒有出現(xiàn)尖峰，說明使用的電解電容是新的。因此，通過改變ESR，可以改變輸出功率，從而檢測出AEC的年齡。隨著溫度的升高，ESR值減小。由于ESR值較低，電流和電壓波紋也減小。在子系統(tǒng)中實現(xiàn)了P&O的MPPT算法。老化電容的仿真結(jié)果顯示電流電壓波形出現(xiàn)畸變，表明需要更換電容，而新電解電容的波形沒有出現(xiàn)電流電壓波形的畸變。

圖1 電解電容ESR估算仿真圖

4.1 使用舊電容進行仿真

當電解電容老化時，它會產(chǎn)生電流和電壓的畸變，從而使輸出功率最小。圖2所示的電流波形表示流過電容器的電流幅值非常大，電壓波形也表示高電壓降。因此，電解電容消耗的功率就會很大，從而降低輸出功率。

圖2 老化電解電容器的畸變波形

4.2 使用新電容器的仿真

當使用新的電解電容器時，電流和電壓的畸變減小，因此輸出功率最大。圖3所示的電流波形表示流過電容器的電流幅度很小。電壓波形也顯示電壓下降較少。因此，電解電容器消耗的功率很小，從而優(yōu)化了輸出功率。

圖3 新型電解電容器的無紋波波形

5 結(jié)論

本文提出了一種太陽能光伏直流系統(tǒng)中電解電容器的健康監(jiān)測方法。該技術(shù)的優(yōu)點是經(jīng)濟且成本非常低。本文使用的MPPT控制器是擾動觀察算法以獲得最大功率。通過檢查電解電容器的等效串聯(lián)電阻值，可以檢測電容器的老化程度。如果畸變很大，那么ESR的值也會很高，表示此時需要更換電容。因此，可以通過估算ESR值來正確更換電容器。使用新電容器可以減少功率損耗、電流和電壓紋波。此時ESR的值會很小，從而導(dǎo)致太陽能光伏板的功率提取量會很高。