組串式逆變器的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)
——無風(fēng)扇設(shè)計

國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 ■ 葛鵬江

0 引言

隨著全球煤炭、石油資源的衰竭和世界各國對環(huán)境污染的重視，太陽能等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用成為熱點。光伏逆變器作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其可靠性決定著光伏系統(tǒng)的安全運行，其中，影響光伏逆變器可靠性的重要因素之一就是逆變器的散熱性能。逆變器的核心器件對溫度比較敏感，溫度的變化會影響其開通和關(guān)斷過程，當(dāng)溫度過高時會導(dǎo)致功率開關(guān)性能衰減甚至損壞，因此逆變器的散熱方案優(yōu)劣決定著產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

近年來，組串式逆變器在地面電站中得到了廣泛應(yīng)用。相比集中式方案，組串式更有明顯優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾點：發(fā)電量高、占地面積小、無需機房、運行可靠、維護方便簡單，現(xiàn)已成為大型地面電站應(yīng)用的趨勢。

光伏電站一般選在沙漠、高原等陽光充足的地方，這些區(qū)域冬季溫度極低、夏季溫度非常高，風(fēng)沙大、海拔高、光照強，有些站點甚至位于海邊，腐蝕性強。在這些應(yīng)用場景中，組串式逆變器通過掛墻、掛光伏板支架或掛獨立安裝架等方式直接暴露在室外，外部部件被雨水、沙塵腐蝕和老化風(fēng)險嚴(yán)重。如何做到既能適應(yīng)惡劣環(huán)境，又能滿足逆變器的散熱，成為大家最關(guān)心的問題。

1 組串式逆變器常用散熱方式及問題

逆變器散熱主要有自然散熱和風(fēng)冷散熱兩種方式。行業(yè)廠商普遍采用通過組串式逆變器外部增加風(fēng)扇，提升散熱能力這種方式散熱。但組串式逆變器應(yīng)用環(huán)境較差，其對外部風(fēng)扇的防護性能要求較高。任何風(fēng)扇都屬于易損部件，轉(zhuǎn)動會有磨損，且不會絕對防塵。惡劣的外部環(huán)境會加速風(fēng)扇老化，對于長達25年運營周期的光伏電站是不可用的，需要不定期更換，給光伏電站帶來無休止的麻煩。

當(dāng)前室外型風(fēng)扇防護等級一般只能達到IP54/IP55，外部有風(fēng)扇設(shè)計導(dǎo)致整體系統(tǒng)防護等級無法達到IP65。同時為了避免雨水直接沖刷風(fēng)扇，設(shè)計散熱方案時，風(fēng)道會變得很復(fù)雜，風(fēng)道形式受限，一旦風(fēng)扇失效，散熱能力衰減嚴(yán)重，使得逆變器輸出功率降額，發(fā)電量減少，嚴(yán)重影響客戶利益。更為關(guān)鍵的是，因風(fēng)扇常年暴露在雨水和沙塵中，腐蝕嚴(yán)重，壽命急劇下降，逆變器生命周期內(nèi)需要多次更換風(fēng)扇，維護成本極高。

圖1為某戶外環(huán)境電站的逆變器運行1年后，風(fēng)扇積灰和腐蝕的剖析圖，可看出，腐蝕情況非常嚴(yán)重。

圖1 某戶外電站逆變器風(fēng)扇積塵腐蝕示意圖

風(fēng)扇的失效模式與溫度關(guān)系很小，主要由風(fēng)沙、腐蝕、轉(zhuǎn)動磨損造成損壞。有外置風(fēng)扇的組串式逆變器，一般5～10年需要全部更換風(fēng)扇。那么常規(guī)的光伏電站，批量更換風(fēng)扇一次要損失多少錢呢？

以100 MW電站為例，用40 kW組串式逆變器，需2500臺；每臺逆變器4個風(fēng)扇，共10000個風(fēng)扇。風(fēng)扇成本為65元，更換人工成本為50元，總共所需成本為：

