MLCC для хранения фотоэлектрической энергии. Генерация новой энергии. Высоковольтное постоянное напряжение, устойчивое к атмосферным воздействиям на открытом воздухе.

MLCC для хранения фотоэлектрической энергии и производства новой энергии: устойчивость к высокому напряжению постоянного тока, устойчивость к атмосферным воздействиям на открытом воздухе, долговременная стабильность смещения, подавление PID и комплексные решения по выбору оборудования

Компания: Dongguan Musen Laidun Electronic Technology Co., Ltd.

Хранение фотоэлектрической энергии MLCC, Новая энергия MLCC, Высоковольтный постоянный ток MLCC, Длительный срок службы MLCC, Устойчивый к атмосферным воздействиям конденсатор, подавление затухания смещения, Защита от сбоев ПИД, Инвертор MLCC, Надежность источника питания для хранения энергии

Му Сен Введение

Фотоэлектрические системы, системы хранения энергии и новые инверторные системы относятся к числу самых суровых сценариев применения в области силовой электроники. В отличие от обычного бытового и промышленного оборудования управления, новые энергетические устройства работают в экстремальных условиях окружающей среды, включая переменную высокую и низкую температуру, солевой туман с высокой влажностью, длительное смещение высокого напряжения постоянного тока, непрерывную мощную нагрузку, циклический пуск-стоп день-ночь. Общий срок службы конструкции обычно должен составлять 10–25 лет, что намного превышает срок службы обычных электронных продуктов, что предъявляет чрезвычайные требования к долгосрочной стабильности MLCC, устойчивости к воздействию окружающей среды и устойчивости к старению.

Согласно статистике отказов на местах в отрасли, 42% групповых неисправностей фотоэлектрических инверторов, систем хранения энергии, зарядных батарей, объединительных коробок и другого оборудования после 3–5 лет эксплуатации вызваны затуханием параметров MLCC, скрытыми трещинами, ухудшением изоляции и отказом смещения. Большинство групп исследований и разработок в области новой энергетики следуют традиционной логике выбора MLCC промышленного управления, игнорируя эксклюзивные механизмы отказа, уникальные для новой энергетики, такие как долговременное старение под высоким напряжением постоянного тока, стресс от теплового цикла на открытом воздухе, миграция влажных ионов и затухание, вызванное потенциалом ФИД, что приводит к простою периодического оборудования в середине и более позднем периоде обслуживания, снижению эффективности выработки электроэнергии и резкому увеличению затрат на послепродажную эксплуатацию и техническое обслуживание.

Вслед за полной серией системы технической документации MLCC, этот технический документ посвящен сценариям оборудования всей промышленной цепочки хранения фотоэлектрической энергии, разбирает восемь эксклюзивных механизмов отказа MLCC для новой энергии, сравнивает основные различия между традиционным промышленным контролем MLCC и новым MLCC энергетического класса, устанавливает дифференцированные стандарты выбора для четырех сценариев, включая инверторы, системы хранения энергии, фотоэлектрические модули и зарядные батареи, разрабатывает основные схемы проектирования для снижения номинальных характеристик высокого напряжения, подавления затухания смещения, устойчивости к атмосферным воздействиям на открытом воздухе и PID защиты и поддерживает измеренные случаи исправления, стандартизированные проектные спецификации и реализуемые контрольные списки. Он комплексно решает скрытые опасности долговременной надежности MLCC в новом энергетическом оборудовании и обеспечивает стабильную работу оборудования на протяжении всего жизненного цикла.

1. Экстремальные условия работы фотоэлектрического накопителя энергии и основные проблемы MLCC

1.1 Четыре тяжелых режима работы нового энергетического оборудования

1. Долговременное высоковольтное смещение постоянного тока: напряжение фотоэлектрической шины постоянного тока достигает 400–1500 В, а низковольтные вспомогательные цепи также круглый год находятся под полным напряжением смещения. MLCC постоянно подвергается воздействию постоянного электрического поля, что ускоряет старение диэлектрика и ослабление емкости.
2. Переменная окружающая среда с широкими температурами: рабочая температура наружного оборудования составляет -40℃~85℃ с резкой разницей температур между днем ​​и ночью и в четыре сезона. Повторяющиеся температурные циклы вызывают термическое напряжение, вызывающее микротрещины на керамическом корпусе и усталостное отслаивание электродов.
3. Высокая влажность и коррозионная среда солевого тумана: фотоэлектрические электростанции в горных, прибрежных и пустынных районах страдают от высокой влажности, солевых брызг и загрязнения пылью, которые легко вызывают коррозию концевых электродов MLCC, миграцию ионов и утечку изоляции.
4. Длительный срок службы при непрерывной работе: фотоэлектрические электростанции рассчитаны на 25-летний срок службы, а оборудование для хранения энергии — на 15 лет. Оборудование обеспечивает непрерывный старт-стоп и работу под нагрузкой без периода простоя, что требует чрезвычайно высокой устойчивости к старению компонентов.

