摘 要

近年来随着新能源产业的不断发展，电力电子技术作为电能变换的关键环节已经成为实现可持续长期发展的支撑技术之一，而DC-Link电容作为其中的关键器件对其主要性能指标的改善尤为重要。本文对于无源电容模组的多目标优化设计，目的在于解决DC-Link电容模组的设计方案的同时，同时也可以满足各种环境、各种用户对性能的不同需求，促进电力电子技术模块化及高品质因素发展。

本文以DC-Link电容作为研究对象，首先了解DC-Link电容中的电解电容和薄膜电容工作原理，通过将两种电容进行对比分析，得知电解电容在容值以及体积和成本上均具有优势，但是在耐压通流能力、功率损耗以及使用寿命方面薄膜电容则更具有竞争力。接着本文提出在电解电容组中混合薄膜电容器组成混合电容模组来构成DC-Link电容模组方案。以两种具体型号的电解电容和薄膜电容为例，分别给出这两种电容的体积、成本、ESR、热阻和寿命模型。然后本文对多目标优化方法进行介绍并且针对本文研究对象完成多目标优化设计流程。针对具体电路进行电解电容和薄膜电容的选型，结合五大模型结合多目标优化设计流程进行程序编写，利用Matlab仿真软件得到最终结果。最后，本文通过对仿真结果进行分析验证了之前的理论分析，并给出了相应的研究结论，同时也对此次研究的不足点给出了研究展望。

关键词：DC-Link电容；多目标优化；模型建立；电解电容；薄膜电容

Abstract

In recent years, with the continuous development of new energy industry, power electronics technology has become one of the supporting technologies for sustainable long-term development, and DC-Link capacitors are the key components to improve its main performance indicators. Particularly important. In this paper, the multi-objective optimization design of the passive capacitor module aims to solve the design scheme of the DC-Link capacitor module, and at the same time, it can also meet the different needs of various environments and various users, and promote the power electronic technology module. And the development of high quality factors.
In this paper, DC-Link capacitors are used as research objects. Firstly, the working principle of electrolytic capacitors and thin film capacitors in DC-Link capacitors is understood. By comparing the two capacitors, it is known that electrolytic capacitors have advantages in capacitance, volume and cost. However, film capacitors are more competitive in terms of withstand voltage, power loss and service life. Then, this paper proposes a hybrid capacitor module in the electrolytic capacitor group to form a DC-Link capacitor module. Taking two specific types of electrolytic capacitors and thin film capacitors as examples, the volume, cost, ESR, thermal resistance and lifetime models of the two capacitors are given. Then this paper introduces the multi-objective optimization method and completes the multi-objective optimization design process for the research object. The selection of electrolytic capacitors and thin film capacitors for specific circuits, combined with five models combined with multi-objective optimization design flow for programming, using Matlab simulation software to obtain the final results. Finally, this paper verifies the previous theoretical analysis by analyzing the simulation results, and gives the corresponding research conclusions. At the same time, it also gives the research prospects of the shortcomings of this research.

Key words: DC-Link capacitor; multi-objective optimization; model establishment; electrolytic capacitor; film capacitor

