一种检测直流系统中铝电解电容器老化的方法

曾昭武

（佛山市三水日明电子有限公司，广东佛山，528000）

0 引言

太阳能是地球上最丰富的能源，却未被完全开发。如果20%的太阳能被有效利用，地球上的能源短缺将得到极大缓解。20世纪80年代海湾国家经历的能源短缺和目前经历的能源价格上涨都是传统能源枯竭的后果。因此有必要找到一种传统能源的替代品，但这种替代品必须清洁、环保，对环境没有污染[1]。

使用电解液以获得高电容值的电容器一般称为电解电容器，其中最常用的是铝电解电容器(AEC)。电容器的等效电路包括电容、等效串联电感(ESL)、与电容和等效串联电阻(ESR)并联的高阻直流回路(Rp)。选择电解电容器的一个重要因素是看其ESR的质量，它随着组件的年龄变化而变化[2]。电容器的健康状况可由ESR和电容值来估计。在可再生能源中，基于太阳能光伏的直流系统效率更高。本文将太阳能光伏与直流升压变换器结合使用。由于电解液的蒸发，铝电解液电容器变旧，等效串联电阻值也变高[3]。因此，整个太阳能电池板的扭曲电压增加，从电池板接收的平均功率减少。电解电容器的性能取决于工作条件，如电压、电流、频率和工作温度[4]。在一定的条件下，ESR随时间的增加缓慢，电容器的数值也随着时间的增加缓慢减小，从而使电容器去除输出电压中的交流分量。电容器的持续下降导致变频器输出电压降低到规格以下，在某些情况下，电压纹波和电流纹波的联合作用可能会损坏变频器。电容器的健康状况可以通过检测等效串联电阻的值来判断[5]。在电流传感器中不宜确定电容电流的大小，但电容电流的大小对揭示等效串联电阻至关重要。因此，可以将需要解析的电容电流合并到电压纹波测量中，以确定电容的状态。

1 ESR估算

储能装置如电解电容器可作为输入缓冲器，在市电输入电压不足时提供所储存的能量，还可以避免转换器的开关噪声，并在转换器的输出充当滤波器。较高的ESR值增加了电容的高频噪声，降低了输入端滤波器的影响。输出端的高ESR会引起更多的波纹，也会影响控制回路的稳定性。ESR受频率、温度的影响，随构件年龄的变化而变化。当ESR值较高时，电压和电流波形中出现较多的尖峰，说明AEC已经老化，需要更换。影响铝电解电容器性能的两个重要因素是ESR和温度。温度与ESR呈反比关系。如果温度较低，则ESR值较高，进而增加波纹。因此，从太阳能光伏组件提取的能量将会更少。AEC的电容和ESR可用下式计算：

式中：

ε：介质的介电常数。

S：介电介质的表面积(cm2)。

d：介质厚度，单位为cm。电感值在低频(50Hz-1kHz)下可以忽略不计。

式中：

tanδ：耗散因子。

2 系统描述

该系统由太阳能光伏板、升压配置的dc-dc变换器、MPPT控制器和一个等效串联电阻组成，用于检测电解电容器的老化程度。利用MPPT技术优化太阳能光伏系统。测量从太阳能光伏板获得的电压和电流值。为了找到占空比，采用了MPPT控制器。在该系统中，使用 P&O 算法以从太阳能光伏电池板获得最佳功率。由于升压转换器配置的开关特性，电感电流由直流和纹波分量组成。转换器产生开关电流纹波，当AEC 保持在太阳能 PV 终端时，这些纹波会被吸收。将铝电解电容器的电阻和电容串联起来，可以得到铝电解电容器的等效电路。在非常大的频率下，利用太阳能光伏板对电感电流进行检测时，由于其阻抗小，导致电感电流的纹波分量通过AEC。为了了解AEC的健康状况，系统应在稳态条件下进行测量。

2.1 等效串联电阻（ESR）

等效串联电阻是大型滤波电容器高频性能中最重要的限制因素。ESR受多种因素的影响，包括电容器的工作电压和生产厂家的类型。对于铝电解电容器，工作电压越高，ESR越小。温度高时，水分蒸发，电容器漏电。当温度较低时，ESR值会随着电解液的电导降低而升高。

2.2 太阳能光伏板

光伏电池板是一种有源设备，因为它向负载提供电力。PV面板由半导体材料制成的p-n二极管组成。在结点入射的光能驱动电荷穿过二极管的能量势垒，从而产生电流。若干电池组合串联或并联构成一个PV板。PV板的I-V特性是高度非线性的。光伏板的电气等效电路也必须产生相同的非线性曲线。对于一个显示非线性特性的双端器件，通过它的电流和通过它的电压之间的关系也必须是非线性函数。