1.2 Основные недостатки обычного MLCC в сценариях новой энергетики

• Обычный диэлектрик X7R испытывает сильное затухание смещения постоянного тока, при этом затухание емкости превышает 30% через 1–3 года при полной нагрузке, что приводит к серьезному отказу в работе фильтрации и стабилизации напряжения;
• Обычная технология клемм имеет слабую устойчивость к соляному туману и серной коррозии, а коррозия электродов в разомкнутой цепи легко возникает в течение 3 лет на открытом воздухе;
• Обычные упаковки обладают плохой устойчивостью к термическим нагрузкам, а после частых температурных циклов появляются скрытые микротрещины, вызывающие периодические утечки тока и поломки;
• Обычный MLCC не имеет возможности подавления ПИД-регулятора, и параметры постоянно дрейфуют под воздействием высокого напряжения, что приводит к ежегодному снижению общей эффективности выработки электроэнергии.

2. Восемь основных механизмов отказа MLCC в сценариях хранения фотоэлектрической энергии.

2.1 Ослабление емкости смещения постоянного тока (наиболее частый отказ, доля 35%)

Новое энергетическое оборудование длительное время работает под полным напряжением и перенапряжением. Для диэлектрика MLCC класса II (X7R/X5R) поляризация доменов имеет тенденцию стабилизироваться в постоянном постоянном электрическом поле, а доступная емкость продолжает уменьшаться. После 2 лет работы при полной нагрузке затухание емкости обычного промышленного контроллера MLCC может достигать 25–40%, что напрямую приводит к увеличению пульсаций шины, сбою стабилизации напряжения и чрезмерным гармоникам инверторов, подключенных к сети. Это основная причина ухудшения производительности нового энергетического оборудования в середине и поздних периодах эксплуатации.

2.2 Ослабление, вызванное потенциалом ПИД (исключительный отказ фотоэлектрической системы)

Высоковольтный плавающий потенциал фотоэлектрических модулей и инверторов будет оказывать постоянное индукционное воздействие на MLCC, вызывая миграцию ионов внутри диэлектрика, что приводит к постоянному дрейфу емкости и падению сопротивления изоляции. В отличие от обычного старения, отказ ПИД является необратимым и постоянным, что напрямую приводит к ежегодному снижению общей эффективности выработки электроэнергии и становится скрытой основной опасностью для наружных фотоэлектрических электростанций.

2.3 Растрескивание под напряжением при термическом цикле на открытом воздухе (доля 20 %)

Разница температур между днем ​​и ночью, зимой и летом чрезвычайно велика для уличного оборудования. Непостоянные коэффициенты теплового расширения керамического корпуса MLCC, электродов и печатных плат создают периодическое тепловое напряжение в результате повторяющихся температурных циклов, постепенно вызывая скрытые микротрещины на керамическом корпусе. На ранней стадии нет явных аномальных проявлений, только случайные утечки тока и аномальная пульсация. На более поздней стадии расширение трещины напрямую приводит к короткому замыканию или обрыву цепи и остановке оборудования.

2.4 Коррозия электродов из солевого тумана при высокой влажности (высокая распространенность на прибрежных и горных электростанциях)

Соляные брызги на берегу моря, горная влажность и конденсат дождя проникают в оборудование и ускоряют электрохимическую коррозию концевых электродов MLCC вместе с высоковольтным электрическим полем шины. Слой никеля обычной трехслойной клеммы MLCC имеет микропоры, и ионы влаги и соли проникают в покрытие и разъедают слой серебра, постепенно вызывая почернение электрода, увеличение контактного сопротивления и, наконец, полное размыкание цепи, что приводит к групповым неисправностям инверторов и сумматорных коробок.

2.5. Долговременное высокотемпературное старение

Силовые устройства хранения энергии PCS и инверторы выделяют сильный нагрев, а внутренняя часть оборудования круглый год находится в условиях высокой температуры 60℃~80℃. В сочетании с постоянным током нагрузки скорость старения диэлектрика MLCC увеличивается, характеристики изоляции продолжают снижаться, ток утечки постепенно возрастает и, наконец, срабатывает защита от перегрузки по току, и оборудование отключается.

