隨著全球煤炭、石油資源的衰竭和世界各國(guó)對(duì)環(huán)境污染的重視，太陽(yáng)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(yáng)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(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致功率開(kāi)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(lái)，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(wú)需機(jī)房，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便簡(jiǎn)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(yáng)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(guò)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(mǎn)足逆變器的散熱，成為了大家最關(guān)心的問(wèn)題。

一．組串式逆變器業(yè)界常用散熱方式及問(wèn)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(guò)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(zhǎng)達(dá)25年運(yùn)營(yíng)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(lái)無(wú)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(wú)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(hù)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(hù)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。


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(qián)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(wàn)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(wàn)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(wàn)元。

而其實(shí)對(duì)客戶(hù)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(wú)效、無(wú)價(jià)值的維護(hù)工作上。

二．組串式逆變器散熱問(wèn)題的應(yīng)對(duì)解決方案

無(wú)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(wú)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(wèn)題，可以通過(guò)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(lái)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(wèn)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。

SUN2000逆變器采用全密閉自然散熱設(shè)計(jì)，通過(guò)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)接觸熱阻，散熱器性能穩(wěn)定，長(zhǎng)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(guò)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(wú)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(zhǎng)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(guò)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(lèi)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(guó)內(nèi)某知名廠家30KW產(chǎn)品對(duì)比）；

2）華為自然散熱組串式逆變器按照高溫50度滿(mǎn)載輸出設(shè)計(jì)，而業(yè)界多數(shù)只支持高溫45度滿(mǎn)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(mǎn)足要求

IGBT模塊壽命分析

華為逆變器中采用Infineon無(wú)銅底板結(jié)構(gòu)IGBT模塊，最大結(jié)溫175℃，實(shí)際測(cè)試高溫50C滿(mǎn)載下最大結(jié)溫不超過(guò)125 ℃，溫度余量50 ℃。根據(jù)Infineon研究結(jié)論：無(wú)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。

假設(shè)20KW自冷逆變器高溫50度額定滿(mǎn)載工作，每天功率由0到滿(mǎn)載的循環(huán)次數(shù)假設(shè)平均為20次，高溫滿(mǎn)載結(jié)溫按照最高125度計(jì)算，則溫度最大擺幅為75度，根據(jù)IGBT模塊廠家提供溫差和循環(huán)壽命次數(shù)曲線(xiàn)，IGBT模塊壽命評(píng)估結(jié)果大于25年。 實(shí)際氣候條件下，對(duì)于晴朗天氣，每天功率大循環(huán)次數(shù)較少，實(shí)際的情況還會(huì)優(yōu)于理論計(jì)算值。

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(shí)際的熱帶、亞熱帶和溫帶典型地區(qū)典型氣候場(chǎng)景，理論結(jié)合實(shí)測(cè)評(píng)估華為自冷逆變器瓶頸器件電解電容壽命超過(guò)25年；考慮太陽(yáng)能電池板在高溫下功率還會(huì)下降(曲線(xiàn)如左下圖)，氣候變化有云、陰、雨、雪等日照量小的天氣，日照時(shí)間比例也大都少于50％，實(shí)際的情況還會(huì)優(yōu)于理想計(jì)算值。在中國(guó)海南最熱的地方，測(cè)試實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，腔內(nèi)平均溫度為60 ℃以下，依照鋁電解電容的壽命計(jì)算方法，溫度每降10 ℃，壽命增加一倍。華為選用的鋁電解電容可滿(mǎn)足10-12萬(wàn)小時(shí)的工作時(shí)間，大于25年壽命。如果將冬天的情況一起匯總起來(lái)，平均溫度會(huì)更低。

結(jié)束語(yǔ)

從表1可以看出，無(wú)外部風(fēng)扇的組串式逆變器，無(wú)論是防護(hù)等級(jí)和可靠性，還是防腐蝕能力，都有較明顯優(yōu)勢(shì)。


組串式逆變器由于大多工作在高溫、多粉塵、風(fēng)吹日曬、雨淋等惡劣的戶(hù)外應(yīng)用，如果采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，風(fēng)扇極易損壞、壽命較短，頻繁的更換風(fēng)扇除影響產(chǎn)品的發(fā)電量外，還會(huì)帶來(lái)昂貴的維護(hù)費(fèi)用；另外，如逆變器安裝在用戶(hù)外墻及閣樓處，強(qiáng)迫風(fēng)冷的噪聲將容易引起客戶(hù)的投訴。而采用自然散熱的產(chǎn)品，無(wú)風(fēng)扇，產(chǎn)品運(yùn)行的長(zhǎng)期可靠性高，噪聲低，所以自熱散熱、無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)成為戶(hù)外小功率逆變器的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力。

逆變器的可靠性，是一項(xiàng)綜合的系統(tǒng)工程?？煽啃院蛪勖亩贪迨峭庵蔑L(fēng)扇。而逆變器的自然散熱技術(shù)，通過(guò)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(zhǎng)期應(yīng)用驗(yàn)證，給客戶(hù)帶來(lái)的是一個(gè)能夠在25年的生命周期內(nèi)滿(mǎn)足高溫高濕、高海拔等各種復(fù)雜環(huán)境可靠運(yùn)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(hù)便捷甚至免維護(hù)是客戶(hù)關(guān)注的核心指標(biāo)，逆變器外部風(fēng)扇的存在對(duì)以上指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一道嚴(yán)重障礙，因此無(wú)外部風(fēng)扇設(shè)計(jì)對(duì)組串式逆變器來(lái)說(shuō)，既是挑戰(zhàn)，也是未來(lái)必然的發(fā)展趨勢(shì)。