组串式逆变器的发展趋势和挑战——无风扇设计

国网宁夏电力公司经济技术研究院 ■ 葛鹏江

0 引言

随着全球煤炭、石油资源的衰竭和世界各国对环境污染的重视，太阳能等可再生能源并网发电技术及应用成为热点。光伏逆变器作为太阳能发电系统的核心设备，其可靠性决定着光伏系统的安全运行，其中，影响光伏逆变器可靠性的重要因素之一就是逆变器的散热性能。逆变器的核心器件对温度比较敏感，温度的变化会影响其开通和关断过程，当温度过高时会导致功率开关性能衰减甚至损坏，因此逆变器的散热方案优劣决定着产品的性能和质量。

近年来，组串式逆变器在地面电站中得到了广泛应用。相比集中式方案，组串式更有明显优势，具体体现在以下几点：发电量高、占地面积小、无需机房、运行可靠、维护方便简单，现已成为大型地面电站应用的趋势。

光伏电站一般选在沙漠、高原等阳光充足的地方，这些区域冬季温度极低、夏季温度非常高，风沙大、海拔高、光照强，有些站点甚至位于海边，腐蚀性强。在这些应用场景中，组串式逆变器通过挂墙、挂光伏板支架或挂独立安装架等方式直接暴露在室外，外部部件被雨水、沙尘腐蚀和老化风险严重。如何做到既能适应恶劣环境，又能满足逆变器的散热，成为大家最关心的问题。

1 组串式逆变器常用散热方式及问题

逆变器散热主要有自然散热和风冷散热两种方式。行业厂商普遍采用通过组串式逆变器外部增加风扇，提升散热能力这种方式散热。但组串式逆变器应用环境较差，其对外部风扇的防护性能要求较高。任何风扇都属于易损部件，转动会有磨损，且不会绝对防尘。恶劣的外部环境会加速风扇老化，对于长达25年运营周期的光伏电站是不可用的，需要不定期更换，给光伏电站带来无休止的麻烦。

当前室外型风扇防护等级一般只能达到IP54/IP55，外部有风扇设计导致整体系统防护等级无法达到IP65。同时为了避免雨水直接冲刷风扇，设计散热方案时，风道会变得很复杂，风道形式受限，一旦风扇失效，散热能力衰减严重，使得逆变器输出功率降额，发电量减少，严重影响客户利益。更为关键的是，因风扇常年暴露在雨水和沙尘中，腐蚀严重，寿命急剧下降，逆变器生命周期内需要多次更换风扇，维护成本极高。

图1为某户外环境电站的逆变器运行1年后，风扇积灰和腐蚀的剖析图，可看出，腐蚀情况非常严重。

图1 某户外电站逆变器风扇积尘腐蚀示意图

风扇的失效模式与温度关系很小，主要由风沙、腐蚀、转动磨损造成损坏。有外置风扇的组串式逆变器，一般5～10年需要全部更换风扇。那么常规的光伏电站，批量更换风扇一次要损失多少钱呢？

以100 MW电站为例，用40 kW组串式逆变器，需2500台；每台逆变器4个风扇，共10000个风扇。风扇成本为65元，更换人工成本为50元，总共所需成本为：

10000×(65+50)=115 万元

若故障平均中断时间为3 h，则风扇故障造成的发电量损失为：

10000×40/2×3 ×0.9=54 万元

因此，5～10年内由于风扇故障造成的更换成本和发电量损失共计近170万元。

然而，对客户最大的伤害还在于这会严重影响整个运维效率，运维人员将被大量浪费在无效、无价值的维护工作上。

2 组串式逆变器散热问题的应对解决方案

无外部风扇设计是目前较先进的解决方案。逆变器外部无需安装风扇，防护等级可达到IP65，且噪声低、可靠性高，消除因风扇失效散热能力衰减导致的功率降额，易维护、成本低。

随着输出功率提升和体积减小，散热能力将是组串式逆变器设计的最大瓶颈。针对这个问题，可通过采用铜铝复合、热管、均温板等强化方式减小热阻，提升散热器散热能力。另一种重要方式是腔体内部增加扰流风扇来改善内部热点和提升腔体散热能力，扰流风扇由于在腔体内部，不存在防护问题，即使失效，对整体散热能力和功率影响不大。以华为逆变器为例，其散热设计方案效果如图2、图3所示。

图2 无外部风扇，自然散热、防沙能力强

图3 内部强制扰流，合理布局、消除热点

SUN2000逆变器采用全密闭自然散热设计，通过采用热隔离、热屏蔽技术，将发热器件和热敏感器件分腔合理布局，确保整机无局部热点，提升散热可靠性。防护等级可达IP65，噪声低、可靠性高。

其散热设计中充分考虑温度均衡、温差分布连续，防止内部形成明显的温差，从而平衡内部单板温度，提高产品对温变的适应性。通过热仿真的方法，分析散热器、内部功率管、PCB单板器件等的热数据，设计中使热平衡分配。具体的散热设计方案如下：