2.6. Высокочастотные резонансные помехи переключения

Новые схемы инверторов энергии и схемы прерывателей ШИМ работают с высокочастотным переключением. Несовпадающие параметры ESL обычного MLCC легко генерируют высокочастотные резонансные всплески, усиливают шум переключения, приводят к чрезмерной ЭМС и дополнительному нагреву силовых устройств, а также влияют на общую эффективность преобразования.

2.7 Отказ от пробоя импульса перенапряжения

Часто происходят колебания внешней электросети, грозовые перенапряжения и импульсы старт-стоп. Обычный MLCC имеет недостаточный запас прочности по переходному напряжению и не способен противостоять импульсным воздействиям. Диэлектрик постепенно разрушается под действием повторяющихся импульсных ударов высокого напряжения и, наконец, выходит из строя и вызывает короткое замыкание, повреждая силовую цепь.

2.8. Ошибка дрейфа параметров при низкой температуре.

Низкая температура северной зимой составляет всего -40 ℃, а емкость обычного диэлектрика X7R сильно ослабляется при низкой температуре, что приводит к сбою фильтрации, нестабильному напряжению и сбою нормального запуска оборудования, подключенного к сети, во время низкотемпературного запуска.

3. Сравнение основных параметров MLCC нового энергетического класса и обычного промышленного управления MLCC

4. Стандарты дифференцированного выбора для четырехъядерных сценариев хранения фотоэлектрической энергии

4.1 Сценарий фотоэлектрического инвертора, подключенного к сети

Основные условия работы: высоковольтная шина постоянного тока, высокочастотное ШИМ-переключение, работа на открытом воздухе в широком диапазоне температур, длительная работа при полной нагрузке.

Обязательные характеристики выбора:

• Схема фильтрации шины: отдайте предпочтение новому источнику энергии X8R MLCC с длительным сроком службы и снижением напряжения в ≥3 раза, чтобы исключить затухание смещения;
• Схема выборки и опорного напряжения: Обязательное использование высокоточного MLCC с малым дрейфом C0G, чтобы избежать ненормальной точности подключения к сети, вызванной дрейфом параметров;
• Высокочастотная схема поглощения: используется небольшой корпус C0G с низким ESL для подавления высокочастотного резонанса и шума переключения;
• Во всех моделях для наружного применения используются клеммы, устойчивые к воздействию серы и солевого тумана, чтобы исключить коррозию электродов в разомкнутой цепи.

4.2 Сценарий системы хранения энергии и кластерной системы батарей

Основные рабочие условия: двунаправленная зарядка и разрядка, циклический запуск-стоп день-ночь, непрерывная нагрузка высокой мощности, высокотемпературная среда в закрытом шкафу.

Обязательные характеристики выбора:

• Двунаправленная инверторная фильтрация: используется диэлектрик X8R с устойчивостью к циклическим нагрузкам, чтобы выдерживать частые нагрузки при зарядке и разрядке;
• Схема отбора проб BMS: 100% диэлектрик C0G для обеспечения долгосрочной точной выборки напряжения и температуры батареи;
• Схема хранения высоковольтной энергии: снижение напряжения более чем в 3,5 раза для устранения высокотемпературного старения;
• Специальный MLCC, устойчивый к эндогенной серной коррозии, для закрытых шкафов, позволяющий избежать хронического разрыва цепи, вызванного выделением серы из вспомогательных материалов.

4.3 Сценарий электронного управления фотоэлектрическим объединительным блоком и модулем

Основные условия работы: полностью открытое помещение, высокая влажность и соляные брызги, экстремальная разница температур, длительная работа без присмотра.

Обязательные характеристики выбора:

• X5R/X7R запрещены для всех цепей, и повсеместно применяется устойчивый к атмосферным воздействиям диэлектрик X8R;
• Все они оснащены утолщенными никелевыми антикоррозийными клеммами с герметизацией краев, прошедшими 240-часовое испытание в солевом тумане;
• Высоконадежный C0G выбран для схем защиты сигналов, чтобы противостоять сильным внешним помехам;
• Улучшите адаптацию к низким температурам, чтобы обеспечить стабильный запуск при низких температурах при -40 ℃.

4.4 Сценарий «Новая энергетическая зарядка»

Основные условия работы: частые старт-стоп, множественные импульсы перенапряжения, большие колебания напряжения, высокочастотное переключение высокой мощности.

