组串式逆变器散热分析

1 引言

组串式逆变器散热方式主要有强制风冷和自然冷却两种，针对两种散热方式的实际效果，笔者抽取了不同厂家不同散热方式的两款组串式逆变器进行实验对比，发现在同样的环境温度下，强制风冷的逆变器内部环境温度及核心器件温升比自然冷却的逆变器低约20℃左右，强制风冷的逆变器散热性能更优，实际使用寿命更有保障，逆变器可在较高的环境温度下满功率输出，保证发电量。通过对国内某电站现场实地考察发现，自然冷却的组串式逆变器由于散热性能差，夏天高温环境下出现降额运行，造成电站发电量损失。

2 实验验证：单机25kW以上的逆变器采用强制风冷更适宜

随着分布式光伏的发展，25kW~60kW功率等级的组串式逆变器广泛应用于工商业屋顶、小型山丘等光伏电站，由于安装在户外，工作环境温度相对较高；同时逆变器厂家为了方便系统安装，逆变器尺寸越做越小，开关器件产生的热量较为集中，对组串式逆变器的散热能力提出了很高挑战。散热能力的优劣最终表现出来的是机器内部环境温度及器件温度的高低，并将直接影响着逆变器实际发电量和使用寿命。为了保证电站25年内高效可靠的发电，众多的电站投资及设计人员在组串式逆变器选型时，对逆变器散热能力的关注越来越多。

《散热方案选择主要取决于逆变器功率》一文从理论分析认为：当组串式逆变器单机功率大于25kW时，散热热流密度较大，从散热效果的角度采用强制风冷散热方式更为适宜。为了验证单机功率25kW以上的组串式逆变器强制风冷和自然冷却的实际散热效果差异，笔者挑选了国内主流的两厂家40kW组串式逆变器进行相关实验：A厂家采用强制风冷散热方式，B厂家采用自然冷却散热方式。两厂家的逆变器均在环境温度45℃和相同交直流电压条件下稳定运行，通过在内部环境、膜电容、电解电容、逆变模块等关键区域布置温度测点，测得各点温度值如表1。测试时发现B厂家40kW逆变器实际最大输出功率只有32kW（80%负载），针对此现象笔者仔细分析后得出两点原因，一是在环境温度45℃时逆变器出现了降额运行，二是逆变器自身容量配置设计不合理，输出功率达不到标称的额定功率。如果自然冷却的逆变器工作在满载，实际的温升将更高。

测试机器	A厂家40kW逆变器	B厂家40kW逆变器	温差计算
散热方式	强制风冷	自然冷却
测试条件	环境温度：45℃ MPPT电压：530V 输出功率：40kW	环境温度：45℃ MPPT电压：530V 输出功率：32kW(降额)	B厂家比A厂家高
上箱体内部	68℃	83.2℃	15.2℃
交流滤波电容	63.8℃	85.5℃	21.7℃
电抗器外壳	60℃	81.4℃	21.4℃
直流母线电容	67.3℃	84.9℃	17.6℃
A / B / C相IGBT基板	65.4 / 66.9 / 65℃	93 / 94.4 / 91.3℃	27.6 / 27.5 / 26.3℃
测试结论：相同测试条件下，采用自然冷却方案的组串式逆变器内部各器件温度比强制风冷方案高15℃~26℃。

表1 不同厂家不同散热方式组串式逆变器对比实验

众所周知，电子器件实际使用寿命与其所处的环境温度密切相关，温度越高，器件实际使用寿命越短，根据电子器件寿命与环境温度的“10度法则”，即环境温度每升高10度，电子器件寿命将减少一半。20℃的温差，意味着不同散热方式的两款产品寿命相差4倍。因此，为了提高逆变器的散热能力，保障核心电子器件的使用寿命，单机功率等级在25kW以上的组串式逆变器采用强制风冷散热方式更适宜。

3 现场运行：自然冷却散热性能差，高温时降额运行，损失发电量

笔者查阅了A厂家和B厂家两款40kW功率等级的组串式逆变器技术规格书发现，A厂家采用强制风冷散热方式的逆变器在环境温度超过50℃时出现降额运行，而B厂家采用自然冷却散热方式的逆变器在环境温度超过25℃时即需降额运行，如图1所示。组串式逆变器直接安装在户外，工作环境温度相对较高，尤其是屋顶光伏电站，采用强制风冷的逆变器散热性能高，在环境温度高时仍可满额运行，保障逆变器发电量，反之，采用自然冷却的逆变器散热性能差，逆变器会提前降额运行，对逆变器发电量造成损失。

图1 不同厂家组串式逆变器降额曲线

笔者走访国内某光伏电站时发现，现场的组串式逆变器由于采用自然冷却散热方式，散热能力差，电站本地监控显示在2015年7月17日11：37至13：36时间段内逆变器出现降额运行，如图2所示。查阅监控历史记录可发现仅在2015年7月1日到7月25日期间就有14天出现了降额现象，降额运行造成的发电量损失超过年发电量的1%。若按照1MW年发电150万度、0.9元/度计算，1MW电站每年约损失1.35万元。以此推算出100MW光伏电站，25年发电量损失约达到3375万元。

图2 某光伏电站本地监控系统记录

4 实际应用：主流逆变器厂家使用高防护户外风扇进行散热

通过上述逆变器对比测试和现场运行状况发现，组串式逆变器采用强制风冷散热方案散热性能更佳，逆变器的实际发电量和使用寿命更有保障。那么国内外主流厂家的组串式逆变器在设计上是否也有如此考虑呢？笔者通过对国内外主流的组串逆变器厂家25kW以上产品的散热设计方式调研发现，主流组串式逆变器厂家25kW功率等级以上的产品大都采用风扇散热方式，如SMA、Sungrow、Delta等，并选用IP65高防护能力的户外风扇，以保证逆变器满足IP65防护等级前提下，提高逆变器的散热能力。

图3 高防护户外风扇在主流组串式逆变器的应用

5 结论

通过组串式逆变器散热能力对比实验发现，40kW功率等级的组串式逆变器，强制风冷的散热效果大大优于自然冷却散热方式，逆变器内部电容、IGBT等关键部件温升降低了20℃左右，可确保逆变器长寿命可靠高效工作。而采用自然冷却方式的逆变器温升高，虽然短期内能运行，但是寿命和发电量将大大降低。同时通过对光伏电站现场运行调研发现，采用自然冷却方式的组串式逆变器由于散热效果差，高温环境下出现降额运行，导致电站发电量损失超过年发电量的1%，严重影响了投资方的收益。再次验证了“当组串式逆变器单机功率大于25kW时，散热热流密度较大，采用强制风冷散热方式更为适宜”设计观点的正确性。