10000×(65+50)=115 萬元

若故障平均中斷時間為3 h，則風(fēng)扇故障造成的發(fā)電量損失為：

10000×40/2×3 ×0.9=54 萬元

因此，5～10年內(nèi)由于風(fēng)扇故障造成的更換成本和發(fā)電量損失共計近170萬元。

然而，對客戶最大的傷害還在于這會嚴(yán)重影響整個運維效率，運維人員將被大量浪費在無效、無價值的維護工作上。

2 組串式逆變器散熱問題的應(yīng)對解決方案

無外部風(fēng)扇設(shè)計是目前較先進的解決方案。逆變器外部無需安裝風(fēng)扇，防護等級可達到IP65，且噪聲低、可靠性高，消除因風(fēng)扇失效散熱能力衰減導(dǎo)致的功率降額，易維護、成本低。

隨著輸出功率提升和體積減小，散熱能力將是組串式逆變器設(shè)計的最大瓶頸。針對這個問題，可通過采用銅鋁復(fù)合、熱管、均溫板等強化方式減小熱阻，提升散熱器散熱能力。另一種重要方式是腔體內(nèi)部增加擾流風(fēng)扇來改善內(nèi)部熱點和提升腔體散熱能力，擾流風(fēng)扇由于在腔體內(nèi)部，不存在防護問題，即使失效，對整體散熱能力和功率影響不大。以華為逆變器為例，其散熱設(shè)計方案效果如圖2、圖3所示。

圖2 無外部風(fēng)扇，自然散熱、防沙能力強

圖3 內(nèi)部強制擾流，合理布局、消除熱點

SUN2000逆變器采用全密閉自然散熱設(shè)計，通過采用熱隔離、熱屏蔽技術(shù)，將發(fā)熱器件和熱敏感器件分腔合理布局，確保整機無局部熱點，提升散熱可靠性。防護等級可達IP65，噪聲低、可靠性高。

其散熱設(shè)計中充分考慮溫度均衡、溫差分布連續(xù)，防止內(nèi)部形成明顯的溫差，從而平衡內(nèi)部單板溫度，提高產(chǎn)品對溫變的適應(yīng)性。通過熱仿真的方法，分析散熱器、內(nèi)部功率管、PCB單板器件等的熱數(shù)據(jù)，設(shè)計中使熱平衡分配。具體的散熱設(shè)計方案如下：

1)功率電感隔離放置，減小功率腔體內(nèi)損耗，有效降低腔體內(nèi)溫度。

2)無熱級聯(lián)及低熱阻安裝技術(shù)，減少了器件與散熱面間的接觸熱阻，使熱量能夠快速到達散熱面，提高了熱量傳遞效率。

3)內(nèi)部器件高低溫分區(qū)布局設(shè)計，對不同耐溫等級的器件進行分區(qū)布局，使逆變器的溫度場與器件的耐溫等級實現(xiàn)完美匹配，逆變器內(nèi)部的空氣流動更加符合“煙囪效應(yīng)”，實現(xiàn)內(nèi)部流場分布與高低溫分區(qū)設(shè)計方案完美匹配，提高逆變器的散熱效率。

4)散熱器采用一體成型技術(shù)，散熱翅片與散熱基板間無接觸熱阻，散熱器性能穩(wěn)定，長期可靠性高。

5)采用CFD仿真技術(shù)，實現(xiàn)散熱器的齒間距、齒型及齒厚等設(shè)計參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計，合理平衡了提升散熱器性能及降低產(chǎn)品重量的矛盾，使散熱器性能在達到最佳化的同時，重量達到最輕。

通過以上散熱理念設(shè)計，再加上均熱設(shè)計技術(shù)，熱隔離、熱屏蔽技術(shù)等，實現(xiàn)了無外部風(fēng)扇，逆變器整體防護等級達到IP65，可靠性高。從西北高原重沙塵和海南海邊強腐蝕環(huán)境的長期應(yīng)用情況看，華為組串式逆變器整體可靠性和防護效果更佳，運行良好，性能穩(wěn)定。

自然散熱的方式是否能保障內(nèi)部器件的工作壽命，經(jīng)過測試，得出以下結(jié)論。

圖4 不同熱設(shè)計逆變器內(nèi)部溫度比較

1) PHOTON第三方紅外熱成像測試結(jié)果顯示，華為逆變器內(nèi)部溫度是業(yè)界自然散熱型組串型逆變器中最低的(與SMA及ABB同類產(chǎn)品相比)，甚至比業(yè)界某些風(fēng)冷逆變器組串式逆變器內(nèi)部溫度還要低(與國內(nèi)某知名廠家30 kW產(chǎn)品對比 )。

