組串式逆變器的發展趨勢和挑戰
——無風扇設計

國網寧夏電力公司經濟技術研究院 ■ 葛鵬江

0 引言

隨著全球煤炭、石油資源的衰竭和世界各國對環境污染的重視，太陽能等可再生能源并網發電技術及應用成為熱點。光伏逆變器作為太陽能發電系統的核心設備，其可靠性決定著光伏系統的安全運行，其中，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溫度比較敏感，溫度的變化會影響其開通和關斷過程，當溫度過高時會導致功率開關性能衰減甚至損壞，因此逆變器的散熱方案優劣決定著產品的性能和質量。

近年來，組串式逆變器在地面電站中得到了廣泛應用。相比集中式方案，組串式更有明顯優勢，具體體現在以下幾點：發電量高、占地面積小、無需機房、運行可靠、維護方便簡單，現已成為大型地面電站應用的趨勢。

光伏電站一般選在沙漠、高原等陽光充足的地方，這些區域冬季溫度極低、夏季溫度非常高，風沙大、海拔高、光照強，有些站點甚至位于海邊，腐蝕性強。在這些應用場景中，組串式逆變器通過掛墻、掛光伏板支架或掛獨立安裝架等方式直接暴露在室外，外部部件被雨水、沙塵腐蝕和老化風險嚴重。如何做到既能適應惡劣環境，又能滿足逆變器的散熱，成為大家最關心的問題。

1 組串式逆變器常用散熱方式及問題

逆變器散熱主要有自然散熱和風冷散熱兩種方式。行業廠商普遍采用通過組串式逆變器外部增加風扇，提升散熱能力這種方式散熱。但組串式逆變器應用環境較差，其對外部風扇的防護性能要求較高。任何風扇都屬于易損部件，轉動會有磨損，且不會絕對防塵。惡劣的外部環境會加速風扇老化，對于長達25年運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。

當前室外型風扇防護等級一般只能達到IP54/IP55，外部有風扇設計導致整體系統防護等級無法達到IP65。同時為了避免雨水直接沖刷風扇，設計散熱方案時，風道會變得很復雜，風道形式受限，一旦風扇失效，散熱能力衰減嚴重，使得逆變器輸出功率降額，發電量減少，嚴重影響客戶利益。更為關鍵的是，因風扇常年暴露在雨水和沙塵中，腐蝕嚴重，壽命急劇下降，逆變器生命周期內需要多次更換風扇，維護成本極高。

圖1為某戶外環境電站的逆變器運行1年后，風扇積灰和腐蝕的剖析圖，可看出，腐蝕情況非常嚴重。

圖1 某戶外電站逆變器風扇積塵腐蝕示意圖

風扇的失效模式與溫度關系很小，主要由風沙、腐蝕、轉動磨損造成損壞。有外置風扇的組串式逆變器，一般5～10年需要全部更換風扇。那么常規的光伏電站，批量更換風扇一次要損失多少錢呢？

以100 MW電站為例，用40 kW組串式逆變器，需2500臺；每臺逆變器4個風扇，共10000個風扇。風扇成本為65元，更換人工成本為50元，總共所需成本為：

10000×(65+50)=115 萬元

若故障平均中斷時間為3 h，則風扇故障造成的發電量損失為：

10000×40/2×3 ×0.9=54 萬元

因此，5～10年內由于風扇故障造成的更換成本和發電量損失共計近170萬元。

然而，對客戶最大的傷害還在于這會嚴重影響整個運維效率，運維人員將被大量浪費在無效、無價值的維護工作上。

2 組串式逆變器散熱問題的應對解決方案

無外部風扇設計是目前較先進的解決方案。逆變器外部無需安裝風扇，防護等級可達到IP65，且噪聲低、可靠性高，消除因風扇失效散熱能力衰減導致的功率降額，易維護、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計的最大瓶頸。針對這個問題，可通過采用銅鋁復合、熱管、均溫板等強化方式減小熱阻，提升散熱器散熱能力。另一種重要方式是腔體內部增加擾流風扇來改善內部熱點和提升腔體散熱能力，擾流風扇由于在腔體內部，不存在防護問題，即使失效，對整體散熱能力和功率影響不大。以華為逆變器為例，其散熱設計方案效果如圖2、圖3所示。

圖2 無外部風扇，自然散熱、防沙能力強

圖3 內部強制擾流，合理布局、消除熱點

SUN2000逆變器采用全密閉自然散熱設計，通過采用熱隔離、熱屏蔽技術，將發熱器件和熱敏感器件分腔合理布局，確保整機無局部熱點，提升散熱可靠性。防護等級可達IP65，噪聲低、可靠性高。

其散熱設計中充分考慮溫度均衡、溫差分布連續，防止內部形成明顯的溫差，從而平衡內部單板溫度，提高產品對溫變的適應性。通過熱仿真的方法，分析散熱器、內部功率管、PCB單板器件等的熱數據，設計中使熱平衡分配。具體的散熱設計方案如下：

