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制風(fēng)冷的組串式逆變器溫升更低，你信嗎？有人拿Photon的測試結(jié)果對兩種機器溫升進(jìn)行對比，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)了高溫降額運行現(xiàn)象。多個電站調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，后臺監(jiān)控上顯示：自然冷卻的逆變器機器內(nèi)部環(huán)境溫度比強制風(fēng)冷高10℃以上。真實數(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溫升測試不能用于對比

Photon從2007年初開始，根據(jù)其制定的綜合效率測量方法對逆變器效率進(jìn)行測試，并依據(jù)測試結(jié)果將逆變器按A++到F進(jìn)行評級。截止到2014年，多個廠家超過120款逆變器接受了Photon測試和評級。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)對逆變器內(nèi)部溫升進(jìn)行測試，以修正評級結(jié)果，但該方法不是為了對比不同產(chǎn)品的實際溫升。



圖1 Photon溫升測試方法

熱成像測試方式簡單、方便、直觀，但測量存在盲區(qū)，儀器輻射不到的部位無法被測量。而且是在機箱開蓋的情況下進(jìn)行的，和實際工況不同，對測試結(jié)果有影響。此外，不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對測試結(jié)果也會產(chǎn)生影響，多層結(jié)構(gòu)的逆變器，熱成像只能測試到上層的溫度。因此直接對比這個結(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月公布了國內(nèi)某知名廠家采用強制風(fēng)冷散熱的組串式逆變器測試結(jié)果，機器內(nèi)部最高溫度點在共模電感（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，熱成像儀可測得內(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試結(jié)果，機器內(nèi)部最高溫度點在繼電器處（80.1℃）。但Photon在測試結(jié)果中給出了“由于裝置為多層設(shè)計結(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)組串式逆變器的測試結(jié)果中卻未加以說明。因為多層結(jié)構(gòu)，熱成像儀只能測量到逆變器上層器件溫度，無法測得下層元件溫度，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溫升測試結(jié)果（數(shù)據(jù)來源：Photon雜志）



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

綜上所述可見：

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

3 正確的溫升對比測試方法及結(jié)果

不同逆變器產(chǎn)品溫升對比，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溫方法對機器內(nèi)部關(guān)鍵元器件進(jìn)行測量，如圖5。該方法為標(biāo)準(zhǔn)測試法。



圖5 接觸式溫升測試熱電阻直接貼在器件上

某機構(gòu)曾按照接觸測溫方法對采用不同散熱方式的兩種結(jié)構(gòu)逆變器進(jìn)行溫升測試，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比實驗（雙擊查看大圖）



4 現(xiàn)場監(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)境溫度高的時候出現(xiàn)了降額運行，通過計算降額至少帶來每年1%以上的發(fā)電量損失。

近期走訪國內(nèi)某電站時也發(fā)現(xiàn)，該電站同時安裝了自然冷卻和強制風(fēng)冷兩種散熱方式的40kW組串式逆變器，通過實時上傳到監(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，實際元器件溫升更高，特別是夏季高溫情況下。

表2 國內(nèi)某光伏電站強制風(fēng)冷與自然冷卻逆變器內(nèi)部溫度實測對比



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。而逆變器大部分時間需滿載輸出。對于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)計上需要尋找平衡點。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、25年長壽命的風(fēng)扇完全滿足使用要求。

國內(nèi)某采用自然冷卻的組串式逆變器正是因為散熱性能不好的緣故，容量設(shè)計上總是短斤缺兩，40kW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，實際到逆變器直流側(cè)的容量不到36kW，逆變器交流輸出容量僅為其標(biāo)稱額定功率值的80%左右，系統(tǒng)一直處于降功率運行狀態(tài)，間接的提高了用戶的投資成本。既便如此，現(xiàn)場仍然出現(xiàn)了高溫降額運行的現(xiàn)象，進(jìn)一步影響了發(fā)電量收益。

5 結(jié)論

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

（2）使用熱電阻標(biāo)準(zhǔn)測試方法，相同測試條件下，采用自然冷卻方案的組串式逆變器內(nèi)部各器件溫度比強制風(fēng)冷方案高15℃~27℃。

（3）國內(nèi)多個電站的實測結(jié)果也顯示，采用自然冷卻的逆變器內(nèi)部環(huán)境溫度比強制風(fēng)冷至少高10℃以上，高溫下出現(xiàn)了降額運行情況；

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