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冷的組串式逆變器溫升更低，你信嗎？有人拿Photon的測試結果對兩種機器溫升進行對比，得出自然散熱溫升更低的結論。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行測試，并依據(jù)測試結果將逆變器按A++到F進行評級。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。考慮逆變器轉換效率與溫度的相關性，Photon采用熱成像技術對逆變器內(nèi)部溫升進行測試，以修正評級結果，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行的，和實際工況不同，對測試結果有影響。此外，不同的內(nèi)部結構對測試結果也會產(chǎn)生影響，多層結構的逆變器，熱成像只能測試到上層的溫度。因此直接對比這個結果是不合理的。

• 采用單層結構的組串式逆變器。Photon于2013年2月公布了國內(nèi)某知名廠家采用強制風冷散熱的組串式逆變器測試結果，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)部采用單層結構設計，熱成像儀可測得內(nèi)部大部分部件的溫度。



圖2 單層結構逆變器Photon溫升測試結果（數(shù)據(jù)來源：Photon雜志）

• 采用多層結構的組串式逆變器。Photon于2013年6月公布了某自然冷卻的組串式逆變器測試結果，機器內(nèi)部最高溫度點在繼電器處（80.1℃）。但Photon在測試結果中給出了“由于裝置為多層設計結構，熱成像中不可能捕獲到所有元件”的文字說明，而在單層結構組串式逆變器的測試結果中卻未加以說明。因為多層結構，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 多層結構逆變器Photon溫升測試結果（數(shù)據(jù)來源：Photon雜志）



圖4 多層結構溫升測試示意圖，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行的，和實際工況存在一定的差別；
• 采用多層結構設計的組串式逆變器，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的測試結果無法真實反應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果

不同逆變器產(chǎn)品溫升對比，應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)部關鍵元器件進行測量，如圖5。該方法為標準測試法。



圖5 接觸式溫升測試熱電阻直接貼在器件上

某機構曾按照接觸測溫方法對采用不同散熱方式的兩種結構逆變器進行溫升測試，得到的結果如表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，進而導致成本的增加，而且安裝維護不方便。因此設計上需要尋找平衡點。這也是導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防護等級、25年長壽命的風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%的直流側損耗和不同地區(qū)光照條件差異，實際到逆變器直流側的容量不到36kW，逆變器交流輸出容量僅為其標稱額定功率值的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，進一步影響了發(fā)電量收益。

5 結論

（1）Photon溫升測試是在開蓋情況下進行的，與實際工況不同，且逆變器結構不同，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）使用熱電阻標準測試方法，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冷方案高15℃~27℃。

（3）國內(nèi)多個電站的實測結果也顯示，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？