黃童毅，周衛(wèi)華，黃千澤，何林，張威

（1-珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070；2-空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)高速發(fā)展及安裝成本的降低，世界上光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量大幅上升，預(yù)計(jì)2050年左右，光伏發(fā)電將達(dá)到世界總發(fā)電量10%～20%[1]。光伏空調(diào)作為光伏技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)物在近幾年受到重視，市場上陸續(xù)出現(xiàn)光伏空調(diào)產(chǎn)品，如光伏直驅(qū)變頻離心式冷水機(jī)組[2]。

作為光伏直驅(qū)變頻離心式冷水機(jī)組（以下簡稱光伏離心機(jī)）的能量樞紐中心——變頻器，冷卻性能是影響變頻器性能和可靠性的一個關(guān)鍵因素。近些年，大功率功率器件常用的散熱器研究包括強(qiáng)迫風(fēng)冷式散熱器、熱管散熱器、液冷式散熱器和集成式水冷散熱器等[3-5]；常用的熱分析手段一方面包括損耗分析、設(shè)計(jì)選型[6-8]；另一方面可通過熱仿真技術(shù)輔助優(yōu)化冷卻設(shè)計(jì)[9-11]。

冷板換熱作為應(yīng)用于高功率密度器件冷卻的技術(shù)之一，近年來在國內(nèi)受到重視。張雨龍等[12]實(shí)驗(yàn)研究了陣列微射流冷板傳熱及壓降特性，當(dāng)熱源表面溫度為78.9 ℃，噴射速率達(dá)到0.58 m/s，散熱功率密度可達(dá)29.89 W/cm2。陳學(xué)永等[13]分析了膠接、焊接和鑄造成形工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及對埋管式冷板散熱性能的影響，指出基板與銅管之間熱阻越小，散熱性能越好。姜紅霞等[14]通過幾何參數(shù)、性能參數(shù)的計(jì)算，設(shè)計(jì)用于風(fēng)電變流器絕緣柵雙極型晶體管（Insulated gate bipolar transistor，IGBT）模塊的冷板，可滿足表面溫度低于80 ℃的要求。牛彥杰等[15]設(shè)計(jì)改進(jìn)一款S型流道壓管式冷板散熱器，采用進(jìn)出流道交錯式排列，均溫性更好，進(jìn)出口壓差小。

在換熱原理上，相變冷卻利用汽化潛熱，能迅速地吸收熱量，還具有能量消耗低的特點(diǎn)，被應(yīng)用于中、高熱流密度設(shè)備中。王姍姍[16]研究了套管式相變冷卻系統(tǒng)的換熱特性，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略；唐強(qiáng)[17]定義了一個具有很強(qiáng)應(yīng)用性的總傳熱系數(shù)概念，將IGBT功率、冷板最高溫度和氣流來流速度聯(lián)系在一起，為理論研究與工程應(yīng)用搭建橋梁；錢吉裕等[18]研究熱管冷板在不同熱流密度下的冷卻性能，在熱流密度為46.3 W/cm2時，較普通冷板溫度降低12.5 ℃。

鑒于冷板換熱、相變冷卻的研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)，光伏離心機(jī)變頻器采用了獨(dú)立相變冷卻系統(tǒng)搭配冷板的方式進(jìn)行散熱。本文將結(jié)合光伏離心機(jī)系統(tǒng)負(fù)載特性，側(cè)重于研究獨(dú)立相變冷卻性能，揭示技術(shù)問題，分析其規(guī)律并提供改進(jìn)方案。

1 系統(tǒng)介紹

光伏離心機(jī)不設(shè)置儲能裝置，即發(fā)即用，制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上與常規(guī)變頻離心式冷水機(jī)組基本一致，變頻器/換流器為整個系統(tǒng)的核心部件，承擔(dān)直流（Direct Current，DC）/交流（Alternating Current，AC）、AC/DC的作用，操縱光伏電的流向。當(dāng)光伏發(fā)電量大于機(jī)組耗電時，換流器向外發(fā)電；當(dāng)光伏發(fā)電量小于機(jī)組耗電時，換流器向電網(wǎng)取電；機(jī)組待機(jī)時，光伏通過換流器向電網(wǎng)發(fā)電[19]。

光伏離心機(jī)具有工作模式多、發(fā)熱量大的特點(diǎn)，常規(guī)風(fēng)冷難以滿足要求，純發(fā)電狀態(tài)下變頻器工作，壓縮機(jī)不工作，此時無法使用離心機(jī)系統(tǒng)冷媒冷卻。其變頻器采用獨(dú)立相變冷卻方式，連接一臺獨(dú)立空調(diào)冷卻裝置，具有隨時啟動、智能控制、冷卻效率高的優(yōu)點(diǎn)。冷卻板內(nèi)埋有銅管，整流模塊及逆變模塊布置于冷卻板上間接換熱，柜體結(jié)構(gòu)近似密封，除濕器風(fēng)扇使氣流在柜內(nèi)循環(huán)，冷卻裝置控制電子膨脹閥開度，冷媒經(jīng)節(jié)流后一部分進(jìn)入冷卻板冷卻模塊溫度，另一部分進(jìn)入除濕器調(diào)節(jié)柜內(nèi)濕度，完成換熱后匯入壓縮機(jī)重新壓縮（見圖1）。

