高溫下的煎熬，警惕自冷式逆變器的溫升隱患

1 引言

如果有人告訴你：自然冷卻的組串式逆變器比強(qiáng)制風(fēng)冷的組串式逆變器溫升更低，你信嗎？有人拿Photon的測(cè)試結(jié)果對(duì)兩種機(jī)器溫升進(jìn)行對(duì)比，得出自然散熱溫升更低的結(jié)論。然而，炎熱的夏天，西北電站某自然冷卻的組串式逆變器出現(xiàn)了高溫降額運(yùn)行現(xiàn)象。多個(gè)電站調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，后臺(tái)監(jiān)控上顯示：自然冷卻的逆變器機(jī)器內(nèi)部環(huán)境溫度比強(qiáng)制風(fēng)冷高10℃以上。真實(shí)數(shù)據(jù)表明，自然冷卻逆變器的安全性和壽命正面臨著巨大威脅。

2 PHOTON溫升測(cè)試不能用于對(duì)比

Photon從2007年初開始，根據(jù)其制定的綜合效率測(cè)量方法對(duì)逆變器效率進(jìn)行測(cè)試，并依據(jù)測(cè)試結(jié)果將逆變器按A++到F進(jìn)行評(píng)級(jí)。截止到2014年，多個(gè)廠家超過120款逆變器接受了Photon測(cè)試和評(píng)級(jí)。考慮逆變器轉(zhuǎn)換效率與溫度的相關(guān)性，Photon采用熱成像技術(shù)對(duì)逆變器內(nèi)部溫升進(jìn)行測(cè)試，以修正評(píng)級(jí)結(jié)果，但該方法不是為了對(duì)比不同產(chǎn)品的實(shí)際溫升。



圖1 Photon溫升測(cè)試方法

熱成像測(cè)試方式簡(jiǎn)單、方便、直觀，但測(cè)量存在盲區(qū)，儀器輻射不到的部位無法被測(cè)量。而且是在機(jī)箱開蓋的情況下進(jìn)行的，和實(shí)際工況不同，對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響。此外，不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響，多層結(jié)構(gòu)的逆變器，熱成像只能測(cè)試到上層的溫度。因此直接對(duì)比這個(gè)結(jié)果是不合理的。

• 采用單層結(jié)構(gòu)的組串式逆變器。Photon于2013年2月公布了國(guó)內(nèi)某知名廠家采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的組串式逆變器測(cè)試結(jié)果，機(jī)器內(nèi)部最高溫度點(diǎn)在共模電感（82.3℃）。該廠家的組串式逆變器內(nèi)部采用單層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱成像儀可測(cè)得內(nèi)部大部分部件的溫度。



圖2 單層結(jié)構(gòu)逆變器Photon溫升測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)來源：Photon雜志）

• 采用多層結(jié)構(gòu)的組串式逆變器。Photon于2013年6月公布了某自然冷卻的組串式逆變器測(cè)試結(jié)果，機(jī)器內(nèi)部最高溫度點(diǎn)在繼電器處（80.1℃）。但Photon在測(cè)試結(jié)果中給出了“由于裝置為多層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，熱成像中不可能捕獲到所有元件”的文字說明，而在單層結(jié)構(gòu)組串式逆變器的測(cè)試結(jié)果中卻未加以說明。因?yàn)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)，熱成像儀只能測(cè)量到逆變器上層器件溫度，無法測(cè)得下層元件溫度，圖4所示的示意圖更能直觀的表達(dá)這一現(xiàn)象。溫度最高點(diǎn)主要集中在下層的元器件，上下兩層的溫差至少在10℃以上。



圖3 多層結(jié)構(gòu)逆變器Photon溫升測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)來源：Photon雜志）



圖4 多層結(jié)構(gòu)溫升測(cè)試示意圖，熱成像儀只能測(cè)試上層器件溫度

綜上所述可見：

• Photon溫升測(cè)試是在機(jī)箱開蓋的情況下進(jìn)行的，和實(shí)際工況存在一定的差別；
• 采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的組串式逆變器，熱成像儀只能測(cè)得機(jī)器內(nèi)部部分器件溫度，無法測(cè)得所有部件的溫度，如核心器件模塊，電抗等；
• 直接對(duì)比Photon的測(cè)試結(jié)果無法真實(shí)反應(yīng)不同逆變器實(shí)際溫升差異。

