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

摘要:組串式逆變器散熱方式主要有強製風冷和自然冷卻兩(liang) 種,針對兩(liang) 種散熱方式的實際效果

  1 引言
組串式逆變器散熱方式主要有強製風冷和自然冷卻兩(liang) 種,針對兩(liang) 種散熱方式的實際效果,筆者抽取了不同廠家不同散熱方式的兩(liang) 款組串式逆變器進行實驗對比,發現 在同樣的環境溫度下,強製風冷的逆變器內(nei) 部環境溫度及核心器件溫升比自然冷卻的逆變器低約20℃左右,強製風冷的逆變器散熱性能更優(you) ,實際使用壽命更有保 障,逆變器可在較高的環境溫度下滿功率輸出,保證發電量。通過對國內(nei) 某電站現場實地考察發現,自然冷卻的組串式逆變器由於(yu) 散熱性能差,夏天高溫環境下出現 降額運行,造成電站發電量損失。

        2 實驗驗證:單機25kW以上的逆變器采用強製風冷更適宜
隨著分布式光伏的發展,25kW~60kW功率等級的組串式逆變器廣泛應用於(yu) 工商業(ye) 屋頂、小型山丘等光伏電站,由於(yu) 安裝在戶外,工作環境溫度相對較高;同時逆變器廠家為(wei) 了方便係統安裝,逆變器尺寸越做越小,開關(guan) 器件產(chan) 生的熱量較為(wei) 集中, 對組串式逆變器的散熱能力提出了很高挑戰。散熱能力的優(you) 劣最終表現出來的是機器內(nei) 部環境溫度及器件溫度的高低,並將直接影響著逆變器實際發電量和使用壽 命。為(wei) 了保證電站25年內(nei) 高效可靠的發電,眾(zhong) 多的電站投資及設計人員在組串式逆變器選型時,對逆變器散熱能力的關(guan) 注越來越多。
《散熱方案選擇主要取決(jue) 於(yu) 逆變器功率》一文從(cong) 理論分析認為(wei) :當組串式逆變器單機功率大於(yu) 25kW時,散熱熱流密度較大,從(cong) 散熱效果的角度采用強製風冷散熱 方式更為(wei) 適宜。為(wei) 了驗證單機功率25kW以上的組串式逆變器強製風冷和自然冷卻的實際散熱效果差異,筆者挑選了國內(nei) 主流的兩(liang) 廠家40kW組串式逆變器進行 相關(guan) 實驗:A廠家采用強製風冷散熱方式,B廠家采用自然冷卻散熱方式。兩(liang) 廠家的逆變器均在環境溫度45℃和相同交直流電壓條件下穩定運行,通過在內(nei) 部環 境、膜電容、電解電容、逆變模塊等關(guan) 鍵區域布置溫度測點,測得各點溫度值如表1。測試時發現B廠家40kW逆變器實際最大輸出功率隻有32kW(80%負 載),針對此現象筆者仔細分析後得出兩(liang) 點原因,一是在環境溫度45℃時逆變器出現了降額運行,二是逆變器自身容量配置設計不合理,輸出功率達不到標稱的額 定功率。如果自然冷卻的逆變器工作在滿載,實際的溫升將更高。

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測試結論:相同測試條件下,采用自然冷卻方案的組串式逆變器內(nei) 部各器件溫度比強製風冷方案高15℃~26℃。
眾(zhong) 所周知,電子器件實際使用壽命與(yu) 其所處的環境溫度密切相關(guan) ,溫度越高,器件實際使用壽命越短,根據電子器件壽命與(yu) 環境溫度的“10度法則”,即環境溫度每升高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(liang) 款產(chan) 品壽命相差4倍。因此,為(wei) 了提高逆變器的散熱能力,保障核心電子器件的使用壽命,單機功率等級在25kW以上的組串式逆變器采用強製風冷散熱方式更適宜。

        3 現場運行:自然冷卻散熱性能差,高溫時降額運行,損失發電量
筆者查閱了A廠家和B廠家兩(liang) 款40kW功率等級的組串式逆變器技術規格書(shu) 發現,A廠家采用強製風冷散熱方式的逆變器在環境溫度超過50℃時出現降額運行,而B廠家采用自然冷卻散熱方式的逆變器在環境溫度超過25℃時即需降額運行,如圖1所示。組串式逆變器直接安裝在戶外,工作環境溫度相對較高,尤其是屋頂光伏電站,采用強製風冷的逆變器散熱性能高,在環境溫度高時仍可滿額運行,保障逆變器發電量,反之,采用自然冷卻的逆變器散熱性能差,逆變器會(hui) 提前降額運行,對逆變器發電量造成損失。
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圖1 不同廠家組串式逆變器降額曲線

筆者走訪國內(nei) 某光伏電站時發現,現場的組串式逆變器由於(yu) 采用自然冷卻散熱方式,散熱能力差,電站本地監控顯示在2015年7月17日11:37至13:36時間段內(nei) 逆變器出現降額運行,如圖2所示。查閱監控曆史記錄可發現僅(jin) 在2015年7月1日到7月25日期間就有14天出現了降額現象,降額運行造成的發電量損失超過年發電量的1%。若按照1MW年發電150萬(wan) 度、0.9元/度計算,1MW電站每年約損失1.35萬(wan) 元。以此推算出100MW光伏電站,25年發電量損失約達到3375萬(wan) 元。
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圖2 某光伏電站本地監控係統記錄

        4 實際應用:主流逆變器廠家使用高防護戶外風扇進行散熱
通過上述逆變器對比測試和現場運行狀況發現,組串式逆變器采用強製風冷散熱方案散熱性能更佳,逆變器的實際發電量和使用壽命更有保障。那麽(me) 國內(nei) 外主流廠家的組串式逆變器在設計上是否也有如此考慮呢?筆者通過對國內(nei) 外主流的組串逆變器廠家25kW以上產(chan) 品的散熱設計方式調研發現,主流組串式逆變器廠家25kW功率等級以上的產(chan) 品大都采用風扇散熱方式,如SMA、Sungrow、Delta等,並選用IP65高防護能力的戶外風扇,以保證逆變器滿足IP65防護等級前提下,提高逆變器的散熱能力。

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圖3 高防護戶外風扇在主流組串式逆變器的應用

        5 結論
通過組串式逆變器散熱能力對比實驗發現,40kW功率等級的組串式逆變器,強製風冷的散熱效果大大優(you) 於(yu) 自然冷卻散熱方式,逆變器內(nei) 部電容、IGBT等關(guan) 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(nei) 能運行,但是壽命和發電量將大大降低。同時通過對光伏電站現場運行調研發現,采用自然冷卻方式的組串式逆變器由於(yu) 散熱效果差,高溫環境下出現降額運行,導致電站發電量損失超過年發電量的1%,嚴(yan) 重影響了投資方的收益。再次驗證了“當組串式逆變器單機功率大於(yu) 25kW時,散熱熱流密度較大,采用強製風冷散熱方式更為(wei) 適宜”設計觀點的正確性。(世紀新能源網 張思思)