箱式一体化光伏逆变站通风散热分析

河南森源电气股份有限公司 赵长顺

相对于初期光伏电站是分散式土建方式，施工周期非常长且电站扩容完善有一定难度，随着一体化箱式光伏电站出现，已成为未来光伏建站发展大趋势，且一体化的处置方式可把高压柜、变压器、直流配电柜、逆变柜、交流柜、控制柜等整体集成在箱式构造中，此设计能缩减安装空间、降低施工整体工期，最大程度地节省投资者投入且极大降低了设备调整并网周期，助力于投资者迅速创建电站且能迅速回笼资本，并且箱式结构设计方便运送，极易完成电站扩容。然而，一体化箱式光伏逆变站构造紧密，发热集中、热密度强，较强的环境温度导致系统效率与稳定性下降，科学通风与排风设计势必为箱式电站的核心技术，优质的通风散热则要全面考量板级、模块级与系统级的改善，其中设计进出风口和排风风机选择类型务必实现在极端环境下热量的释放，而逆变柜、变压器室内的通风散热尤为关键。

1 箱式一体化光伏逆变站概述

箱式一体化光伏逆变站汇集了高压柜、变压器、直流配电柜、逆变柜、交流柜、控制柜及其二分裂变压器等设备，重点的系统消耗来自逆变柜与升压变压器，二者消耗比值占到整体消耗85%之上，且逆变柜消耗核心零部件包含开关管、电解电容、金膜电容、滤波电感等，上述零部件的消耗随着温度上升整体有显著上升态势[1]。

然而，较大功率逆变器的主流拓扑主要呈现I字形或T 字形，在这样的设计中，通过结合赛米控SKM150MLI066TIGBT 模块搭载创建500kW I 字型逆变功率单元，能较为科学的对开关零件损耗情况进行计算。其中500kW I 字形三电平功率模块的开关器消耗分布为：1MW I 字形三电平逆变功率模块中开关管消耗约7.2kW，占比值约为整体消耗的一半，而通态消耗占比逆变功率模块消耗的90%，从数据得出结论为逆变器功率模块消耗占据绝大部分，此部分消耗的温度特点会给逆变器在不一样温度下的效果产生一定的干扰,其功率模块通态损耗计算公式为Pcond=dVcesatIe，式中Pcond是IGBT 通态损耗、W；d 为IGBT 占空比，Vcesat是IGBT 通态饱和压降、V；Ie是IGBT 通态电流、A。

而IGBT 通态饱和压降Vcesat与通态集电极电流Ie的联系展现为近似线性关系，二者间的近似关系公式为Vcesat=RT0+RceIe，其中RTo是IGBT 门槛电压，V；Rce分别为IGBT 输出特性斜率，V/A。结合上述另个公式获得了IGBT 通态损耗的展现方式。当在额定情况下，IGBT 结温通常在100℃上下，且伴随着热度提升Rce会逐渐上升，IGBT 的通态损耗则会显著呈上升趋势，150℃的Rce大约为125℃Rce的114%，消耗呈现上升趋势[2]。不仅有导通消耗，IGBT 开关消耗一并跟环境温度呈现一定关联。

Pcond=d(RTOIe+RceI2e)，然而滤波电感与升压变压器的消耗重点零件为铁损和铜损。其中呈现平稳的温度特点是磁性材料铁硅、硅钢片，而铁损随热度改变可以忽视。变压器绕组采取的铝箔、铜箔等金属原料的电阻率随着热度改变有显著变化，具体导体电阻参照上述公式计算。其中铝与铜的电阻热度系数可为0.0039，温度改变十摄氏度电阻值随之变动3.9%。环境温度改变十摄氏度导体阻抗等引发的系统整体消耗提升大约0.05%。

公式Rt=R20[1+α(T-20)]中，α 是温度系数，1摄氏度；R20是二十摄氏度时的电阻率。铝电解电容消耗为Losscap=ESR×IRipple2，式中，Losscap是铝电解电容消耗；ESR 是铝电解电容等效串联抗阻；IRipple2是铝电解电容纹波电流[3]。随着环境热度提升铝电解电容的电解液活性逐渐加强、ESR 随之下降，纹波电流不动、消耗渐渐下降，效率则会提升。但是较高的环境温度造成铝电解电容寿命的迅速降低，不可长久平稳可靠运转下去。另外，电解电容的使用周期也会受到自身物理化学特点制约，与25年逆变器使用周期相差非常大，基于此在光伏逆变站中渐被金膜电容所代替，毕竟金膜电容消耗遭受热度干扰非常小，往往可忽略不计。