Обязательные характеристики выбора:

• Входная фильтрация электромагнитных помех: градиентное согласование высоких и низких частот, комбинация C0G с низким ESL + долговечный X8R для предотвращения резонансных помех;
• Схема высоковольтного выпрямителя: импульсное напряжение высокого напряжения типа MLCC, позволяющее выдерживать частые скачки напряжения;
• Схема управляющего сигнала: высокоточный C0G для обеспечения точного и стабильного измерения зарядки и контроля температуры;
• Все наружные зарядные сваи имеют антикоррозионную обработку, позволяющую адаптироваться к дождю, снегу и солевым туманам.

5. Четыре основные схемы защиты конструкции для новой энергетики MLCC

5.1 Схема защиты от снижения номинальных характеристик высокого напряжения (устранение старения)

Использование полного напряжения или перенапряжения запрещено для новых энергетических высоковольтных цепей, и применяется самый высокий в отрасли стандарт снижения номинальных характеристик:

• Обычная низковольтная вспомогательная цепь: снижение напряжения в ≥2,5 раза;
• Высоковольтная цепь шины постоянного тока: снижение напряжения в ≥3 раза;
• Наружное необслуживаемое оборудование и схема импульсного воздействия: снижение напряжения в ≥3,5 раза;
• Смешивание высокого и низкого напряжения в одной партии запрещено во избежание выхода партии из строя из-за недостаточного запаса выдерживаемого напряжения.

5.2 Схема ослабления смещения и подавления ПИД-регулятора

• Полностью заменить традиционный X7R на долговечный диэлектрик X8R для основных силовых цепей, чтобы значительно снизить затухание смещения постоянного тока;
• Выберите MLCC со специальным модифицированным процессом PID для областей с плавающим потенциалом высокого напряжения для подавления миграции ионов и дрейфа параметров;
• Надлежащим образом увеличьте емкость ключевых схем фильтрации, чтобы зарезервировать запас на долгосрочное затухание старения и обеспечить стабильную работу на протяжении всего жизненного цикла.

5.3 Устойчивость к атмосферным воздействиям на открытом воздухе и схема защиты от коррозии

• Равномерно использовать утолщенные никелевые клеммы с герметизацией по краям, устойчивые к сере и солевому туману, для прибрежных и горных электростанций для блокировки микропор покрытия;
• Используйте вспомогательные материалы с низким содержанием серы и флюс, не содержащий серы, для всей машины, чтобы устранить скрытую опасность эндогенной серной коррозии;
• Печатная плата покрыта специальным конформным покрытием высокой плотности для наружного применения, защищающим от проникновения влаги, солевых брызг и пыли;
• Добавьте к конструкции водонепроницаемую и дышащую мембрану, чтобы сбалансировать внутреннее и внешнее давление воздуха и уменьшить образование конденсата.

5.4 Схема защиты от растрескивания при термическом напряжении

• Малый корпус MLCC предпочтителен в зонах обогрева с высокой мощностью, чтобы уменьшить разницу в согласовании термических напряжений;
• Держите MLCC вдали от источников сильного тепла, таких как МОП-трубки, трансформаторы и катушки индуктивности, на расстоянии ≥5 мм;
• Оптимизировать конструкцию рассеивания тепла на печатной плате, чтобы избежать локального накопления высокой температуры и уменьшить амплитуду напряжения термического цикла;
• Новые продукты должны пройти 1000-кратное испытание на температурный цикл -40℃~125℃, чтобы исключить скрытый риск растрескивания.

6. Типичные случаи устранения неисправностей на месте

Случай 1: снижение эффективности наружного фотоэлектрического инвертора на 12% через 3 года (типичный случай ПИД + затухание смещения)

Явление неисправности: после 3 лет эксплуатации наружного фотоэлектрического инвертора общая эффективность выработки электроэнергии снижается из года в год, гармоники, связанные с сетью, превышают стандарт, и не срабатывает сигнализация о повреждении оборудования.

Местоположение основной причины: для фильтрации шины используется обычный X7R MLCC, с затуханием емкости на 38 % при длительном высоковольтном смещении, на которое накладывается дрейф параметров, вызванный индукцией потенциала ПИД, что приводит к резкому снижению эффективности фильтрации.

Схема исправления: все заменено на новый энергосберегающий специальный долговечный X8R MLCC, модернизирован процесс подавления ПИД-регулятора, а снижение напряжения увеличено в 3 раза.

Результат устранения: Общие гармоники возвращаются к установленному стандарту, эффективность выработки электроэнергии восстанавливается до заводского стандарта, затухания не наблюдается после повторного испытания на старение в течение 1000 часов.

