河南森源電氣股份有限公司 趙長(zhǎng)順

相對(duì)于初期光伏電站是分散式土建方式，施工周期非常長(zhǎng)且電站擴(kuò)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(lái)光伏建站發(fā)展大趨勢(shì)，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(gòu)造中，此設(shè)計(jì)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便運(yùn)送，極易完成電站擴(kuò)容。然而，一體化箱式光伏逆變站構(gòu)造緊密，發(fā)熱集中、熱密度強(qiáng)，較強(qiáng)的環(huán)境溫度導(dǎo)致系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性下降，科學(xué)通風(fēng)與排風(fēng)設(shè)計(jì)勢(shì)必為箱式電站的核心技術(shù)，優(yōu)質(zhì)的通風(fēng)散熱則要全面考量板級(jí)、模塊級(jí)與系統(tǒng)級(jí)的改善，其中設(shè)計(jì)進(jìn)出風(fēng)口和排風(fēng)風(fēng)機(jī)選擇類型務(wù)必實(shí)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(fēng)散熱尤為關(guān)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(shè)備，重點(diǎn)的系統(tǒng)消耗來(lái)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(kāi)關(guān)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(shì)[1]。

然而，較大功率逆變器的主流拓?fù)渲饕尸F(xiàn)I字形或T 字形，在這樣的設(shè)計(jì)中，通過(guò)結(jié)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(xué)的對(duì)開(kāi)關(guān)零件損耗情況進(jìn)行計(jì)算。其中500kW I 字形三電平功率模塊的開(kāi)關(guān)器消耗分布為：1MW I 字形三電平逆變功率模塊中開(kāi)關(guān)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(jié)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(diǎn)會(huì)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(jì)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(guān)系，二者間的近似關(guān)系公式為Vcesat=RT0+RceIe，其中RTo是IGBT 門(mén)檻電壓，V；Rce分別為IGBT 輸出特性斜率，V/A。結(jié)合上述另個(gè)公式獲得了IGBT 通態(tài)損耗的展現(xiàn)方式。當(dāng)在額定情況下，IGBT 結(jié)溫通常在100℃上下，且伴隨著熱度提升Rce會(huì)逐漸上升，IGBT 的通態(tài)損耗則會(huì)顯著呈上升趨勢(shì)，150℃的Rce大約為125℃Rce的114%，消耗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[2]。不僅有導(dǎo)通消耗，IGBT 開(kāi)關(guān)消耗一并跟環(huán)境溫度呈現(xiàn)一定關(guān)聯(lián)。

Pcond=d(RTOIe+RceI2e)，然而濾波電感與升壓變壓器的消耗重點(diǎn)零件為鐵損和銅損。其中呈現(xiàn)平穩(wěn)的溫度特點(diǎn)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(dǎo)體電阻參照上述公式計(jì)算。其中鋁與銅的電阻熱度系數(shù)可為0.0039，溫度改變十?dāng)z氏度電阻值隨之變動(dòng)3.9%。環(huán)境溫度改變十?dāng)z氏度導(dǎo)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?dāng)z氏度時(shí)的電阻率。鋁電解電容消耗為L(zhǎng)osscap=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(qiáng)、ESR 隨之下降，紋波電流不動(dòng)、消耗漸漸下降，效率則會(huì)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(zhǎng)久平穩(wěn)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)下去。另外，電解電容的使用周期也會(huì)受到自身物理化學(xué)特點(diǎn)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(jì)。

2 設(shè)計(jì)通風(fēng)散熱的基本原則

在進(jìn)行通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先需根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需將整個(gè)系統(tǒng)中各元件的做功情況考慮在內(nèi)，平衡優(yōu)化，達(dá)到設(shè)定的效率、可靠性等總體指標(biāo)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)用性[4]。

針對(duì)箱式一體化光伏逆變站的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)，除遵循從上到下的設(shè)計(jì)理念外，還需根據(jù)具體施工情況進(jìn)行從下到上的設(shè)計(jì)。根據(jù)逆變站的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)理念的區(qū)別，可將電站的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)劃分為多個(gè)等級(jí)，通過(guò)不同等級(jí)、不同設(shè)計(jì)方式的設(shè)計(jì)具體構(gòu)成實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變站通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。同時(shí)在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需針對(duì)逆變站的消耗情況進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，還需結(jié)合逆變站在應(yīng)用中的實(shí)際進(jìn)風(fēng)量，通過(guò)結(jié)合多方面要素的計(jì)算方式進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，確保通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)的合理性與準(zhǔn)確性[5]。