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3研究内容及章节安排 4

第2章 DC-Link电容模组分析及各类模型的建立 6

2.1 DC-Link电容 6

2.1.1 DC-Link电容简介 6

2.1.2铝电解电容与薄膜电容对比分析 7

2.2 DC-Link电容模组设计 10

2.3模型建立 11

2.3.1体积模型 11

2.3.2成本模型 12

2.3.3 ESR模型 13

2.3.4热阻模型 15

2.3.5寿命模型 16

2.4本章小结 17

第3章 多目标优化设计 19

3.1多目标优化原理 19

3.2多目标优化设计 21

3.2.1系统给定与设计要求 21

3.2.2设计思路 22

3.3本章小结 24

第4章 光伏逆变器中DC-Link电容模组设计与仿真 25

4.1设计要求 25

4.2 DC-Link电容选型 26

4.2.1电容容值 26

4.2.2纹波电流 26

4.3仿真结果 26

4.4本章小结 30

第5章 结论与展望 31

5.1研究结论 31

5.2研究展望 31

致谢 33

参考文献 34

第1章 绪论

1.1研究背景

近年来，“节能减排”、“开发绿色新能源”已成为我国长期发展的基本国策。在我国绿色能源产业发展的推动下，作为电能变换的关键环节----电力电子技术已迅速发展成为建设节约型社会、促进国民经济发展、践行创新驱动发展战略的重要支撑技术之一。如今高性能功率变换器系统的发展趋势和要求是体积小、重量轻、效率高、成本低以及可靠性高。其对电力电子变换器中体积大、可靠性低的DC-Link电容提出了高性能的需求。

目前使用最为广泛的解决方案是使用电解电容来组成DC-Link电容，因为电解电容具有容值大和体积小等优良性能，它能够很好的抑制在DC-Link阻抗上产生的高幅值脉动电压，然而使用电解电容将会缩短电容模组的使用寿命，在电解电容的使用过程中，其内部的ESR（等效串联电阻）会产生较高热量，导致电解液蒸发，从而进一步使得ESR增大，这样一来就会形成正反馈，使得电容模组寿命大幅缩短。

而现在更多的趋势是采用薄膜电容替代电解电容来组成DC-Link电容，薄膜电容具有比电解电容更长的使用寿命并且在耐压和通流能力上也比电解电容有大幅度的提升，但是薄膜电容的体积巨大并且价格十分昂贵。

并且不同用户对DC-Link电容模组的解决方案提出了不同的性能需求：例如实验室需求功能最优；航空航海领域追求体积最小和可靠性最高；通讯行业在意体积、效率和可靠性；家庭用户更在意成本；工业应用期望各方面适中等等，那么这就需要我们先要给出一个DC-Link电容模组设计方案，并且针对于不同的用户要求给出相对应的多目标优化设计方案。同时随着电力电子设备在国民经济各个领域中的广泛应用，用户对其体积、成本、使用寿命等方面的要求于其本身较差性能之间的矛盾日益尖锐，因此有必要从DC-Link电容的材料特性和工作机理出发，针对其体积、成本、使用寿命以及模块化设计等进行深入研究，构建DC-Link电容模组，优化DC-Link电容模组的设计，以适应高速发展的功率器件和功率变换技术。高性能DC-Link电容模组的选型与优化设计有助于推动高性能功率变换技术的发展，促进电力电子技术在国民经济的发展中做出更大贡献。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

本研究所主要解决的两大问题就是DC-Link电容模组的设计以及针对DC-Link电容模组的多目标优化，对于DC-Link电容模组的设计这一问题，目前，国外已经有文献对将薄膜电容和铝电解电容进行混合来构成更优的混合型电容模组这方面进行研究，在文献[7]中就提出了传统的DC-Link电容模组是利用电解电容来实现，但是由于电解电容的低电流能力以及较大的ESR导致其使用寿命较短，而在这篇论文中提出通过在铝电解电容组旁并联薄膜电容来解决这个问题，因为薄膜电容器具有较高的电流额定值和更小的ESR并且薄膜电容的耐压能力更强，这样一来可以显著减少电解电容组的功耗，从而延长使用寿命。而在文献[8]和[9]中，就以电解电容和薄膜电容的混合组来组成DC-Link电容模组，并针对混合模组的可靠性提出了优化设计方案，最后通过仿真软件来验证此设计方案的有效性。在文献[10]中同样也是提出利用混合模组来构成DC-Link电容模组，不过不同之处在于这篇文章中所采用的是将陶瓷电容和电解电容混合，并通过仿真软件得到数值结果验证了该方法的有效性，表明正确选择旁路陶瓷电容有助于减小滤波用电解电容的尺寸。其中陶瓷电容的主要作用是吸收整个滤波电容器上存在的电流不连续性。因此从国外的一些文献中可以看出目前国外对DC-Link电容模组的研究要更加超前，国外的很多研究中DC-Link电容模组已经不是采用单一种类电容来构成电容模组，而是采用混合模组的形式，例如电解电容搭配薄膜电容或者是电解电容搭配陶瓷电容，通过构成这种混合模组的方式可以有效的吸收两种电容的优点同时弥补单一电容的不足点。

