光伏箱式逆變器的散熱分析

李亮亮，于江濤，馬新科，李慧云

（1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州450015；2.安陽工學院，河南安陽455000；3.河南省城市交通規劃研究中心，鄭州450044）

0 引言

光伏箱式逆變器是將光伏并網發電系統所需的交直流配電、逆變和監控通訊等設備集中安裝在一個特種封閉集裝箱內，完成光伏發電系統的并網控制、數據采集和遠程傳輸功能的裝置。光伏箱式逆變器因其成本低、安裝調試簡單、外形美觀、適應復雜環境能力強而廣泛應用，其結構如圖1所示。光伏并網逆變器中發揮重要作用的主功率模塊IGBT的熱耗是最大的，約10﹪的有功功率轉化為耗散功率，尤其是在集裝箱內這種多臺設備緊湊布置且空間相對狹小的環境中這部分熱量會使IGBT模塊中的二極管芯結溫升高，系統可靠性降低，甚至導致設備停機或燒毀。因此應對集裝箱及逆變器采取良好的通風散熱措施，即使是在西北夏季最高氣溫下也能使集裝箱內溫度保持在適宜的范圍內。

圖1 集裝箱外觀及內部布局圖

1 理論基礎及仿真

ansys icepak是一款強大的三維CFD軟件，可以解決機房等環境級的熱分析。CFD仿真軟件的基本思想是從用戶需求角度出發，針對各種復雜流動的物理現象，采用不同的離散格式和數值方法，以期在特定的領域內使計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題。熱設計問題本質在于定量描述熱現象，IGBT模塊的散熱設計可通過湍流模型描述。CFD仿真基本理論為：IGBT的散熱設計屬于不可壓縮、常物性、無內熱源的三維對流傳熱問題，結合傳熱學和流體動力學基本理論，得出描述該問題的微分方程組[1]。

質量守恒方程為

動量守恒方程為

能量守恒方程為

動量守恒、質量守恒方程是描寫粘性流體過程的控制方程，適用于不可壓縮粘性流體的層流及紊流流動。

集裝箱內逆變器、直流柜、通訊柜采用雙排布置模式，配電箱壁掛在集裝箱墻壁上，集裝箱采用底進風上出風的強制風冷散熱模式。

光伏箱式逆變器的物理模型參數說明如下：1）環境溫度為某地區七月份最高氣溫45℃，大氣壓909hPa，氣流狀態為紊流，系統求解的迭代次數為200次。2）集裝箱尺寸為長4000mm×寬2700mm×高2896 mm，逆變器IGBT模塊360mm×215mm×152 mm，電抗器652mm×658mm×400 mm。由于功耗器件集成度較高，且主要熱源IGBT熱耗分布較均勻，工程仿真熱模型采用均勻體積熱源等效實際熱源。在集裝箱前面和后面的門頁下端共安裝有6扇600mm×800mm的帶有防塵網的百葉窗側面進風，其凈進風面積系數為0.7；在集裝箱地面上鋪設有菱形花紋鋼板底部進風。在直流柜、逆變器頂部安裝有獨立風道將熱量直接引出集裝箱外。風道設計依據考慮逆變器-風道、集裝箱壁-風道的空間接口尺寸，截面形狀接近于正方形，拐角處采用圓角光滑過渡，以降低風道壓損。

在集裝箱的左右墻壁上內嵌有4臺軸流風機以排出設備外循環熱量，風機型號為EBM公司的W2E200-HK38-01，風機排風量最大為800 m3/h。風機特性曲線如圖2所示。風機風量的確定公式

式中，Qf—強制風冷系統所需提供的風量；Q—耗散功率，W；Cp—空氣比熱，J/(kg·℃)；ρ—空氣密度，kg/m3；ΔT—進出口處空氣的溫差。3）彩鋼巖棉保溫板的傳熱系數為0.04 W/（m·k），設備柜壁受太陽輻射吸收熱量而使柜壁溫度相對于環境溫度身高，為模擬太陽輻射效應，把icepak根據時區月份、日期、和經緯度計算得到的太陽輻射熱流值143W/m2作為邊界條件施加在集裝箱壁面上。

圖2 軸流風機特性曲線

圖3 熱仿真物理模型

圖4 IGBT模塊溫度仿真結果截面圖

圖5流場仿真結果圖

圖4中IGBT模塊的管芯溫度是100.97℃，低于廠家提供的允許結溫155℃，滿足使用要求。但是這需要待到該地區夏天最高氣溫到現場進行實驗測試才能驗證仿真結果與實測數據之間的誤差。

從圖5可以看出大的氣流速度出現在逆變器、直流柜專門通風管道的出風口，較低速度出現在散熱器翅片之間。接近正方形的矩形通風管道取得較大的空氣輸送能力，流阻較小，在流場中無死區、回流現象，滿足系統散熱效果。風機工作點為0.23m3/s，50Pa，可見軸流風機工作點位于風量大、壓降小的右部分區域，避開了中間部分的不穩定區域[2]，基本滿足應用要求。

表1 關鍵功耗器件熱參數

2 結論

對于環境級以及系統級、板級、元件級的散熱分析問題，采用基于Ansys Icepak的分析能夠較準確評估在實際運行中的溫度、流場、風機工作點等，對該通風散熱方案在某地區夏季高氣溫下，系統電力電子設備能否正常運行給予可靠的參考信息?？捎行е笇Ш罄m的光伏箱式逆變器的結構優化，為進一步提升該產品的熱適應性奠定良好基礎。

[1]楊雄鵬.基于Flotherm分析的光伏逆變器的散熱設計[J].電力電子技術，2013,47（3）：54-56.

[2]苗力.軸流風機機箱散熱結構的仿真優化設計[J].發電與空調，2012.