另外在單板設(shè)計(jì)中，其主要集中了控制電路和部分的主功率電路，在板級(jí)設(shè)計(jì)中，能實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件型號(hào)的選擇、元器件安裝布置的設(shè)計(jì)以及對(duì)散熱器等材料的選擇等，能夠較為科學(xué)的實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)。針對(duì)模塊級(jí)的設(shè)計(jì)中，還需重點(diǎn)將損耗計(jì)算到其中，并根據(jù)材料的選擇與通風(fēng)的面積等進(jìn)行模塊的科學(xué)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)中還需重點(diǎn)將防塵設(shè)計(jì)應(yīng)用到其中，確保模塊中的風(fēng)扇及其他元器件不會(huì)受到灰塵的影響。在設(shè)計(jì)的模塊為串聯(lián)時(shí)，其各個(gè)功率單元的進(jìn)風(fēng)方向應(yīng)選擇從下面進(jìn)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)冷空氣從下到上的流動(dòng)、實(shí)現(xiàn)散熱的最優(yōu)化。如：有些項(xiàng)目融合逆變器外形尺寸與風(fēng)機(jī)選擇類型，風(fēng)道橫截面積最終達(dá)到0.9m2。

最終，箱式一體機(jī)光伏逆變站系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)牽涉到進(jìn)或出風(fēng)口的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)風(fēng)機(jī)選擇類型、排風(fēng)管道規(guī)劃設(shè)計(jì)等，尤其在系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)中，盡最大努力選擇采用直通風(fēng)道，規(guī)避風(fēng)道彎曲、導(dǎo)致氣壓流失。一旦風(fēng)道拐彎不可避免則要平滑的轉(zhuǎn)彎，漸漸轉(zhuǎn)向需要走向的位置。風(fēng)道設(shè)計(jì)機(jī)柜通常為底部進(jìn)風(fēng)、頂部出風(fēng)的鼓風(fēng)風(fēng)道，風(fēng)道非常短，拐彎也相對(duì)較少，風(fēng)道效果非常理想。此外風(fēng)道與箱體外殼的關(guān)聯(lián)應(yīng)用軟關(guān)聯(lián)，降低了風(fēng)量流失。

3 進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口設(shè)計(jì)具體分析

目前有關(guān)學(xué)者提出，IMW 光伏逆變器的應(yīng)用效率一般能夠達(dá)到98.5%以上，在這樣的極端做功情況下系統(tǒng)損耗能達(dá)到30千瓦以上，以此損耗設(shè)計(jì)通風(fēng)散熱系統(tǒng)，不影響方法的有效性。通風(fēng)量計(jì)算公式是q=wCPΔT，式中q 為單位時(shí)間里面的散熱數(shù)量，KJ/S；w 指單位時(shí)間空氣質(zhì)量，kg/s；Cp指空氣比熱容，KJ（kg.℃）；ΔT 指進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口溫度差值，℃。然而，單位時(shí)間里空氣質(zhì)量方程轉(zhuǎn)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(fēng)量計(jì)算公式植入到空氣流量的方程式獲空氣流量公式為L(zhǎng)=q/pCpΔT=P/pCpΔT，式中P為損耗功率，kW。

設(shè)計(jì)中還需重點(diǎn)考慮到防塵設(shè)計(jì)與防噪聲設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)中進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口的空氣流動(dòng)速度約每秒3.4米，如按照風(fēng)力的等級(jí)劃分能夠達(dá)到三級(jí)風(fēng)力。在這樣的設(shè)計(jì)中要想確保設(shè)備有著正常的應(yīng)用，針對(duì)進(jìn)風(fēng)口的設(shè)計(jì)應(yīng)控制在0.5平方米左右，且在具體設(shè)計(jì)中還需根據(jù)箱體的具體安裝位置來(lái)確定。

在進(jìn)行箱體逆變站的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)中，為達(dá)到防塵目的還需在窗口位置安裝防塵窗。當(dāng)防塵窗安置完成后，由于該窗以百葉窗結(jié)構(gòu)為主，在一定程度上會(huì)嚴(yán)重影響到通過(guò)效果，會(huì)出現(xiàn)減弱氣流流動(dòng)情況。針對(duì)該情況，在進(jìn)行通風(fēng)口的設(shè)計(jì)中還需實(shí)現(xiàn)計(jì)算出防塵窗對(duì)氣流的阻礙影響，然后再進(jìn)行進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量的設(shè)計(jì)。在后期的使用中防塵窗上還會(huì)堆積很多灰塵、也會(huì)嚴(yán)重影響到進(jìn)風(fēng)的效率，都需要在設(shè)計(jì)之初將其考慮進(jìn)去再進(jìn)行設(shè)計(jì)。