Случай 2: Разомкнутая цепь MLCC в прибрежном шкафу хранения энергии (типичный случай коррозии из-за солевого тумана)

Явление неисправности: После 2 лет эксплуатации береговой аккумулирующей электростанции время от времени отключалось несколько устройств АСУТП. При разборке видно большое количество почерневших и разомкнутых клемм MLCC.

Местоположение основной причины: Обычная трехслойная клемма MLCC недостаточно устойчива к солевому туману. Высокая влага соляных брызг проникает на морское побережье и разъедает серебряный слой контактных электродов, вызывая выход из строя обрыва цепи.

Схема исправления: Все модели модернизированы до утолщенного никелевого герметизированного кромки, устойчивого к солевому туману MLCC, и одновременно заменено конформное покрытие высокой плотности для наружного применения.

Результат исправления: Исправленное оборудование работает непрерывно в течение 24 месяцев без каких-либо повреждений из-за коррозии, отвечая стандартам стабильности.

Случай 3: Аномальный низкотемпературный запуск северного фотоэлектрического инвертора зимой

Явление неисправности: Холодной зимой в северных районах инвертор часто не запускается при нестабильном напряжении, хотя при комнатной температуре он работает нормально.

Местоположение основной причины: Емкость обычного диэлектрика X7R сильно снижается при температуре ниже -20℃, что приводит к сбою фильтрации при низкой температуре и чрезмерным колебаниям напряжения на шине.

Схема исправления: Замените основные фильтрующие цепи на широкотемпературный диэлектрик X8R MLCC, чтобы адаптироваться к условиям работы при низких температурах -40 ℃.

Результат устранения: Запуск в условиях низких температур происходит совершенно нормально, колебания напряжения контролируются в пределах стандартного диапазона, а проблема адаптации к низким температурам полностью решена.

Конденсаторы MP0402R225K010TAAA Mlcc

MP0603X104K050TAAA MLCC

Конденсатор MP0603X105K025TAAA Mlcc

Конденсатор MP0805X104K050TAAA Mlcc

7. Контрольный список выбора и процесса хранения фотоэлектрической энергии MLCC (непосредственно реализуемый)

Му Сен Заключение

Основной проблемой надежности нового энергетического оборудования для хранения фотоэлектрической энергии являются не кратковременные сбои при включении, а запаздывающие сбои, такие как затухание параметров, коррозия под воздействием окружающей среды, стрессовое старение и потенциальный дрейф в долгосрочных условиях работы. Стандарты проектирования обычного промышленного управления и MLCC потребительского уровня адаптируются только к краткосрочным и мягким условиям работы, которые не могут полностью удовлетворить строгие требования нового энергетического оборудования, такие как сверхдлительный срок службы 10–25 лет, экстремальные условия окружающей среды и долговременное высоковольтное смещение, и становятся основной основной причиной сбоев партий в отрасли.

Основной логикой выбора и проектирования нового энергетического MLCC является соответствие диэлектрических условий работы, снижение гарантийного срока службы, устойчивость к процессам окружающей среды и специальные технологии, замедляющие старение. Выделяя четыре сценария инвертора, накопителя энергии, объединительного блока и зарядного блока, целенаправленно выбирая специальный MLCC с долговечным диэлектриком X8R, высокоточным диэлектриком C0G, антикоррозийным терминалом и модифицированным процессом PID, в сочетании со строгим снижением напряжения и температуры, процессом наружной защиты и спецификациями компоновки печатных плат, можно фундаментально решить из источника такие отраслевые проблемы, как сбой партии, снижение эффективности и коррозия нового энергетического оборудования в середине и более позднем периоде обслуживания.

Dongguan Musen Laidun Electronic Technology Co., Ltd. недавно запускает специальную серию MLCC для хранения фотоэлектрической энергии новой энергии, охватывающую пять специальных категорий: долговечный X8R, высокоточный C0G, устойчивый к солевому туману и сере, подавление PID и устойчивость к высоковольтным импульсам. Вся серия проходит специальные новые тесты на энергетическую надежность, полностью удовлетворяя всем требованиям к наружным фотоэлектрическим системам, системам хранения энергии, зарядным батареям, объединительным коробкам и т. д. Мы можем предоставить отчеты о моделировании срока службы за 25 лет, отчеты об испытаниях экологической безопасности и услуги по отслеживанию полных партий для обеспечения долгосрочной стабильной работы нового энергетического оборудования.