水冷型逆变器奠定无人值守型电站基础

随着近年来大型地面光伏电站项目建设竞争日益激烈，光伏产品的成本优化已不能仅仅局限于降低设备本身的单一成本，而是应当着眼全局，通过提高设备集成度，采用优化的设计方案从而降低整个系统的度电成本，以达到提高投资收益率的目的。

一、气候环境危害

光伏发电系统尤其是电气设备、运行效率、安全稳定性和寿命对工作环境有着严格的要求，而受限于国土资源性质的原因，光伏电站的运行环境恰恰是西部高原寒荒地区、中部山地丘陵和东部沿海地区。系统设备常年经受高湿、高温、盐雾、风沙等恶劣环境影响，尤其对作为光伏电站核心设备的逆变器来说，无疑是对其环境适应性、运行可靠性的严峻考验。

风冷式集中式逆变器是通过系统内部的强制风冷通道直接与外界进行交替换气。这样一来，外界空气中所含有的污染物（如：盐雾颗粒、沙尘、潮气等）很容易通过排风系统直接进入到逆变器箱体内，从而附着在逆变室内的各元器件上（如：IGBT模块、电路板、配电开关、铜排、通风罩等）。长此已久，具有腐蚀性的氯离子通过金属表面的裂缝、孔隙穿透金属表面的氧化物薄膜层与内部金属发生化学反应，降低设备器件的发电效率，导致产品失效。
由于沿海地区昼夜温差大、常年空气潮湿，这对于设备稳定运行也有危害。逆变器日间工作时机体温度较高，夜间气温骤降空气中的水蒸气会凝结在停止工作的设备上，待白天设备启动温度上升，机体表面的水蒸气蒸发，但水中所含的盐雾颗粒等在设备元器件上凝滞，对设备内部器件进行腐蚀。 从而引起放电、爬电、闪络事故。

二、环境影响设备故障案例
从以上现象可以看出，光伏电站如果建设在盐雾、沙尘及高湿环境下，要想满足25年以上发电寿命的要求，在电站建设初期，项目业主就要对设备的选型以及各元器件进行严把关。而作为光伏电站核心设备逆变器来说，其环境适应性、发电效率、防护等级、运维便利性等因素都要重点斟酌慎选。一般企业宣称防护等级IP54（“5”代表：防尘；“4”代表：防喷水）的直通风式逆变器，其防尘过滤网、防护涂层只可以阻挡和阻隔部分大颗粒沙尘，而对盐雾、湿气、凝露起不到保护作用。

三、水冷一体化逆变器解难题

【防盐雾、防风沙、防凝露设计】
通过上述对沿海地区高湿度、盐雾、凝露等恶劣环境分析，业内主流厂家生产的风冷型逆变器在实际项目运行中出现很多无法解决的难题。针对这些难题，北京能高完全自主研发的水冷型一体化逆变站SunTener2500，该产品采用了独特的水循环散热系统，可使柜体完全密闭从而做到防盐雾、防风沙、防凝露，有效解决设备运行在高原寒荒、多风沙以及沿海地区，而造成了降容、散热效率低以及器件腐蚀等原因而导致的故障问题。
水冷型一体化箱式逆变器采用内外空气完全隔绝的方式，主体采用方钢型材、槽钢型材和复合夹芯板结构，坚硬的结构强度可承载来自外部及箱变房内逆变器重量；而复合夹芯板中防火保温岩棉层可有效隔绝外部湿热空气对箱变房内部设备的侵蚀；箱体柜门四周采用橡胶密封条处理，可隔绝外部潮湿、盐碱空气进入。

【内部水循环散热系统】
箱体内逆变器是通过一套高效水冷散热系统与外界进行冷热交换，一体化逆变站内采用北京能高自主知识产权的微气候控制系统，可使逆变房内的电子元器件工作在最佳工况，有效提高设备的稳定性，延长其使用寿命。
整个一体化电站水冷系统分为内外两个循环，其中内循环水冷系统通过不锈钢管道和非金属软管连接了主要发热元件的水冷散热板，吸收设备工作产生的热量；外循环水冷系统通过外部的主换热器向外界散发热量，当散热介质温度高于设定值，顶部的两个轴流风机启动强迫空水换热器冷却，使散热介质温度基本恒定；内外两个循环通过电动三通阀连接，智能控制内外循环冷却剂在主管道内的比重。水冷系统通过无缝焊接不锈钢管道与各部分器件外部的经过特殊处理铝制换热器连接，即实现了热交换又完全阻止了腐蚀，如图7所示。 四、水冷型PK风冷型技术优势

【IGBT与散热器之间贴合方面】
一般风冷型逆变器IGBT与散热器之间通过一层导热硅脂与散热器紧密贴合，由于风冷型逆变器是通过强制风机吹动散热片来达到散热的效果，这种散热方式受外界空气温度高低影响较大，而IGBT中材料复杂，并且这些材料的热膨胀系数各不相同，在温度变化比较大的散热片上容易使一部分材料变形，导致IGBT与散热器之间贴合不紧密，这样会降低IGBT长期运行可靠性。
水冷型逆变器的IGBT与散热片之间也是通过一层导热硅脂紧密贴合，而散热器内部是通过复杂的水路管道中的冷水来带走IGBT所产生的热量，水路管道中的水温一直保持在20-30°C之间，散热器温度变化很小，这样就减少了IGBT内部器件的变形量，从而提高了IGBT长期运行可靠性。