針對(duì)逆變站設(shè)計(jì)中，以箱體一體化設(shè)計(jì)為主會(huì)造成在運(yùn)行過(guò)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(xué)排除到箱體以外，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體內(nèi)的科學(xué)換氣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較為科學(xué)的散熱處理。電站箱體采用抽風(fēng)方式形成層流，風(fēng)量均勻、消除熱點(diǎn)，熱空氣被集中換出。另外在針對(duì)變電箱內(nèi)進(jìn)行散熱處理過(guò)程中，結(jié)合直流風(fēng)扇進(jìn)行散熱能有更高效率，并且在進(jìn)行風(fēng)扇的啟動(dòng)中，啟動(dòng)力矩大，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的低能耗啟動(dòng)，力矩曲線非線性，啟動(dòng)力矩小，但使用成本較低、不需要設(shè)計(jì)風(fēng)扇直流電源，基于成本及供電可靠性等方面考慮，機(jī)柜散熱一般選用交流風(fēng)扇。另外在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程中還要注意到海拔對(duì)風(fēng)扇的影響，一般隨著海拔的升高風(fēng)扇的散熱能力會(huì)降低。因此風(fēng)扇排風(fēng)散熱使用過(guò)程中一定留意工作點(diǎn)的變動(dòng)影響。

箱式一體化逆變站的逆變器通風(fēng)散熱構(gòu)造為：風(fēng)道類似直線型，進(jìn)風(fēng)口是旋風(fēng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)風(fēng)也可濾掉沙塵，進(jìn)風(fēng)口面積達(dá)到1.2m2，經(jīng)過(guò)彈性密條關(guān)聯(lián)進(jìn)風(fēng)口與逆變器，最大程度地減少風(fēng)阻阻力，風(fēng)機(jī)構(gòu)造為并聯(lián)與串聯(lián)混合構(gòu)造，排風(fēng)口是多層防雨防雪百合葉，排風(fēng)口通風(fēng)面積大約是1.6m2。通過(guò)實(shí)踐使用，此方案在自然通風(fēng)情況下，單純的逆變器自身風(fēng)機(jī)開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一半上下功率穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，在強(qiáng)制通風(fēng)狀況下開(kāi)啟逆變器定補(bǔ)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)110%容量情況下的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。總而言之，箱體一體化逆變站設(shè)計(jì)中心為箱體與逆變器柜體的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，規(guī)避簡(jiǎn)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(guò)實(shí)踐的運(yùn)轉(zhuǎn)得出結(jié)論，逆變器的效率對(duì)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(fēng)設(shè)計(jì)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(tái)500kW 逆變器的并網(wǎng)，集中簡(jiǎn)便、配置便捷。根據(jù)箱式一體化逆變站的結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，美式箱變結(jié)構(gòu)和華式箱變結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)散熱有緊密聯(lián)系。然而變壓器優(yōu)良的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)為下部進(jìn)風(fēng)、上部風(fēng)分，變壓器室最底部邊緣設(shè)立進(jìn)風(fēng)口凹、產(chǎn)生煙囪效果。尤其在進(jìn)或出風(fēng)口位置，變壓器位置、變壓器型號(hào)明確之后，變壓器室的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)重點(diǎn)就落在進(jìn)出風(fēng)口面積核算上。

全方位考量變壓器通風(fēng)與散熱構(gòu)造，經(jīng)過(guò)仿真完善。進(jìn)風(fēng)口設(shè)立通風(fēng)面積為1.7m2，通風(fēng)窗箱體里面設(shè)計(jì)導(dǎo)流板，冷風(fēng)引至變壓器本體，變壓器室頂部設(shè)立排風(fēng)口是多層防雨防雪百葉窗，變壓器在運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)程中一半負(fù)載下依靠自然通風(fēng)，超出一半后在開(kāi)啟強(qiáng)制通風(fēng)。空氣密度遇到大氣壓及其空氣溫度干擾后，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(jìn)風(fēng)口空氣溫度，℃?？諝庀啾葻崛轀囟雀蓴_非常小可忽略不計(jì)，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(duì)于箱式一體化光伏逆變站的通風(fēng)散熱產(chǎn)生了不同干擾，而在設(shè)計(jì)前期及其計(jì)算時(shí)務(wù)必重視系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)0.9上下，結(jié)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(duì)其有影響外，其升壓變壓器和逆變柜兩電氣設(shè)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(wú)布置空間的問(wèn)題，還解決了逆變器在箱體內(nèi)散熱以及兩電氣設(shè)備間的輻射散熱問(wèn)題，提高了箱式一體化光伏逆變站性價(jià)比。

綜上，本文所研究的箱式一體化逆變站的通風(fēng)設(shè)計(jì)，能綜合考慮到系統(tǒng)的能耗情況、通風(fēng)的類型及通風(fēng)風(fēng)扇的類型或是海拔氣候等影響，在進(jìn)行該變電箱的設(shè)計(jì)中能夠更加科學(xué)地對(duì)散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保變電箱能有更加高效的應(yīng)用，提高散熱設(shè)備的散熱效率，縮減了變電站投入費(fèi)用，進(jìn)一步增加了變電站的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，提升了太陽(yáng)能發(fā)電的效率，全面提升了社會(huì)與經(jīng)濟(jì)收益。