2 實(shí)驗(yàn)原理及誤差分析

2.1 測試系統(tǒng)原理

測試系統(tǒng)如圖2顯示，水系統(tǒng)由冷卻水箱供水及調(diào)節(jié)冷卻水溫度，兩側(cè)水泵循環(huán)冷凍水、冷卻水流量，控制閥門開度兌水平衡冷凍側(cè)水溫，以供回水熱平衡的方式維持光伏離心機(jī)正常運(yùn)行。供電系統(tǒng)由光伏模擬電源及電網(wǎng)組成，其中，光伏模擬電源接入母線側(cè)，提供直流電，機(jī)組輸入端連接電網(wǎng)側(cè)，依電流流向表明系統(tǒng)發(fā)電、用電狀態(tài)。測試儀器及基本設(shè)備如表1所示，變頻水泵提供1,150 m3/h流量供冷水機(jī)組運(yùn)行，制冷量調(diào)節(jié)范圍900 kW～ 5,000 kW，而光伏輸入容量、穩(wěn)壓電源容量分別為630 kVA、1,000 kVA。

系統(tǒng)工作時，當(dāng)光伏功率大于機(jī)組功率，系統(tǒng)發(fā)電，電網(wǎng)處于接收狀態(tài)；當(dāng)光伏功率小于機(jī)組功率，系統(tǒng)耗電，電網(wǎng)處于用電狀態(tài)。冷卻裝置獨(dú)立工作，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行或光伏發(fā)電，均會開啟，調(diào)節(jié)變頻器散熱。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖

表1 測試系統(tǒng)主要設(shè)備

2.2 誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差包括儀器誤差、環(huán)境誤差、系統(tǒng)測試誤差、采樣誤差、操作誤差，對各類誤差逐一分析。

實(shí)驗(yàn)測量參數(shù)包括冷凍進(jìn)出水溫度、冷卻進(jìn)出水溫度、光伏輸入功率、網(wǎng)側(cè)功率、整流模塊溫度、逆變模塊溫度、散熱器出口溫度、水流量。

儀器誤差見表2，允許誤差由廠家、計(jì)量直接確定。其中，熱電偶允許誤差為±0.5 ℃，計(jì)量示值誤差為±0.2 ℃。

表2 儀器參數(shù)及誤差

環(huán)境誤差可忽略，因?yàn)楸粶y樣機(jī)處于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境溫度趨勢穩(wěn)定，且變頻器密封性較好，模塊溫度受影響小。

系統(tǒng)測試誤差主要體現(xiàn)在功率、制冷量檢測，功率檢測由電流傳感器、電壓傳感器測量后經(jīng)功率計(jì)WT230計(jì)算得出，儀器允許誤差均為±0.5%，計(jì)算方法見式(1)。

式中：

P——功率，W；

I——電流，A；

U——電壓，V。

制冷量測量采用液體載冷劑法，如式(2)所示，由電磁流量計(jì)測量流量、鉑電阻測量水溫、查表獲取比熱容、密度后計(jì)算得出。

式中：

Q——制冷量，kW；

ρ——水密度，kg/m3；

C——水的比熱容，kJ/(kg·℃)；

qm——水體積流量，m3/s；

t1——進(jìn)口水溫，℃；

t2——出口水溫，℃。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出經(jīng)由測試電腦接收各儀器設(shè)備實(shí)時反饋，統(tǒng)一導(dǎo)出，采樣間隔設(shè)置為6 s/次。

2.3 試驗(yàn)方案

測試選用搭載525 kVA變頻器、17 kW變頻氟冷卻裝置的3,500 kW光伏離心機(jī)，結(jié)合其工作特性及負(fù)荷范圍，實(shí)驗(yàn)以模塊溫度升降考核變頻器散熱性能，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如表3。機(jī)組本身的運(yùn)行電流限制策略，國標(biāo)[21]中規(guī)定的水溫并不能運(yùn)行至機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)的最大功率，通過調(diào)節(jié)水溫至12 ℃～32 ℃，使電流降低，加載頻率使得功率上升。7 ℃～19 ℃[國標(biāo)綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（Integrated Part Load Value，IPLV）25%制冷負(fù)荷工況]檢驗(yàn)離心機(jī)小功率運(yùn)行時的散熱性能，而光伏發(fā)電試驗(yàn)是在機(jī)組待機(jī)的情況下，投入大功率、小功率光伏電，驗(yàn)證變頻器最大、最小散熱性能。

