隨著全球煤炭、石油資源的衰竭和世界各國對(duì)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(diǎn)。其中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(yùn)行，而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(duì)溫度比較敏感，溫度的變化會(huì)影響其開通和關(guān)斷過程，當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)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(shì)，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：發(fā)電量高，占地面積小，無需機(jī)房，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便簡單，已經(jīng)成為大型地面電站應(yīng)用的趨勢(shì)。

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(qiáng)，有些站點(diǎn)甚至位于海邊，腐蝕性強(qiáng)。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，組串式逆變器通過掛墻、掛光伏板支架或者掛獨(dú)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(xiǎn)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，成為了大家最關(guān)心的問題。

一．組串式逆變器業(yè)界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。通過組串式逆變器外部增加風(fēng)扇，提升散熱能力，行業(yè)廠商普遍采用這種方式散熱。但組串式逆變器應(yīng)用環(huán)境較差，其對(duì)外部風(fēng)扇的防護(hù)性能要求較高。任何風(fēng)扇都屬于易損部件，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)有磨損，且不會(huì)絕對(duì)防塵。惡劣的外部環(huán)境會(huì)加速風(fēng)扇老化。對(duì)于長達(dá)25年運(yùn)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(hù)等級(jí)一般只能達(dá)到IP54/IP55，外部有風(fēng)扇設(shè)計(jì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)無法達(dá)到IP65。同時(shí)為了避免雨水直接沖刷風(fēng)扇，設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)，風(fēng)道會(huì)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，這樣會(huì)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(hù)成本極高。

下圖為某戶外環(huán)境電站，逆變器運(yùn)行一年后，風(fēng)扇積灰和腐蝕的剖析圖片，從圖片可以看出，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，而主要由風(fēng)沙、腐蝕、轉(zhuǎn)動(dòng)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?

我們以100MW電站為例，用40KW組串式逆變器，需2500臺(tái)。每臺(tái)逆變器4個(gè)風(fēng)扇，共10000個(gè)風(fēng)扇。

所需成本=10000*(65+50)=115萬元(其中65元為風(fēng)扇成本，50原為更換人工成本)

風(fēng)扇故障造成的發(fā)電量損失=10000*40KW/2(平均功率)*3小時(shí)(故障平均中斷時(shí)間)*0.9元=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(jì)約170萬元。

而其實(shí)對(duì)客戶最大的傷害還在于，這會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)運(yùn)維效率，運(yùn)維人員將被大量浪費(fèi)在無效、無價(jià)值的維護(hù)工作上。

二．組串式逆變器散熱問題的應(yīng)對(duì)解決方案

無外部風(fēng)扇設(shè)計(jì)是目前較先進(jìn)的解決方案。逆變器外部無需安裝風(fēng)扇，防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP65，而且噪聲低，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(hù)，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(jì)的最大瓶頸。針對(duì)這個(gè)問題，可以通過采用銅鋁復(fù)合、熱管、均溫板等強(qiáng)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(diǎn)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(hù)問題，即使失效，對(duì)整體散熱能力和功率影響不大。以業(yè)界廠家華為的逆變器為例，其散熱設(shè)計(jì)方案效果如圖2，3所示。

圖2 無外部風(fēng)扇，自然散熱，防沙能力強(qiáng)圖3內(nèi)部強(qiáng)制擾流，合理布局，消除熱點(diǎn)

SUN2000逆變器采用全密閉自然散熱設(shè)計(jì)，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(jī)無局部熱點(diǎn)，提升散熱可靠性。防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP65，噪聲低，可靠性高。

其散熱設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)中使熱平衡分配。具體的散熱設(shè)計(jì)方案如下：

●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;

●無熱級(jí)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(dá)散熱面，提高了熱量傳遞效率;

●內(nèi)部器件高低溫分區(qū)布局設(shè)計(jì)，對(duì)不同耐溫等級(jí)的器件進(jìn)行分區(qū)布局，使得逆變器的溫度場(chǎng)與器件的耐溫等級(jí)實(shí)現(xiàn)完美匹配，逆變器內(nèi)部的空氣流動(dòng)更加符合“煙囪效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部流場(chǎng)分布與高低溫分區(qū)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)完美的匹配，提高了逆變器的散熱效率;

●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;

●采用CFD仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)散熱器的齒間距及齒型及齒厚等設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理平衡了提升散熱器性能及降低產(chǎn)品重量的矛盾，使得散熱器性能達(dá)到最佳化的同時(shí)，散熱器重量達(dá)到最輕。

通過以上散熱理念設(shè)計(jì)，再加上均熱設(shè)計(jì)技術(shù)，熱隔離、熱屏蔽技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了無外部風(fēng)扇，逆變器整體防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65，可靠性高。從西北高原重沙塵和海南海邊強(qiáng)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(hù)效果更佳，運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定。

那么，自然散熱的方式，是否能保障內(nèi)部器件的工作壽命呢?經(jīng)過測(cè)試：

1)PHOTON第三方紅外熱成像測(cè)試結(jié)果顯示，華為逆變器內(nèi)部空溫度是業(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30KW產(chǎn)品對(duì)比);

圖4 不同熱設(shè)計(jì)逆變器內(nèi)部溫度比較

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

3)關(guān)鍵器件IGBT、鋁電解電容等壽命滿足要求