2 设计通风散热的基本原则

在进行通风散热设计的过程中，首先需根据国家相关规定及标准进行通风散热设计。在设计过程中需将整个系统中各元件的做功情况考虑在内，平衡优化，达到设定的效率、可靠性等总体指标，确保系统的稳定性与实用性[4]。

针对箱式一体化光伏逆变站的通风散热设计，除遵循从上到下的设计理念外，还需根据具体施工情况进行从下到上的设计。根据逆变站的通风散热设计理念的区别，可将电站的通风散热设计划分为多个等级，通过不同等级、不同设计方式的设计具体构成实现对逆变站通风散热设计的科学性与合理性。同时在进行相关设计过程中，需针对逆变站的消耗情况进行严格计算，还需结合逆变站在应用中的实际进风量，通过结合多方面要素的计算方式进行科学的计算，确保通风散热设计的合理性与准确性[5]。

另外在单板设计中，其主要集中了控制电路和部分的主功率电路，在板级设计中，能实现对元器件型号的选择、元器件安装布置的设计以及对散热器等材料的选择等，能够较为科学的实现相关设计。针对模块级的设计中，还需重点将损耗计算到其中，并根据材料的选择与通风的面积等进行模块的科学设计。在进行模块设计中还需重点将防尘设计应用到其中，确保模块中的风扇及其他元器件不会受到灰尘的影响。在设计的模块为串联时，其各个功率单元的进风方向应选择从下面进风，实现冷空气从下到上的流动、实现散热的最优化。如：有些项目融合逆变器外形尺寸与风机选择类型，风道横截面积最终达到0.9m2。

最终，箱式一体机光伏逆变站系统设计的重点牵涉到进或出风口的设计、系统风机选择类型、排风管道规划设计等，尤其在系统风道设计中，尽最大努力选择采用直通风道，规避风道弯曲、导致气压流失。一旦风道拐弯不可避免则要平滑的转弯，渐渐转向需要走向的位置。风道设计机柜通常为底部进风、顶部出风的鼓风风道，风道非常短，拐弯也相对较少，风道效果非常理想。此外风道与箱体外壳的关联应用软关联，降低了风量流失。

3 进风口与出风口设计具体分析

目前有关学者提出，IMW 光伏逆变器的应用效率一般能够达到98.5%以上，在这样的极端做功情况下系统损耗能达到30千瓦以上，以此损耗设计通风散热系统，不影响方法的有效性。通风量计算公式是q=wCPΔT，式中q 为单位时间里面的散热数量，KJ/S；w 指单位时间空气质量，kg/s；Cp指空气比热容，KJ（kg.℃）；ΔT 指进风口、出风口温度差值，℃。然而，单位时间里空气质量方程转换为空气密度与空气流量的方程式W=pL，式中p 具体为空气密度，kg/m3；L 是空气流量，m3/s。随后把通风量计算公式植入到空气流量的方程式获空气流量公式为L=q/pCpΔT=P/pCpΔT，式中P为损耗功率，kW。

设计中还需重点考虑到防尘设计与防噪声设计。该系统中进风口与排风口的空气流动速度约每秒3.4米，如按照风力的等级划分能够达到三级风力。在这样的设计中要想确保设备有着正常的应用，针对进风口的设计应控制在0.5平方米左右，且在具体设计中还需根据箱体的具体安装位置来确定。

在进行箱体逆变站的进风口设计中，为达到防尘目的还需在窗口位置安装防尘窗。当防尘窗安置完成后，由于该窗以百叶窗结构为主，在一定程度上会严重影响到通过效果，会出现减弱气流流动情况。针对该情况，在进行通风口的设计中还需实现计算出防尘窗对气流的阻碍影响，然后再进行进风口进风量的设计。在后期的使用中防尘窗上还会堆积很多灰尘、也会严重影响到进风的效率，都需要在设计之初将其考虑进去再进行设计。

