箱式一體化光伏逆變站通風散熱分析

河南森源電氣股份有限公司 趙長順

相對于初期光伏電站是分散式土建方式，施工周期非常長且電站擴容完善有一定難度，隨著一體化箱式光伏電站出現(xiàn)，已成為未來光伏建站發(fā)展大趨勢，且一體化的處置方式可把高壓柜、變壓器、直流配電柜、逆變柜、交流柜、控制柜等整體集成在箱式構造中，此設計能縮減安裝空間、降低施工整體工期，最大程度地節(jié)省投資者投入且極大降低了設備調(diào)整并網(wǎng)周期，助力于投資者迅速創(chuàng)建電站且能迅速回籠資本，并且箱式結構設計方便運送，極易完成電站擴容。然而，一體化箱式光伏逆變站構造緊密，發(fā)熱集中、熱密度強，較強的環(huán)境溫度導致系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性下降，科學通風與排風設計勢必為箱式電站的核心技術，優(yōu)質(zhì)的通風散熱則要全面考量板級、模塊級與系統(tǒng)級的改善，其中設計進出風口和排風風機選擇類型務必實現(xiàn)在極端環(huán)境下熱量的釋放，而逆變柜、變壓器室內(nèi)的通風散熱尤為關鍵。

1 箱式一體化光伏逆變站概述

箱式一體化光伏逆變站匯集了高壓柜、變壓器、直流配電柜、逆變柜、交流柜、控制柜及其二分裂變壓器等設備，重點的系統(tǒng)消耗來自逆變柜與升壓變壓器，二者消耗比值占到整體消耗85%之上，且逆變柜消耗核心零部件包含開關管、電解電容、金膜電容、濾波電感等，上述零部件的消耗隨著溫度上升整體有顯著上升態(tài)勢[1]。

然而，較大功率逆變器的主流拓撲主要呈現(xiàn)I字形或T 字形，在這樣的設計中，通過結合賽米控SKM150MLI066TIGBT 模塊搭載創(chuàng)建500kW I 字型逆變功率單元，能較為科學的對開關零件損耗情況進行計算。其中500kW I 字形三電平功率模塊的開關器消耗分布為：1MW I 字形三電平逆變功率模塊中開關管消耗約7.2kW，占比值約為整體消耗的一半，而通態(tài)消耗占比逆變功率模塊消耗的90%，從數(shù)據(jù)得出結論為逆變器功率模塊消耗占據(jù)絕大部分，此部分消耗的溫度特點會給逆變器在不一樣溫度下的效果產(chǎn)生一定的干擾,其功率模塊通態(tài)損耗計算公式為Pcond=dVcesatIe，式中Pcond是IGBT 通態(tài)損耗、W；d 為IGBT 占空比，Vcesat是IGBT 通態(tài)飽和壓降、V；Ie是IGBT 通態(tài)電流、A。

而IGBT 通態(tài)飽和壓降Vcesat與通態(tài)集電極電流Ie的聯(lián)系展現(xiàn)為近似線性關系，二者間的近似關系公式為Vcesat=RT0+RceIe，其中RTo是IGBT 門檻電壓，V；Rce分別為IGBT 輸出特性斜率，V/A。結合上述另個公式獲得了IGBT 通態(tài)損耗的展現(xiàn)方式。當在額定情況下，IGBT 結溫通常在100℃上下，且伴隨著熱度提升Rce會逐漸上升，IGBT 的通態(tài)損耗則會顯著呈上升趨勢，150℃的Rce大約為125℃Rce的114%，消耗呈現(xiàn)上升趨勢[2]。不僅有導通消耗，IGBT 開關消耗一并跟環(huán)境溫度呈現(xiàn)一定關聯(lián)。

Pcond=d(RTOIe+RceI2e)，然而濾波電感與升壓變壓器的消耗重點零件為鐵損和銅損。其中呈現(xiàn)平穩(wěn)的溫度特點是磁性材料鐵硅、硅鋼片，而鐵損隨熱度改變可以忽視。變壓器繞組采取的鋁箔、銅箔等金屬原料的電阻率隨著熱度改變有顯著變化，具體導體電阻參照上述公式計算。其中鋁與銅的電阻熱度系數(shù)可為0.0039，溫度改變十攝氏度電阻值隨之變動3.9%。環(huán)境溫度改變十攝氏度導體阻抗等引發(fā)的系統(tǒng)整體消耗提升大約0.05%。

公式Rt=R20[1+α(T-20)]中，α 是溫度系數(shù)，1攝氏度；R20是二十攝氏度時的電阻率。鋁電解電容消耗為Losscap=ESR×IRipple2，式中，Losscap是鋁電解電容消耗；ESR 是鋁電解電容等效串聯(lián)抗阻；IRipple2是鋁電解電容紋波電流[3]。隨著環(huán)境熱度提升鋁電解電容的電解液活性逐漸加強、ESR 隨之下降，紋波電流不動、消耗漸漸下降，效率則會提升。但是較高的環(huán)境溫度造成鋁電解電容壽命的迅速降低，不可長久平穩(wěn)可靠運轉下去。另外，電解電容的使用周期也會受到自身物理化學特點制約，與25年逆變器使用周期相差非常大，基于此在光伏逆變站中漸被金膜電容所代替，畢竟金膜電容消耗遭受熱度干擾非常小，往往可忽略不計。