3 正確的溫升對(duì)比測(cè)試方法及結(jié)果

不同逆變器產(chǎn)品溫升對(duì)比，應(yīng)保證逆變器工作于相同環(huán)境溫度、相同工況下，采用熱電阻或熱電偶等接觸測(cè)溫方法對(duì)機(jī)器內(nèi)部關(guān)鍵元器件進(jìn)行測(cè)量，如圖5。該方法為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試法。



圖5 接觸式溫升測(cè)試熱電阻直接貼在器件上

某機(jī)構(gòu)曾按照接觸測(cè)溫方法對(duì)采用不同散熱方式的兩種結(jié)構(gòu)逆變器進(jìn)行溫升測(cè)試，得到的結(jié)果如表1。

表1 不同廠家不同散熱方式組串式逆變器對(duì)比實(shí)驗(yàn)（雙擊查看大圖）



4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控顯示：自然冷卻逆變器內(nèi)部溫升高，高溫出現(xiàn)降額運(yùn)行

夏天曾走訪寧夏某電站發(fā)現(xiàn)，自然冷卻的組串式逆變器，中午環(huán)境溫度高的時(shí)候出現(xiàn)了降額運(yùn)行，通過計(jì)算降額至少帶來每年1%以上的發(fā)電量損失。

近期走訪國(guó)內(nèi)某電站時(shí)也發(fā)現(xiàn)，該電站同時(shí)安裝了自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷兩種散熱方式的40kW組串式逆變器，通過實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)的逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度可知，中午12:37左右該電站采用的自然冷卻的40kW組串式逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度比強(qiáng)制風(fēng)冷的至少高10度以上，如表2所示。根據(jù)電子器件壽命與環(huán)境溫度的“10度法則”，環(huán)境溫度每升高10度，電子器件壽命將減少一半。該測(cè)試環(huán)境溫度僅為20℃，且顯示的是內(nèi)部環(huán)境溫度，而不是元器件溫度，實(shí)際元器件溫升更高，特別是夏季高溫情況下。

表2 國(guó)內(nèi)某光伏電站強(qiáng)制風(fēng)冷與自然冷卻逆變器內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)對(duì)比



研究發(fā)現(xiàn)20kW以下逆變器可采用自然冷卻，例如通信上用的電源，功率小，大部分時(shí)間輕載工作，自然冷卻方式完全滿足要求。而逆變器大部分時(shí)間需滿載輸出。對(duì)于20kW以上的組串式逆變器，如果繼續(xù)采用自然散熱的方式，逆變器的體積和重量需要大幅度增加，進(jìn)而導(dǎo)致成本的增加，而且安裝維護(hù)不方便。因此設(shè)計(jì)上需要尋找平衡點(diǎn)。這也是導(dǎo)致自然冷卻方式散熱效果差的根本原因。20kW以上逆變器采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱是主流解決方案，如SMA、ABB等知名廠家的產(chǎn)品，IP65防護(hù)等級(jí)、25年長(zhǎng)壽命的風(fēng)扇完全滿足使用要求。

國(guó)內(nèi)某采用自然冷卻的組串式逆變器正是因?yàn)樯嵝阅懿缓玫木壒?，容量設(shè)計(jì)上總是短斤缺兩，40kW逆變器直流輸入僅6串。如果考慮10%的直流側(cè)損耗和不同地區(qū)光照條件差異，實(shí)際到逆變器直流側(cè)的容量不到36kW，逆變器交流輸出容量?jī)H為其標(biāo)稱額定功率值的80%左右，系統(tǒng)一直處于降功率運(yùn)行狀態(tài)，間接的提高了用戶的投資成本。既便如此，現(xiàn)場(chǎng)仍然出現(xiàn)了高溫降額運(yùn)行的現(xiàn)象，進(jìn)一步影響了發(fā)電量收益。

5 結(jié)論

（1）Photon溫升測(cè)試是在開蓋情況下進(jìn)行的，與實(shí)際工況不同，且逆變器結(jié)構(gòu)不同，無法測(cè)試到真正的最高溫度點(diǎn)，因此直接對(duì)比不合理，有斷章取義的嫌疑；

（2）使用熱電阻標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，相同測(cè)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℃~27℃。

（3）國(guó)內(nèi)多個(gè)電站的實(shí)測(cè)結(jié)果也顯示，采用自然冷卻的逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度比強(qiáng)制風(fēng)冷至少高10℃以上，高溫下出現(xiàn)了降額運(yùn)行情況；

（4）如此高的溫升，如何保證逆變器高溫下不出現(xiàn)降額運(yùn)行，又如何滿足25年的壽命要求呢？