表3 試驗(yàn)方案

3 損耗發(fā)熱分析

變頻器功率器件損耗分為靜態(tài)損耗、開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗；其中，靜態(tài)損耗分為通態(tài)損耗、截止損耗，開關(guān)損耗又分為導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗。IGBT模塊中IGBT和反并聯(lián)快速恢復(fù)二極管（Freewheeling Diode，F(xiàn)WD）一般是集成封裝的；一般而言，IGBT截止損耗、驅(qū)動損耗功率占比很小，可忽略不計(jì)。故IGBT模塊總損耗功率PS如下所示[20]：

式中：

PS——IGBT損耗，W；

n——IGBT功率器件數(shù)量；

m——FWD數(shù)量；

Pk——IGBT開關(guān)損耗功率，W；

PT——IGBT通態(tài)損耗功率，W；

PFWD——二極管損耗，W；

PFT——二極管通態(tài)損耗功率，W；

Ph——二極管反向恢復(fù)損耗功率，W。

通態(tài)損耗功率計(jì)算：

式中：

Uc——IGBT通態(tài)壓降，V；

UF——二極管通態(tài)壓降，V；

Ic——IGBT負(fù)載電流，A；

IF——FWD負(fù)載電流，A；

T——開通周期，s；

D——占空比。

IGBT開關(guān)損耗計(jì)算公式：

FWD反向恢復(fù)損耗功率Ph：

式中：

Eon——某一溫度下一個周期的IGBT開關(guān)能量，J；

Eoff——某一溫度下一個周期的IGBT關(guān)斷能量，J；

Eh——一個周期內(nèi)的反向恢復(fù)損耗，J；

fk——開關(guān)頻率，一般根據(jù)廠家IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊獲得，Hz。

模塊溫升公式：

式中：

ts——溫升溫度，℃；

ti——柜內(nèi)環(huán)境溫度，℃；

Rs——熱阻，℃/W；

Ps——損耗功率，W。

開關(guān)頻率無法隨意更改，光伏離心機(jī)組可通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率、光伏輸入、水溫情況實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化，因冷卻裝置具備自動調(diào)節(jié)能力，故變頻器損耗允許一定程度的計(jì)算偏差，由冷卻裝置自行調(diào)節(jié)冷卻輸出。當(dāng)功率升高，冷卻裝置加載給出足夠冷量，避免能力過小模塊超溫；當(dāng)功率下降，冷卻裝置卸載，避免能力過大導(dǎo)致模塊凝露。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 空調(diào)運(yùn)行

如圖3所示，光伏離心機(jī)啟動后，先保持在210 kW運(yùn)行6 min，冷卻裝置同步啟動，啟動運(yùn)行高頻使逆變模塊溫度、散熱器入口溫度分別下降至25.2 ℃、27.2 ℃，整流模塊溫度小幅溫升后下降至28.5 ℃。此時冷卻裝置降低冷卻輸出，但壓縮機(jī)加載至500 kW保持運(yùn)行，導(dǎo)致整流模塊溫度快速升至57.3 ℃，冷卻裝置滯后跟隨調(diào)節(jié)，增加冷卻輸出降低模塊溫度，穩(wěn)定在45.0 ℃。逆變模塊溫度、散熱器入口溫度相近、波動不大，分別穩(wěn)定在28.5 ℃、30.5 ℃，滿足冷卻需求。無光伏空調(diào)運(yùn)行模式下，整流模塊、逆變模塊運(yùn)行功率基本一致，逆變模塊電流較小，故發(fā)熱量小于整流模塊，溫度低于整流模塊溫度。

圖3 12 ℃～32 ℃空調(diào)運(yùn)行變頻器溫度曲線

逐步投入光伏后，各溫度均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，如圖4所示。因光伏功率上升，整流模塊運(yùn)行功率下降，而逆變模塊維持功率輸出，整體冷負(fù)荷減少，整流模塊溫度下降至36.0 ℃，逆變模塊溫度下降至18.0 ℃。冷卻裝置按照設(shè)定目標(biāo)逐步調(diào)節(jié)輸出使模塊溫度逐漸下降。

