光伏箱式逆變器的散熱分析

李亮亮，于江濤，馬新科，李慧云

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州450015；2.安陽工學(xué)院，河南安陽455000；3.河南省城市交通規(guī)劃研究中心，鄭州450044）

0 引言

光伏箱式逆變器是將光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所需的交直流配電、逆變和監(jiān)控通訊等設(shè)備集中安裝在一個(gè)特種封閉集裝箱內(nèi)，完成光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸功能的裝置。光伏箱式逆變器因其成本低、安裝調(diào)試簡單、外形美觀、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏并網(wǎng)逆變器中發(fā)揮重要作用的主功率模塊IGBT的熱耗是最大的，約10﹪的有功功率轉(zhuǎn)化為耗散功率，尤其是在集裝箱內(nèi)這種多臺(tái)設(shè)備緊湊布置且空間相對(duì)狹小的環(huán)境中這部分熱量會(huì)使IGBT模塊中的二極管芯結(jié)溫升高，系統(tǒng)可靠性降低，甚至導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)或燒毀。因此應(yīng)對(duì)集裝箱及逆變器采取良好的通風(fēng)散熱措施，即使是在西北夏季最高氣溫下也能使集裝箱內(nèi)溫度保持在適宜的范圍內(nèi)。

圖1 集裝箱外觀及內(nèi)部布局圖

1 理論基礎(chǔ)及仿真

ansys icepak是一款強(qiáng)大的三維CFD軟件，可以解決機(jī)房等環(huán)境級(jí)的熱分析。CFD仿真軟件的基本思想是從用戶需求角度出發(fā)，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問題。熱設(shè)計(jì)問題本質(zhì)在于定量描述熱現(xiàn)象，IGBT模塊的散熱設(shè)計(jì)可通過湍流模型描述。CFD仿真基本理論為：IGBT的散熱設(shè)計(jì)屬于不可壓縮、常物性、無內(nèi)熱源的三維對(duì)流傳熱問題，結(jié)合傳熱學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)基本理論，得出描述該問題的微分方程組[1]。

質(zhì)量守恒方程為

動(dòng)量守恒方程為

能量守恒方程為

動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒方程是描寫粘性流體過程的控制方程，適用于不可壓縮粘性流體的層流及紊流流動(dòng)。

集裝箱內(nèi)逆變器、直流柜、通訊柜采用雙排布置模式，配電箱壁掛在集裝箱墻壁上，集裝箱采用底進(jìn)風(fēng)上出風(fēng)的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱模式。

光伏箱式逆變器的物理模型參數(shù)說明如下：1）環(huán)境溫度為某地區(qū)七月份最高氣溫45℃，大氣壓909hPa，氣流狀態(tài)為紊流，系統(tǒng)求解的迭代次數(shù)為200次。2）集裝箱尺寸為長4000mm×寬2700mm×高2896 mm，逆變器IGBT模塊360mm×215mm×152 mm，電抗器652mm×658mm×400 mm。由于功耗器件集成度較高，且主要熱源IGBT熱耗分布較均勻，工程仿真熱模型采用均勻體積熱源等效實(shí)際熱源。在集裝箱前面和后面的門頁下端共安裝有6扇600mm×800mm的帶有防塵網(wǎng)的百葉窗側(cè)面進(jìn)風(fēng)，其凈進(jìn)風(fēng)面積系數(shù)為0.7；在集裝箱地面上鋪設(shè)有菱形花紋鋼板底部進(jìn)風(fēng)。在直流柜、逆變器頂部安裝有獨(dú)立風(fēng)道將熱量直接引出集裝箱外。風(fēng)道設(shè)計(jì)依據(jù)考慮逆變器-風(fēng)道、集裝箱壁-風(fēng)道的空間接口尺寸，截面形狀接近于正方形，拐角處采用圓角光滑過渡，以降低風(fēng)道壓損。

在集裝箱的左右墻壁上內(nèi)嵌有4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)以排出設(shè)備外循環(huán)熱量，風(fēng)機(jī)型號(hào)為EBM公司的W2E200-HK38-01，風(fēng)機(jī)排風(fēng)量最大為800 m3/h。風(fēng)機(jī)特性曲線如圖2所示。風(fēng)機(jī)風(fēng)量的確定公式

式中，Qf—強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)所需提供的風(fēng)量；Q—耗散功率，W；Cp—空氣比熱，J/(kg·℃)；ρ—空氣密度，kg/m3；ΔT—進(jìn)出口處空氣的溫差。3）彩鋼巖棉保溫板的傳熱系數(shù)為0.04 W/（m·k），設(shè)備柜壁受太陽輻射吸收熱量而使柜壁溫度相對(duì)于環(huán)境溫度身高，為模擬太陽輻射效應(yīng)，把icepak根據(jù)時(shí)區(qū)月份、日期、和經(jīng)緯度計(jì)算得到的太陽輻射熱流值143W/m2作為邊界條件施加在集裝箱壁面上。

圖2 軸流風(fēng)機(jī)特性曲線

圖3 熱仿真物理模型

圖4 IGBT模塊溫度仿真結(jié)果截面圖

圖5流場仿真結(jié)果圖

圖4中IGBT模塊的管芯溫度是100.97℃，低于廠家提供的允許結(jié)溫155℃，滿足使用要求。但是這需要待到該地區(qū)夏天最高氣溫到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試才能驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的誤差。

從圖5可以看出大的氣流速度出現(xiàn)在逆變器、直流柜專門通風(fēng)管道的出風(fēng)口，較低速度出現(xiàn)在散熱器翅片之間。接近正方形的矩形通風(fēng)管道取得較大的空氣輸送能力，流阻較小，在流場中無死區(qū)、回流現(xiàn)象，滿足系統(tǒng)散熱效果。風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)為0.23m3/s，50Pa，可見軸流風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)位于風(fēng)量大、壓降小的右部分區(qū)域，避開了中間部分的不穩(wěn)定區(qū)域[2]，基本滿足應(yīng)用要求。

表1 關(guān)鍵功耗器件熱參數(shù)

2 結(jié)論

對(duì)于環(huán)境級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)、元件級(jí)的散熱分析問題，采用基于Ansys Icepak的分析能夠較準(zhǔn)確評(píng)估在實(shí)際運(yùn)行中的溫度、流場、風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)等，對(duì)該通風(fēng)散熱方案在某地區(qū)夏季高氣溫下，系統(tǒng)電力電子設(shè)備能否正常運(yùn)行給予可靠的參考信息。可有效指導(dǎo)后續(xù)的光伏箱式逆變器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為進(jìn)一步提升該產(chǎn)品的熱適應(yīng)性奠定良好基礎(chǔ)。

[1]楊雄鵬.基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2013,47（3）：54-56.

[2]苗力.軸流風(fēng)機(jī)機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].發(fā)電與空調(diào)，2012.