2)華為自然散熱組串式逆變器按照高溫50 ℃滿載輸出設(shè)計，而業(yè)界多數(shù)只支持高溫45 ℃滿載輸出，華為逆變器環(huán)境適應(yīng)性更強。

3)關(guān)鍵器件IGBT、鋁電解電容等壽命滿足要求。

①IGBT模塊壽命分析。華為逆變器中采用Infineon無銅底板結(jié)構(gòu)IGBT模塊，最大結(jié)溫175 ℃，實際測試高溫50 ℃滿載下最大結(jié)溫不超過125 ℃，溫度余量50 ℃。根據(jù)Infineon研究結(jié)論：無銅底板IGBT模塊失效模式主要是Bond wire失效，而造成Bond wire失效的主要原因是功率循環(huán)引起的熱應(yīng)力。

圖5 Bond wire失效示例

假設(shè)20 kW自冷逆變器高溫50 ℃額定滿載工作，每天功率由0到滿載的循環(huán)次數(shù)假設(shè)平均為20次，高溫滿載結(jié)溫按照最高125 ℃計算，則溫度最大擺幅為75 ℃；根據(jù)IGBT模塊廠家提供溫差和循環(huán)壽命次數(shù)曲線，IGBT模塊壽命評估結(jié)果大于25年。 實際氣候條件下，對于晴朗天氣，每天功率大循環(huán)次數(shù)較少，實際的情況還會優(yōu)于理論計算值。

表1 IGBT模塊壽命計算

②鋁電解電容壽命分析。鋁電解電容存在電解液干涸、氧化膜退化、橡膠塞老化等失效模式，屬于壽命衰減型器件。選取實際的熱帶、亞熱帶和溫帶典型地區(qū)典型氣候場景，理論結(jié)合實測評估華為自冷逆變器瓶頸器件電解電容壽命超過25年；考慮太陽電池板在高溫下功率還會下降，且氣候變化有云、陰、雨、雪等日照量小的天氣，日照時間比例也大都少于50%，實際情況還會優(yōu)于理想計算值。在中國海南最熱的地方，測試實際數(shù)據(jù)顯示，腔內(nèi)平均溫度在60 ℃以下，依照鋁電解電容的壽命計算方法，溫度每降10℃，壽命增加1倍。華為選用的鋁電解電容可滿足10～12萬h的工作時間，大于25年壽命。如果將冬天的情況一起匯總，平均溫度會更低。

圖6 海南某局點8月逆變器腔內(nèi)測試溫度

如表2所示，無外部風(fēng)扇的組串式逆變器，無論是防護等級和可靠性，還是防腐蝕能力，都有較明顯優(yōu)勢。

組串式逆變器由于大多在高溫、多粉塵、風(fēng)吹日曬、雨淋等惡劣的戶外應(yīng)用，如果采用強迫風(fēng)冷，風(fēng)扇極易損壞、壽命較短，頻繁更換風(fēng)扇除影響產(chǎn)品的發(fā)電量外，還會帶來昂貴的維護費用；另外，若將逆變器安裝在用戶外墻及閣樓處，強迫風(fēng)冷的噪聲易引起客戶的投訴。而采用自然散熱的產(chǎn)品，無風(fēng)扇，產(chǎn)品運行的長期可靠性高、噪聲低，所以自熱散熱、無風(fēng)扇設(shè)計成為戶外小功率逆變器的關(guān)鍵競爭力。

表2 有外部風(fēng)扇和無外部風(fēng)扇散熱方案比較

3 結(jié)論

逆變器的可靠性是一項綜合的系統(tǒng)工程。可靠性和壽命的短板是外置風(fēng)扇。而逆變器的自然散熱技術(shù)，通過業(yè)界最嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)范流程，以及海量的產(chǎn)品長期應(yīng)用驗證后，給客戶帶來能夠在25年的生命周期內(nèi)滿足高溫、高濕、高海拔等各種復(fù)雜環(huán)境可靠運行的質(zhì)量要求。

隨著組串式逆變器的大量商用，高發(fā)電量、維護便捷甚至免維護是客戶關(guān)注的核心指標(biāo)。逆變器外部風(fēng)扇的存在對以上指標(biāo)的實現(xiàn)是一道嚴(yán)重障礙。因此，無外部風(fēng)扇設(shè)計對組串式逆變器來說，既是挑戰(zhàn)，也是未來必然的發(fā)展趨勢。