運(yùn)行7 ℃～19 ℃工況時，功率偏低，僅有85 kW。整流模塊溫度及逆變模塊溫度波動明顯（見圖5），溫度控制目標(biāo)范圍為14.4 ℃～19.2 ℃，但逆變模塊最低溫度已達(dá)11.4 ℃，導(dǎo)致變頻器內(nèi)冷卻板出現(xiàn)凝露?？紤]簡化控制以及優(yōu)先防止模塊超溫的目的，將整流溫度作為控制溫度，但受限于調(diào)節(jié)周期，控制延時長，溫度上升一段時間后增加冷卻輸出，溫度下降一段時間后減少輸出，存在慢調(diào)、過調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)致逆變模塊溫度偏低。另外，柜內(nèi)除濕效果不佳、露點(diǎn)溫度偏高，模塊溫度保持13.0 ℃，30 min內(nèi)便可形成凝露，柜內(nèi)露點(diǎn)溫度高、除濕能力不足為主要原因，可通過提高除濕器能力、內(nèi)外隔絕密封等措施改進(jìn)。圖7為實(shí)施提高除濕冷媒流量、減少冷卻換熱，即電子膨脹閥最小開度減少20步后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，逆變模塊最低溫度升至14.0 ℃，無凝露現(xiàn)象。

圖4 12 ℃～32 ℃投入光伏空調(diào)運(yùn)行變頻器溫度曲線

圖5 7 ℃～19 ℃運(yùn)行變頻器溫度曲線

圖6 變頻器內(nèi)部冷卻板凝露

圖7 改進(jìn)后7 ℃～19 ℃運(yùn)行變頻器溫度曲線

4.2 光伏發(fā)電

在光伏發(fā)電模式下，如圖8，僅整流模塊向電網(wǎng)輸出電流，逆變模塊停止工作，整流模塊發(fā)熱，冷卻裝置輸出調(diào)節(jié)滯后的影響大，使得整流模塊溫度在23.2 ℃～57.3 ℃大幅度周期性波動，冷卻裝置在過大與過小輸出間來回切換。因此需縮短控制周期，匹配負(fù)荷變化速率，圖9為將壓縮機(jī)調(diào)節(jié)周期縮短30 s實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)節(jié)周期縮短使冷量輸出適當(dāng)，溫度停止波動，整流溫度穩(wěn)定至42.0 ℃，逆變模塊、散熱器入口溫度逐步分別降至20.0 ℃、21.5 ℃。

圖8 520 kW光伏發(fā)電變頻器溫度曲線

圖9 改進(jìn)后光伏發(fā)電變頻器溫度曲線

在10 kW光伏發(fā)電狀態(tài)下，冷卻裝置將冷卻模塊至穩(wěn)定需11 min，各溫度最終穩(wěn)定至14.0 ℃左右（見圖10），試驗(yàn)過程中同樣發(fā)現(xiàn)了有柜內(nèi)凝露現(xiàn)象。小功率光伏發(fā)電模式下，投入功率僅有10 kW，發(fā)電量為額定容量的2%，故發(fā)熱量很低，小于冷卻輸出，導(dǎo)致溫度偏低。需設(shè)法減小低功率下的冷卻輸出，匹配變頻器最小冷負(fù)荷。具體辦法為減小冷卻裝置容量選型，下調(diào)冷卻裝置壓縮機(jī)運(yùn)行頻率等。表3為將壓縮機(jī)最小頻率下調(diào)5 Hz實(shí)驗(yàn)結(jié)果，散熱器入口溫度提高2 ℃，無凝露。

圖10 10 kW光伏發(fā)電變頻器溫度曲線

表3 改進(jìn)后10 kW光伏發(fā)電穩(wěn)定后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 總結(jié)

1）空調(diào)運(yùn)行模式下，冷卻裝置滯后跟隨調(diào)節(jié)，整流模塊溫度隨著功率增加而增加，升至57.3 ℃后調(diào)節(jié)至45.0 ℃穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)逐漸投入光伏后，冷負(fù)荷減少，整流模塊溫度下降至36.0 ℃，逆變模塊溫度下降至18.0 ℃，滿足冷卻需求。

2）520 kW光伏發(fā)電運(yùn)行時，整流模塊溫度在23.2 ℃～57.3 ℃周期性波動，需縮短控制周期，匹配負(fù)荷變化速率，如將壓縮機(jī)調(diào)節(jié)周期縮短30 s后冷量輸出適當(dāng)，溫度不波動，整流溫度穩(wěn)定至42.0 ℃。

3）運(yùn)行7.0 ℃～19.0 ℃工況時，功率為85 kW，控制延時長，存在冷卻輸出慢調(diào)、過調(diào)現(xiàn)象；內(nèi)外漏風(fēng)交換、除濕能力不足，導(dǎo)致凝露現(xiàn)象。避免上述問題的措施為提高除濕能力、減少模塊冷卻換熱，如將電子膨脹閥最小開度減少20步后，逆變模塊最低溫度升至14.0 ℃，無凝露發(fā)生。

4）10 kW光伏發(fā)電運(yùn)行發(fā)生凝露，分析發(fā)熱量小于冷卻輸出，需減小低功率下的冷卻輸出，匹配變頻器最小冷負(fù)荷，如將壓縮機(jī)最小頻率下調(diào)5 Hz，散熱器入口溫度提高2 ℃，凝露問題解決。