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不同散熱方式組串式逆變器散熱能力調(diào)查 2015-09-21 12:07:38

摘要：組串式逆變器散熱方式主要有強(qiáng)制風(fēng)冷和自然冷卻兩種，針對兩種散熱方式的實(shí)際效果

1 引言
組串式逆變器散熱方式主要有強(qiáng)制風(fēng)冷和自然冷卻兩種，針對兩種散熱方式的實(shí)際效果，筆者抽取了不同廠家不同散熱方式的兩款組串式逆變器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn) 在同樣的環(huán)境溫度下，強(qiáng)制風(fēng)冷的逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度及核心器件溫升比自然冷卻的逆變器低約20℃左右，強(qiáng)制風(fēng)冷的逆變器散熱性能更優(yōu)，實(shí)際使用壽命更有保障，逆變器可在較高的環(huán)境溫度下滿功率輸出，保證發(fā)電量。通過對國內(nèi)某電站現(xiàn)場實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，自然冷卻的組串式逆變器由于散熱性能差，夏天高溫環(huán)境下出現(xiàn) 降額運(yùn)行，造成電站發(fā)電量損失。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：單機(jī)25kW以上的逆變器采用強(qiáng)制風(fēng)冷更適宜
隨著分布式光伏的發(fā)展，25kW~60kW功率等級的組串式逆變器廣泛應(yīng)用于工商業(yè) 屋頂、小型山丘等光伏電站，由于安裝在戶外，工作環(huán)境溫度相對較高；同時逆變器廠家為了方便系統(tǒng)安裝，逆變器尺寸越做越小，開關(guān)器件產(chǎn)生的熱量較為集中，對組串式逆變器的散熱能力提出了很高挑戰(zhàn)。散熱能力的優(yōu)劣最終表現(xiàn)出來的是機(jī)器內(nèi)部環(huán)境溫度及器件溫度的高低，并將直接影響著逆變器實(shí)際發(fā)電量和使用壽命。為了保證電站25年內(nèi)高效可靠的發(fā)電，眾多的電站投資及設(shè)計(jì)人員在組串式逆變器選型時，對逆變器散熱能力的關(guān)注越來越多。
《散熱方案選擇主要取決于逆變器功率》一文從理論分析認(rèn)為：當(dāng)組串式逆變器單機(jī)功率大于25kW時，散熱熱流密度較大，從散熱效果的角度采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式更為適宜。為了驗(yàn)證單機(jī)功率25kW以上的組串式逆變器強(qiáng)制風(fēng)冷和自然冷卻的實(shí)際散熱效果差異，筆者挑選了國內(nèi)主流的兩廠家40kW組串式逆變器進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)：A廠家采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式，B廠家采用自然冷卻散熱方式。兩廠家的逆變器均在環(huán)境溫度45℃和相同交直流電壓條件下穩(wěn)定運(yùn)行，通過在內(nèi)部環(huán) 境、膜電容、電解電容、逆變模塊等關(guān)鍵區(qū)域布置溫度測點(diǎn)，測得各點(diǎn)溫度值如表1。測試時發(fā)現(xiàn)B廠家40kW逆變器實(shí)際最大輸出功率只有32kW（80%負(fù) 載），針對此現(xiàn)象筆者仔細(xì)分析后得出兩點(diǎn)原因，一是在環(huán)境溫度45℃時逆變器出現(xiàn)了降額運(yùn)行，二是逆變器自身容量配置設(shè)計(jì)不合理，輸出功率達(dá)不到標(biāo)稱的額定功率。如果自然冷卻的逆變器工作在滿載，實(shí)際的溫升將更高。

測試結(jié)論：相同測試條件下，采用自然冷卻方案的組串式逆變器內(nèi)部各器件溫度比強(qiáng)制風(fēng)冷方案高15℃~26℃。
眾所周知，電子器件實(shí)際使用壽命與其所處的環(huán)境溫度密切相關(guān)，溫度越高，器件實(shí)際使用壽命越短，根據(jù)電子器件壽命與環(huán)境溫度的“10度法則”，即環(huán)境溫度每升高10度，電子器件壽命將減少一半。20℃的溫差，意味著不同散熱方式的兩款產(chǎn)品壽命相差4倍。因此，為了提高逆變器的散熱能力，保障核心電子器件的使用壽命，單機(jī)功率等級在25kW以上的組串式逆變器采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式更適宜。