针对逆变站设计中，以箱体一体化设计为主会造成在运行过程中产生一定的能耗，因此需考虑到将模块产生的能耗热量科学排除到箱体以外，实现对箱体内的科学换气，进而实现较为科学的散热处理。电站箱体采用抽风方式形成层流，风量均匀、消除热点，热空气被集中换出。另外在针对变电箱内进行散热处理过程中，结合直流风扇进行散热能有更高效率，并且在进行风扇的启动中，启动力矩大，其能够实现对风扇的低能耗启动，力矩曲线非线性，启动力矩小，但使用成本较低、不需要设计风扇直流电源，基于成本及供电可靠性等方面考虑，机柜散热一般选用交流风扇。另外在进行相关设计过程中还要注意到海拔对风扇的影响，一般随着海拔的升高风扇的散热能力会降低。因此风扇排风散热使用过程中一定留意工作点的变动影响。

箱式一体化逆变站的逆变器通风散热构造为：风道类似直线型，进风口是旋风结构、进风也可滤掉沙尘，进风口面积达到1.2m2，经过弹性密条关联进风口与逆变器，最大程度地减少风阻阻力，风机构造为并联与串联混合构造，排风口是多层防雨防雪百合叶，排风口通风面积大约是1.6m2。通过实践使用，此方案在自然通风情况下，单纯的逆变器自身风机开启实现系统一半上下功率稳定运转，在强制通风状况下开启逆变器定补风机实现110%容量情况下的平稳运转。总而言之，箱体一体化逆变站设计中心为箱体与逆变器柜体的一体化设计，实现无缝连接，规避简易的组合安装，极大提升了逆变器的散热效率，提高了使用周期。通过实践的运转得出结论，逆变器的效率对比常规逆变器箱总体提升0.5%上下。

4 变压器室内通风设计及其他原因干扰散热情况

箱式一体化逆变站汇集了升压变压器，从两分裂绕组变压器完成两台500kW 逆变器的并网，集中简便、配置便捷。根据箱式一体化逆变站的结构形式来看，美式箱变结构和华式箱变结构变压器都布置在箱式一体化逆变站外部，散热可不用考虑，仅需考虑欧式箱变结构的箱式一体化逆变站。而1000kVA 变压器的效率通常为98.5%上下，消耗大约在15kW，变压器平稳与变压器室通风散热有紧密联系。然而变压器优良的通风散热设计为下部进风、上部风分，变压器室最底部边缘设立进风口凹、产生烟囱效果。尤其在进或出风口位置，变压器位置、变压器型号明确之后，变压器室的通风散热设计重点就落在进出风口面积核算上。

全方位考量变压器通风与散热构造，经过仿真完善。进风口设立通风面积为1.7m2，通风窗箱体里面设计导流板，冷风引至变压器本体，变压器室顶部设立排风口是多层防雨防雪百叶窗，变压器在运转进程中一半负载下依靠自然通风，超出一半后在开启强制通风。空气密度遇到大气压及其空气温度干扰后，如公式中的p=1.293× P/1.01325×105×273/(273+L)，其中p 为空气大气压，Pa；t 是进风口空气温度，℃。空气相比热容温度干扰非常小可忽略不计，相反受到空气湿度干扰比较显著。

然而海拔、空气湿度分别影响到空气的密度与比热容，不一样的海拔和空气湿度对于箱式一体化光伏逆变站的通风散热产生了不同干扰，而在设计前期及其计算时务必重视系统的应用环境需求。此外箱式一体化逆变电站柜体巨大，辐射散热一样发挥效果，柜体及其隔板应用着漆解决，尽量避免采用镀铝锌钢板，而镀铝锌钢板的辐射率只是0.2，着漆后钢板辐射率可实现0.9上下，结果有显著变化。

发展方向：箱式一体化光伏逆变站散热除空气温度和湿度对其有影响外，其升压变压器和逆变柜两电气设备间也相互影响，因此大容量逆变器逐步采用箱式一体化光伏逆变站箱，该方案不仅解决了大容量升压变压器散热片布置难或无布置空间的问题，还解决了逆变器在箱体内散热以及两电气设备间的辐射散热问题，提高了箱式一体化光伏逆变站性价比。

综上，本文所研究的箱式一体化逆变站的通风设计，能综合考虑到系统的能耗情况、通风的类型及通风风扇的类型或是海拔气候等影响，在进行该变电箱的设计中能够更加科学地对散热进行设计，确保变电箱能有更加高效的应用，提高散热设备的散热效率，缩减了变电站投入费用，进一步增加了变电站的运转周期，提升了太阳能发电的效率，全面提升了社会与经济收益。