2 設計通風散熱的基本原則

在進行通風散熱設計的過程中，首先需根據(jù)國家相關規(guī)定及標準進行通風散熱設計。在設計過程中需將整個系統(tǒng)中各元件的做功情況考慮在內(nèi)，平衡優(yōu)化，達到設定的效率、可靠性等總體指標，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實用性[4]。

針對箱式一體化光伏逆變站的通風散熱設計，除遵循從上到下的設計理念外，還需根據(jù)具體施工情況進行從下到上的設計。根據(jù)逆變站的通風散熱設計理念的區(qū)別，可將電站的通風散熱設計劃分為多個等級，通過不同等級、不同設計方式的設計具體構成實現(xiàn)對逆變站通風散熱設計的科學性與合理性。同時在進行相關設計過程中，需針對逆變站的消耗情況進行嚴格計算，還需結合逆變站在應用中的實際進風量，通過結合多方面要素的計算方式進行科學的計算，確保通風散熱設計的合理性與準確性[5]。

另外在單板設計中，其主要集中了控制電路和部分的主功率電路，在板級設計中，能實現(xiàn)對元器件型號的選擇、元器件安裝布置的設計以及對散熱器等材料的選擇等，能夠較為科學的實現(xiàn)相關設計。針對模塊級的設計中，還需重點將損耗計算到其中，并根據(jù)材料的選擇與通風的面積等進行模塊的科學設計。在進行模塊設計中還需重點將防塵設計應用到其中，確保模塊中的風扇及其他元器件不會受到灰塵的影響。在設計的模塊為串聯(lián)時，其各個功率單元的進風方向應選擇從下面進風，實現(xiàn)冷空氣從下到上的流動、實現(xiàn)散熱的最優(yōu)化。如：有些項目融合逆變器外形尺寸與風機選擇類型，風道橫截面積最終達到0.9m2。

最終，箱式一體機光伏逆變站系統(tǒng)設計的重點牽涉到進或出風口的設計、系統(tǒng)風機選擇類型、排風管道規(guī)劃設計等，尤其在系統(tǒng)風道設計中，盡最大努力選擇采用直通風道，規(guī)避風道彎曲、導致氣壓流失。一旦風道拐彎不可避免則要平滑的轉彎，漸漸轉向需要走向的位置。風道設計機柜通常為底部進風、頂部出風的鼓風風道，風道非常短，拐彎也相對較少，風道效果非常理想。此外風道與箱體外殼的關聯(lián)應用軟關聯(lián)，降低了風量流失。

3 進風口與出風口設計具體分析

目前有關學者提出，IMW 光伏逆變器的應用效率一般能夠達到98.5%以上，在這樣的極端做功情況下系統(tǒng)損耗能達到30千瓦以上，以此損耗設計通風散熱系統(tǒng)，不影響方法的有效性。通風量計算公式是q=wCPΔT，式中q 為單位時間里面的散熱數(shù)量，KJ/S；w 指單位時間空氣質(zhì)量，kg/s；Cp指空氣比熱容，KJ（kg.℃）；ΔT 指進風口、出風口溫度差值，℃。然而，單位時間里空氣質(zhì)量方程轉換為空氣密度與空氣流量的方程式W=pL，式中p 具體為空氣密度，kg/m3；L 是空氣流量，m3/s。隨后把通風量計算公式植入到空氣流量的方程式獲空氣流量公式為L=q/pCpΔT=P/pCpΔT，式中P為損耗功率，kW。

設計中還需重點考慮到防塵設計與防噪聲設計。該系統(tǒng)中進風口與排風口的空氣流動速度約每秒3.4米，如按照風力的等級劃分能夠達到三級風力。在這樣的設計中要想確保設備有著正常的應用，針對進風口的設計應控制在0.5平方米左右，且在具體設計中還需根據(jù)箱體的具體安裝位置來確定。

在進行箱體逆變站的進風口設計中，為達到防塵目的還需在窗口位置安裝防塵窗。當防塵窗安置完成后，由于該窗以百葉窗結構為主，在一定程度上會嚴重影響到通過效果，會出現(xiàn)減弱氣流流動情況。針對該情況，在進行通風口的設計中還需實現(xiàn)計算出防塵窗對氣流的阻礙影響，然后再進行進風口進風量的設計。在后期的使用中防塵窗上還會堆積很多灰塵、也會嚴重影響到進風的效率，都需要在設計之初將其考慮進去再進行設計。