1)功率電感隔離放置，減小功率腔體內損耗，有效降低腔體內溫度。

2)無熱級聯及低熱阻安裝技術，減少了器件與散熱面間的接觸熱阻，使熱量能夠快速到達散熱面，提高了熱量傳遞效率。

3)內部器件高低溫分區布局設計，對不同耐溫等級的器件進行分區布局，使逆變器的溫度場與器件的耐溫等級實現完美匹配，逆變器內部的空氣流動更加符合“煙囪效應”，實現內部流場分布與高低溫分區設計方案完美匹配，提高逆變器的散熱效率。

4)散熱器采用一體成型技術，散熱翅片與散熱基板間無接觸熱阻，散熱器性能穩定，長期可靠性高。

5)采用CFD仿真技術，實現散熱器的齒間距、齒型及齒厚等設計參數的最優化設計，合理平衡了提升散熱器性能及降低產品重量的矛盾，使散熱器性能在達到最佳化的同時，重量達到最輕。

通過以上散熱理念設計，再加上均熱設計技術，熱隔離、熱屏蔽技術等，實現了無外部風扇，逆變器整體防護等級達到IP65，可靠性高。從西北高原重沙塵和海南海邊強腐蝕環境的長期應用情況看，華為組串式逆變器整體可靠性和防護效果更佳，運行良好，性能穩定。

自然散熱的方式是否能保障內部器件的工作壽命，經過測試，得出以下結論。

圖4 不同熱設計逆變器內部溫度比較

1) PHOTON第三方紅外熱成像測試結果顯示，華為逆變器內部溫度是業界自然散熱型組串型逆變器中最低的(與SMA及ABB同類產品相比)，甚至比業界某些風冷逆變器組串式逆變器內部溫度還要低(與國內某知名廠家30 kW產品對比 )。

2)華為自然散熱組串式逆變器按照高溫50 ℃滿載輸出設計，而業界多數只支持高溫45 ℃滿載輸出，華為逆變器環境適應性更強。

3)關鍵器件IGBT、鋁電解電容等壽命滿足要求。

①IGBT模塊壽命分析。華為逆變器中采用Infineon無銅底板結構IGBT模塊，最大結溫175 ℃，實際測試高溫50 ℃滿載下最大結溫不超過125 ℃，溫度余量50 ℃。根據Infineon研究結論：無銅底板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引起的熱應力。

圖5 Bond wire失效示例

假設20 kW自冷逆變器高溫50 ℃額定滿載工作，每天功率由0到滿載的循環次數假設平均為20次，高溫滿載結溫按照最高125 ℃計算，則溫度最大擺幅為75 ℃；根據IGBT模塊廠家提供溫差和循環壽命次數曲線，IGBT模塊壽命評估結果大于25年。 實際氣候條件下，對于晴朗天氣，每天功率大循環次數較少，實際的情況還會優于理論計算值。

表1 IGBT模塊壽命計算

②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。選取實際的熱帶、亞熱帶和溫帶典型地區典型氣候場景，理論結合實測評估華為自冷逆變器瓶頸器件電解電容壽命超過25年；考慮太陽電池板在高溫下功率還會下降，且氣候變化有云、陰、雨、雪等日照量小的天氣，日照時間比例也大都少于50%，實際情況還會優于理想計算值。在中國海南最熱的地方，測試實際數據顯示，腔內平均溫度在60 ℃以下，依照鋁電解電容的壽命計算方法，溫度每降10℃，壽命增加1倍。華為選用的鋁電解電容可滿足10～12萬h的工作時間，大于25年壽命。如果將冬天的情況一起匯總，平均溫度會更低。

圖6 海南某局點8月逆變器腔內測試溫度

如表2所示，無外部風扇的組串式逆變器，無論是防護等級和可靠性，還是防腐蝕能力，都有較明顯優勢。

組串式逆變器由于大多在高溫、多粉塵、風吹日曬、雨淋等惡劣的戶外應用，如果采用強迫風冷，風扇極易損壞、壽命較短，頻繁更換風扇除影響產品的發電量外，還會帶來昂貴的維護費用；另外，若將逆變器安裝在用戶外墻及閣樓處，強迫風冷的噪聲易引起客戶的投訴。而采用自然散熱的產品，無風扇，產品運行的長期可靠性高、噪聲低，所以自熱散熱、無風扇設計成為戶外小功率逆變器的關鍵競爭力。

表2 有外部風扇和無外部風扇散熱方案比較

3 結論

逆變器的可靠性是一項綜合的系統工程?？煽啃院蛪勖亩贪迨峭庵蔑L扇。而逆變器的自然散熱技術，通過業界最嚴格的產品質量規范流程，以及海量的產品長期應用驗證后，給客戶帶來能夠在25年的生命周期內滿足高溫、高濕、高海拔等各種復雜環境可靠運行的質量要求。

隨著組串式逆變器的大量商用，高發電量、維護便捷甚至免維護是客戶關注的核心指標。逆變器外部風扇的存在對以上指標的實現是一道嚴重障礙。因此，無外部風扇設計對組串式逆變器來說，既是挑戰，也是未來必然的發展趨勢。