1)功率电感隔离放置，减小功率腔体内损耗，有效降低腔体内温度。

2)无热级联及低热阻安装技术，减少了器件与散热面间的接触热阻，使热量能够快速到达散热面，提高了热量传递效率。

3)内部器件高低温分区布局设计，对不同耐温等级的器件进行分区布局，使逆变器的温度场与器件的耐温等级实现完美匹配，逆变器内部的空气流动更加符合“烟囱效应”，实现内部流场分布与高低温分区设计方案完美匹配，提高逆变器的散热效率。

4)散热器采用一体成型技术，散热翅片与散热基板间无接触热阻，散热器性能稳定，长期可靠性高。

5)采用CFD仿真技术，实现散热器的齿间距、齿型及齿厚等设计参数的最优化设计，合理平衡了提升散热器性能及降低产品重量的矛盾，使散热器性能在达到最佳化的同时，重量达到最轻。

通过以上散热理念设计，再加上均热设计技术，热隔离、热屏蔽技术等，实现了无外部风扇，逆变器整体防护等级达到IP65，可靠性高。从西北高原重沙尘和海南海边强腐蚀环境的长期应用情况看，华为组串式逆变器整体可靠性和防护效果更佳，运行良好，性能稳定。

自然散热的方式是否能保障内部器件的工作寿命，经过测试，得出以下结论。

图4 不同热设计逆变器内部温度比较

1) PHOTON第三方红外热成像测试结果显示，华为逆变器内部温度是业界自然散热型组串型逆变器中最低的(与SMA及ABB同类产品相比)，甚至比业界某些风冷逆变器组串式逆变器内部温度还要低(与国内某知名厂家30 kW产品对比 )。

2)华为自然散热组串式逆变器按照高温50 ℃满载输出设计，而业界多数只支持高温45 ℃满载输出，华为逆变器环境适应性更强。

3)关键器件IGBT、铝电解电容等寿命满足要求。

①IGBT模块寿命分析。华为逆变器中采用Infineon无铜底板结构IGBT模块，最大结温175 ℃，实际测试高温50 ℃满载下最大结温不超过125 ℃，温度余量50 ℃。根据Infineon研究结论：无铜底板IGBT模块失效模式主要是Bond wire失效，而造成Bond wire失效的主要原因是功率循环引起的热应力。

图5 Bond wire失效示例

假设20 kW自冷逆变器高温50 ℃额定满载工作，每天功率由0到满载的循环次数假设平均为20次，高温满载结温按照最高125 ℃计算，则温度最大摆幅为75 ℃；根据IGBT模块厂家提供温差和循环寿命次数曲线，IGBT模块寿命评估结果大于25年。 实际气候条件下，对于晴朗天气，每天功率大循环次数较少，实际的情况还会优于理论计算值。

表1 IGBT模块寿命计算

②铝电解电容寿命分析。铝电解电容存在电解液干涸、氧化膜退化、橡胶塞老化等失效模式，属于寿命衰减型器件。选取实际的热带、亚热带和温带典型地区典型气候场景，理论结合实测评估华为自冷逆变器瓶颈器件电解电容寿命超过25年；考虑太阳电池板在高温下功率还会下降，且气候变化有云、阴、雨、雪等日照量小的天气，日照时间比例也大都少于50%，实际情况还会优于理想计算值。在中国海南最热的地方，测试实际数据显示，腔内平均温度在60 ℃以下，依照铝电解电容的寿命计算方法，温度每降10℃，寿命增加1倍。华为选用的铝电解电容可满足10～12万h的工作时间，大于25年寿命。如果将冬天的情况一起汇总，平均温度会更低。

图6 海南某局点8月逆变器腔内测试温度

如表2所示，无外部风扇的组串式逆变器，无论是防护等级和可靠性，还是防腐蚀能力，都有较明显优势。

组串式逆变器由于大多在高温、多粉尘、风吹日晒、雨淋等恶劣的户外应用，如果采用强迫风冷，风扇极易损坏、寿命较短，频繁更换风扇除影响产品的发电量外，还会带来昂贵的维护费用；另外，若将逆变器安装在用户外墙及阁楼处，强迫风冷的噪声易引起客户的投诉。而采用自然散热的产品，无风扇，产品运行的长期可靠性高、噪声低，所以自热散热、无风扇设计成为户外小功率逆变器的关键竞争力。

表2 有外部风扇和无外部风扇散热方案比较

3 结论

逆变器的可靠性是一项综合的系统工程。可靠性和寿命的短板是外置风扇。而逆变器的自然散热技术，通过业界最严格的产品质量规范流程，以及海量的产品长期应用验证后，给客户带来能够在25年的生命周期内满足高温、高湿、高海拔等各种复杂环境可靠运行的质量要求。

随着组串式逆变器的大量商用，高发电量、维护便捷甚至免维护是客户关注的核心指标。逆变器外部风扇的存在对以上指标的实现是一道严重障碍。因此，无外部风扇设计对组串式逆变器来说，既是挑战，也是未来必然的发展趋势。