而对于针对DC-Link电容模组的多目标优化这一问题，由于各种环境、各类用户对无源电容模组性能的需求不同，所以需要建立相应的性能模型。文献[12]中通过拟合电流断续下滤波器中的电容体积与电容值及耐压的曲线关系，结合电容数据库中的重要参数（容值、耐压、耐流、耐纹波电流）得到量化关系，建立电容模组的体积功率密度模型。文献[13]中拟合出电解电容、薄膜电容成本和电容纹波电流及耐压的曲线图，构造了电容的成本模型。电容的可靠性和寿命与效率、成本有很大的关系，电容老化会导致电容值退化^[17] ，ESR、ESL（等效寄生电感）的温度频率特性会极大的影响到电容的损耗、可靠性与寿命，直接决定了整个电力电子装置的设计成本以及维护成本。文献[18][19]基于电力电子系统长期运行工况，从电容的老化以及失效机理出发，结合电容的电、热特性等，对电容可靠性和寿命进行研究，建立电容可靠性模型^[17] 以及考虑可靠性的成本模型^[18] 。从文献[17] -[19] 可以看出，关于电容模组的效率模型、功率密度模型、可靠性模型以及成本模型都受到了国外学者的广泛关注。文献[19]针对谷歌小盒挑战中设计的变换器，使用ηρ-Pareto优化评估方法，通过数学分析得到高功率密度变换器效率和功率密度之间的曲线关系，并提出效率和功率密度为目标的优化设计流程图。文献[20]使用了同样的优化评估方法，针对最紧凑型（功率密度最优）、最大效率对单相逆变器对不同的方案进行了对比和优化设计。文献[21]在前者的基础上又进一步结合DC-Link电容的散热设计，对包含散热装置的DC-Link电容模块进行了优化设计。文献[19]-[21]针对变换器进行两目标的性能评估方法、优化设计流程以及三目标优化设计方法，对高性能DC-Link电容模组方案中效率-功率密度-可靠性等多目标优化设计有巨大借鉴意义。

作为电力电子装置中的重要环节，DC-Link电容模组的效率、功率密度、可靠性以及成本之间的关系是相互耦合相互制约甚至有一定的矛盾，所以不论是从理论还是工程上，有必要从DC-Link电容模组的材料特性、工作机理以及失效机理出发，精确的量化影响DC-Link性能的各因素，建立DC-Link电容模组可靠性评估模型、建立考虑可靠性的成本模型、功率密度模型等，进行多性能分析，针对客户需求进行电容模组的多目标优化设计。其将推动高性能DC-Link电容模组的推广以满足客户各种需求，促进电力电子技术模块化及高品质因数发展。

1.2.2国内研究现状

对于DC-Link电容模组的设计问题，目前国内的相关研究相对较少，更多的解决方案是利用单一种类电容来构成DC-Link电容模组，在文献[1-6]中，对铝电解电容和薄膜电容进行了对比分析，指出作为直流支撑滤波用电容，DC-Link电容早期考虑到成本及尺寸因素大部分选择电解电容。然而电解电容受到耐压能力和电流承受能力等因素的影响，为了获得大容量和满足高压使用要求，则必须要用多个电解电容进行串、并联，并且由于电解电容的ESR较大，电解电容在使用中的功率损耗较大，导致其使用寿命较短。而随着金属化镀膜技术以及薄膜电容技术的发展，薄膜电容以其相比于电解电容更好的性能、更长久的寿命以及更佳的经济性，在要求工作电压高、承受高纹波电流、有过电压要求、有电压反向现象、处理高冲击电流以及长寿命要求的电路设计中，选择薄膜电容来替代电解电容已经成为设计者今后选择设计的一种趋势。