3 現(xiàn)場運(yùn)行：自然冷卻散熱性能差，高溫時降額運(yùn)行，損失發(fā)電量
筆者查閱了A廠家和B廠家兩款40kW功率等級的組串式逆變器技術(shù)規(guī)格書發(fā)現(xiàn)，A廠家采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式的逆變器在環(huán)境溫度超過50℃時出現(xiàn)降額運(yùn)行，而B廠家采用自然冷卻散熱方式的逆變器在環(huán)境溫度超過25℃時即需降額運(yùn)行，如圖1所示。組串式逆變器直接安裝在戶外，工作環(huán)境溫度相對較高，尤其是屋頂光伏電站，采用強(qiáng)制風(fēng)冷的逆變器散熱性能高，在環(huán)境溫度高時仍可滿額運(yùn)行，保障逆變器發(fā)電量，反之，采用自然冷卻的逆變器散熱性能差，逆變器會提前降額運(yùn)行，對逆變器發(fā)電量造成損失。

圖1 不同廠家組串式逆變器降額曲線

筆者走訪國內(nèi)某光伏電站時發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的組串式逆變器由于采用自然冷卻散熱方式，散熱能力差，電站本地監(jiān)控顯示在2015年7月17日11：37至13：36時間段內(nèi)逆變器出現(xiàn)降額運(yùn)行，如圖2所示。查閱監(jiān)控歷史記錄可發(fā)現(xiàn)僅在2015年7月1日到7月25日期間就有14天出現(xiàn)了降額現(xiàn)象，降額運(yùn)行造成的發(fā)電量損失超過年發(fā)電量的1%。若按照1MW年發(fā)電150萬度、0.9元/度計(jì)算，1MW電站每年約損失1.35萬元。以此推算出100MW光伏電站，25年發(fā)電量損失約達(dá)到3375萬元。

圖2 某光伏電站本地監(jiān)控系統(tǒng)記錄

4 實(shí)際應(yīng)用：主流逆變器廠家使用高防護(hù)戶外風(fēng)扇進(jìn)行散熱
通過上述逆變器對比測試和現(xiàn)場運(yùn)行狀況發(fā)現(xiàn)，組串式逆變器采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方案散熱性能更佳，逆變器的實(shí)際發(fā)電量和使用壽命更有保障。那么國內(nèi)外主流廠家的組串式逆變器在設(shè)計(jì)上是否也有如此考慮呢？筆者通過對國內(nèi)外主流的組串逆變器廠家25kW以上產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)方式調(diào)研發(fā)現(xiàn)，主流組串式逆變器廠家25kW功率等級以上的產(chǎn)品大都采用風(fēng)扇散熱方式，如SMA、Sungrow、Delta等，并選用IP65高防護(hù)能力的戶外風(fēng)扇，以保證逆變器滿足IP65防護(hù)等級前提下，提高逆變器的散熱能力。

圖3 高防護(hù)戶外風(fēng)扇在主流組串式逆變器的應(yīng)用

5 結(jié)論
通過組串式逆變器散熱能力對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，40kW功率等級的組串式逆變器，強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效果大大優(yōu)于自然冷卻散熱方式，逆變器內(nèi)部電容、IGBT等關(guān)鍵部件溫升降低了20℃左右，可確保逆變器長壽命可靠高效工作。而采用自然冷卻方式的逆變器溫升高，雖然短期內(nèi)能運(yùn)行，但是壽命和發(fā)電量將大大降低。同時通過對光伏電站現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用自然冷卻方式的組串式逆變器由于散熱效果差，高溫環(huán)境下出現(xiàn)降額運(yùn)行，導(dǎo)致電站發(fā)電量損失超過年發(fā)電量的1%，嚴(yán)重影響了投資方的收益。再次驗(yàn)證了“當(dāng)組串式逆變器單機(jī)功率大于25kW時，散熱熱流密度較大，采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式更為適宜”設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的正確性。（世紀(jì)新能源網(wǎng) 張思思）