2.3 MPPT控制器算法

MPPT用于从PV模块获得最佳功率。在任何光伏面板中，功率和电压曲线都会随着太阳辐照度和温度的变化而移动最佳功率点。因此，为了有效地跟踪最优功率点，研究者采用了一些跟踪技术。本文采用扰动观测算法对最优功率进行跟踪。在面板电压中存在系统干扰，用先前的扰动周期检测输出端相应的功率。在P&O算法中，控制器的目的是调节电压和校准功率值。如果功率增加，则在该方向进行辅助修改，直到功率不再上升。该方法具有效率高、易于实现等优点，是一种被广泛接受的最大功率跟踪算法。

2.4 DC-DC转换器

升压变换器是一种开关式稳压DC到DC变换器。在电路中使用电感可以防止输入电流出现异常波动。电感器的主要用途是将电能储存为磁能。当电路中的开关断开时就会发生这种情况。当开关打开或关闭时，感应器释放能量。在输出电路中需要考虑较大的电容值。本文将升压变换器与太阳能组件连接起来。

3 铝电解电容器的老化机理分析

一般的铝电解元件由阳极、浸渍隔膜纸的电解液和阴极箔组成。保持电容的介质是阳极箔上的氧化铝。氧化铝很薄，具有优良的耐电压性能。因此，铝电解电容器可以方便地获得大容量和高额定电压。金属表面形成的氧化物具有类似半导体器件中PN结的整流特性，而阴极箔上没有这种氧化物而没有“形成”，因此电容器具有极性。常见的电解质是乙二醇和硼酸铵等的混合溶液。电解液保持了氧化铝介质的完整性，同时也是串联电阻的主要组成部分。浸渍电解液的导电纸，用于保存电解液，防止阳极和阴极电极短路。电容发生故障有多种情况。振动，冲击和在引线上的压力或通过暴露在高于其额定电压可引起电容器短路。极端机械力、电解汽化、密封材料老化或大量波纹可导致开路。而连续施加反向电压、高电流纹波或老化则会导致电容器退化失效。然而，磨损失效的主要机制是电解液的蒸发及其通过端封的损失，这将导致铝箔的有效接触面积减少，ESR增大。铝电解电容器的介电介质是阳极箔上形成的氧化膜，它的质量对铝电解电容器的性能影响很大。氧化铝膜的质量首先取决于生产厂家的工艺，而在设备的工作期间，主要与电解液的功能有关，电解液能保持氧化铝的完整性。当泄漏电流流动时，电解液中的水被水解成氢和氧，然后在阳极箔和阴极箔上发生以下反应。这些反应形成的氧化物导致电容下降，ESR增加。氢气的析出也会加速电解液的汽化，导致铝电解电容器磨损。

4 Simulink模型和结果

该模型使用的平台是Matlab/Simulink。它由光伏阵列、dc-dc升压变换器和等效串联电阻组成。太阳辐照量取1000w/m2。模拟了太阳能光伏板电解电容器的电压和电流曲线图。电流和电压的畸变取决于ESR的值。当ESR值较小时，电流波形没有出现尖峰，说明使用的电解电容是新的。因此，通过改变ESR，可以改变输出功率，从而检测出AEC的年龄。随着温度的升高，ESR值减小。由于ESR值较低，电流和电压波纹也减小。在子系统中实现了P&O的MPPT算法。老化电容的仿真结果显示电流电压波形出现畸变，表明需要更换电容，而新电解电容的波形没有出现电流电压波形的畸变。

图1 电解电容ESR估算仿真图

4.1 使用旧电容进行仿真

当电解电容老化时，它会产生电流和电压的畸变，从而使输出功率最小。图2所示的电流波形表示流过电容器的电流幅值非常大，电压波形也表示高电压降。因此，电解电容消耗的功率就会很大，从而降低输出功率。

图2 老化电解电容器的畸变波形

4.2 使用新电容器的仿真

当使用新的电解电容器时，电流和电压的畸变减小，因此输出功率最大。图3所示的电流波形表示流过电容器的电流幅度很小。电压波形也显示电压下降较少。因此，电解电容器消耗的功率很小，从而优化了输出功率。

图3 新型电解电容器的无纹波波形

5 结论

本文提出了一种太阳能光伏直流系统中电解电容器的健康监测方法。该技术的优点是经济且成本非常低。本文使用的MPPT控制器是扰动观察算法以获得最大功率。通过检查电解电容器的等效串联电阻值，可以检测电容器的老化程度。如果畸变很大，那么ESR的值也会很高，表示此时需要更换电容。因此，可以通过估算ESR值来正确更换电容器。使用新电容器可以减少功率损耗、电流和电压纹波。此时ESR的值会很小，从而导致太阳能光伏板的功率提取量会很高。