但是在这些文献中，对于薄膜电容的低容值、体积大和成本高等缺点并没有加以研究，而如果在要求高容值的场合下，薄膜电容器的解决方案的竞争力就会大大减弱，因而在国内对于DC-Link电容模组的解决方案大多数是以电解电容或者薄膜电容来构成，而针对将两者混合形成混合模组的解决方案并没有太多研究，例如文献[5]中对两种大型电力电容分别采用薄膜电容与电解电容两种方案进行了设计，第一个示例是49单台电容，文中所采用的两种方案分别是单台容值49的支撑薄膜电容和采用3串32并方式的4700的电解电容，第二个示例是4台40大型电力电容设计，文中采用的两种方案分别是4台40的薄膜电容和采用48并3串方式的10的铝电解电容，然后分别对这些方案进行体积、重量、寿命和可靠性等方面的比较，最后得出相应的结论。但同样没有提出第三种解决方案——将铝电解电容和薄膜电容结合形成混合型组，而国内对这种方案的研究也相对较少。

1.3研究内容及章节安排

本文研究的基本内容为理解铝电解电容、薄膜电容的电-热-磁特性，建立铝电解电容和薄膜电容的体积、成本、损耗等数学模型，并考虑不同的电容在电容模组中所占的比例以及它们的串并联数量，编写程序对电容模组进行多目标优化，最后使用仿真软件对程序进行仿真验证。

本论文主要结构和研究内容如下：

第一章是研究的开头，主要阐述了研究的目的和意义，以及调研了目前关于本题的国内外研究现状，给出了本文的研究内容。

第二章是对研究对象——DC-Link电容进行介绍，并对铝电解电容和薄膜电容这两种电容的特性进行对比分析，总结各自的优缺点，进而给出DC-Link电容模组的解决方案，再分别对铝电解电容和薄膜电容的体积、成本、ESR、热阻和寿命模型进行研究，通过厂家给定的数据构造数据库并利用Matlab进行曲线拟合来得到相应的模型，从而为后面的多目标优化设计中的编写程序打下基础。

第三章是对多目标优化进行研究，介绍了多目标优化的原理，再将其应用到DC-Link电容的设计中，提出了DC-Link电容模组多目标优化的设计思路。

第四章是进行实例分析，首先给出了实例的应用背景，即这个DC-Link电容是用在什么具体场合下的，然后进行系统所需参数的计算，再通过设计流程来编写Matlab程序，最后进行仿真验证，得到仿真结果。

第五章是通过上一章的仿真结果并结合理论结果来给出相应的研究结论，说明了在铝电解电容组中混入一定比例的薄膜电容对于DC-Link电容模组的使用寿命会有显著提升，但同时也会增加电容模组的体积大小以及经济成本，并同时指出了文章中的不足之处，由不足之处提出了需要完善的工作，也即本研究的展望。

第2章 DC-Link电容模组分析及各类模型的建立

2.1 DC-Link电容

2.1.1 DC-Link电容简介

直流电作为逆变器的供电电源时，直流电源需要通过直流母线与逆变器连接，这种供电方式也被称为DC-Link。由于逆变器需要DC-Link获取有效值和幅值很高的脉动电流，在DC-Link上产生很高的脉动电压使得逆变器难以承受。为此，需要对DC-Link进行支撑，以平衡输入源和输出负载之间的瞬时功率差，并最大限度地降低直流链路中的电压变化来保证DC-Link的供电质量。而在大多数情况下，支撑DC-Link的元件是电容器，因而称之为DC-Link电容。下图显示了带有DC-Link电容的电力电子转换系统的典型配置。这些配置涵盖广泛的电力电子应用，例如风力涡轮机、光伏系统、电动机驱动、电动车辆和照明系统。具体DC-Link电容示意图如图2.1所示：

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