針對逆變站設計中，以箱體一體化設計為主會造成在運行過程中產(chǎn)生一定的能耗，因此需考慮到將模塊產(chǎn)生的能耗熱量科學排除到箱體以外，實現(xiàn)對箱體內(nèi)的科學換氣，進而實現(xiàn)較為科學的散熱處理。電站箱體采用抽風方式形成層流，風量均勻、消除熱點，熱空氣被集中換出。另外在針對變電箱內(nèi)進行散熱處理過程中，結合直流風扇進行散熱能有更高效率，并且在進行風扇的啟動中，啟動力矩大，其能夠實現(xiàn)對風扇的低能耗啟動，力矩曲線非線性，啟動力矩小，但使用成本較低、不需要設計風扇直流電源，基于成本及供電可靠性等方面考慮，機柜散熱一般選用交流風扇。另外在進行相關設計過程中還要注意到海拔對風扇的影響，一般隨著海拔的升高風扇的散熱能力會降低。因此風扇排風散熱使用過程中一定留意工作點的變動影響。

箱式一體化逆變站的逆變器通風散熱構造為：風道類似直線型，進風口是旋風結構、進風也可濾掉沙塵，進風口面積達到1.2m2，經(jīng)過彈性密條關聯(lián)進風口與逆變器，最大程度地減少風阻阻力，風機構造為并聯(lián)與串聯(lián)混合構造，排風口是多層防雨防雪百合葉，排風口通風面積大約是1.6m2。通過實踐使用，此方案在自然通風情況下，單純的逆變器自身風機開啟實現(xiàn)系統(tǒng)一半上下功率穩(wěn)定運轉，在強制通風狀況下開啟逆變器定補風機實現(xiàn)110%容量情況下的平穩(wěn)運轉。總而言之，箱體一體化逆變站設計中心為箱體與逆變器柜體的一體化設計，實現(xiàn)無縫連接，規(guī)避簡易的組合安裝，極大提升了逆變器的散熱效率，提高了使用周期。通過實踐的運轉得出結論，逆變器的效率對比常規(guī)逆變器箱總體提升0.5%上下。

4 變壓器室內(nèi)通風設計及其他原因干擾散熱情況

箱式一體化逆變站匯集了升壓變壓器，從兩分裂繞組變壓器完成兩臺500kW 逆變器的并網(wǎng)，集中簡便、配置便捷。根據(jù)箱式一體化逆變站的結構形式來看，美式箱變結構和華式箱變結構變壓器都布置在箱式一體化逆變站外部，散熱可不用考慮，僅需考慮歐式箱變結構的箱式一體化逆變站。而1000kVA 變壓器的效率通常為98.5%上下，消耗大約在15kW，變壓器平穩(wěn)與變壓器室通風散熱有緊密聯(lián)系。然而變壓器優(yōu)良的通風散熱設計為下部進風、上部風分，變壓器室最底部邊緣設立進風口凹、產(chǎn)生煙囪效果。尤其在進或出風口位置，變壓器位置、變壓器型號明確之后，變壓器室的通風散熱設計重點就落在進出風口面積核算上。

全方位考量變壓器通風與散熱構造，經(jīng)過仿真完善。進風口設立通風面積為1.7m2，通風窗箱體里面設計導流板，冷風引至變壓器本體，變壓器室頂部設立排風口是多層防雨防雪百葉窗，變壓器在運轉進程中一半負載下依靠自然通風，超出一半后在開啟強制通風?？諝饷芏扔龅酱髿鈮杭捌淇諝鉁囟雀蓴_后，如公式中的p=1.293× P/1.01325×105×273/(273+L)，其中p 為空氣大氣壓，Pa；t 是進風口空氣溫度，℃。空氣相比熱容溫度干擾非常小可忽略不計，相反受到空氣濕度干擾比較顯著。

然而海拔、空氣濕度分別影響到空氣的密度與比熱容，不一樣的海拔和空氣濕度對于箱式一體化光伏逆變站的通風散熱產(chǎn)生了不同干擾，而在設計前期及其計算時務必重視系統(tǒng)的應用環(huán)境需求。此外箱式一體化逆變電站柜體巨大，輻射散熱一樣發(fā)揮效果，柜體及其隔板應用著漆解決，盡量避免采用鍍鋁鋅鋼板，而鍍鋁鋅鋼板的輻射率只是0.2，著漆后鋼板輻射率可實現(xiàn)0.9上下，結果有顯著變化。

發(fā)展方向：箱式一體化光伏逆變站散熱除空氣溫度和濕度對其有影響外，其升壓變壓器和逆變柜兩電氣設備間也相互影響，因此大容量逆變器逐步采用箱式一體化光伏逆變站箱，該方案不僅解決了大容量升壓變壓器散熱片布置難或無布置空間的問題，還解決了逆變器在箱體內(nèi)散熱以及兩電氣設備間的輻射散熱問題，提高了箱式一體化光伏逆變站性價比。

綜上，本文所研究的箱式一體化逆變站的通風設計，能綜合考慮到系統(tǒng)的能耗情況、通風的類型及通風風扇的類型或是海拔氣候等影響，在進行該變電箱的設計中能夠更加科學地對散熱進行設計，確保變電箱能有更加高效的應用，提高散熱設備的散熱效率，縮減了變電站投入費用，進一步增加了變電站的運轉周期，提升了太陽能發(fā)電的效率，全面提升了社會與經(jīng)濟收益。