【散热效率方面】
水冷散热技术通过冷却液体的内部循环将热量带出，形成热循环；风冷散热技术通过空气流通将热量带出，形成热循环。水冷散热器的散热效率可以达到风冷型的3倍，从散热介质来说，液体的比热容是空气的4倍，这不仅极大的提高了散热系统的散热效率，也可降低功率器件的热循环冲击，提高可靠性。从整个柜体散热来说，保证柜内温度稳定也对提升整机可靠性有重要的作用。以同为关键零部件的直流支撑电容为例进行说明，如图7所示，当电容在其标称热点温度以下时，柜内温度每升高5°C，电容失效率增大约1倍；而在其热点温度以上时，柜内温度每升高5°C，电容失效率增大约4～5倍。因此，保证柜内温度稳定非常关键。传统风冷逆变器通过在柜内设计特定的空气流通路径来完成柜内功率零部件的热循环，有一定的不确定性（如空气路径可能不完全按照设计的预期流通）。而水冷逆变器由于有更高的散热效率，大部分热量已通过冷却液体带出，散布到柜内空间中的热量较风冷型逆变器更为减少，同时，水冷逆变器为全密封柜体设计，柜内余热也是通过空气/水热交换器来完成散热，逆变器柜内有热扰动风机，避免器件表面自然散逸的热量在局部积累，可以更为稳定的控制柜内温度波动，提升关键零部件可靠性。
【防护等级方面】
设备内部采用全封闭设计，热传导采用空气/水热交换器冷却系统，使两个相互隔离的空间进行热传导，水冷型逆变器的热交换通过不锈钢管路与外部换热器进行连接，一端与逆变器内部相通，另一端与外部换热器相通，柜内的热空气被吸入热交换器内，热空气的热量通过散热器再由管路传到热交换器的另一端，然后通过外部空气的流动将热量排到大气中。其优点是专门用于多尘、潮湿、多污垢及高热负载的地区，可以通过调节进口水温度和流量来改变热交换器的功率。全封闭的内部空间可以达到更高的防护等级（IP65），减少柜内积尘对设备造成的不利影响。

【运维便利方面】
一般风冷型逆变器是通过高风压的大风机强制风冷散热，散热过程中难免会有沙尘的进入，为了解决防风沙的问题需要在进风口出增加了一层防尘棉来防止风沙进入逆变器毁坏器件。这就出现了后期要定期清洗、更换防尘棉的工作。
水冷型逆变器是一种全封闭，与外界没有任何空气交换的设计，设备上没有通风窗和防尘棉。这样就减少了防尘棉的清洗、更换的时间从而为客户节约了后期的维护成本、同时提高了运维的便利性。
五、水冷型设计特点

【一体化系统集成，微气候控制技术】
SunTener 2500水冷型一体化逆变器对辅助设备进行了高度集成，内部包括：逆变器、配电设备、冷却系统、通信单元、信息采集单元、微环境内循环控制单元、安防设备等，实现了全状态信息监控，为未来无人值守型电站建设打下了坚实基础。独有的微环境内循环控制单元借助冷却系统，可以实现逆变站及逆变器内部温、湿度调节，使逆变设备及核心部件运行在最佳的环境条件下，提高系统效率及使用寿命。
【内部空间充分便于维护】
室内两台逆变器面对面安装格局，中间留有足够的空间方便人员操作维护。通道的底板为活动板，方便底部线缆的维护；而活动底板上铺设的绝缘皮层，起到绝缘作用，保障室内设备安全稳定运行。此外，箱房内还配备有消防系统、照明系统及其他输入输出单元，如图8所示。
【荣获多项技术性专利】
（1）ZL 2014 2 0027437.X 一种水冷变流器内循环系统
（2）ZL 2014 2 0024766.9 一种水冷型预装式光伏电站
（3）ZL 2014 2 0027417.2 一种大功率光伏逆变器
（4）ZL 2013 2 0509753.6 一种IGBT模块功率单元
（5）ZL 2014 2 0050839.1 翼展式一体化光伏电站
（6）ZL 2013 3 0413254.2 光伏变流器（1250HE）
（7）ZL 2013 2 0477441.1 一种IGBT功率模块 等...

【总结】
以40MW光伏电站为例，传统1MW阵列单元设计需要40个逆变单元，而2.5MW一个阵列单元的新设计，只需16个逆变单元，可降低系统投资近220万元。且水冷型逆变器将传统2-3个月的维护周期延长至2年以上，有效提高运维便捷性的同时又帮助业主节省了后期维护成本。综上所述，水冷散热技术相对于风冷散热技术拥有更明显的优势，它不仅适用于我国东部沿海地区还可投用于西部寒荒地带使用，具有很高的环境适用性、发电高效性、运维便利性、投资高效性。
北京能高多年来屹立在光伏产业的风雨中，怀揣着那份对绿色新能源的执着探索与勇于创新的发展理念，将客户的实际诉求及光伏电站的稳定运行作为企业前进的原动力，用技术创新让客户满意、用质量保卫电站运行安全，切合实际为客户节省投资成本。今后北京能高会继续在技术领域中研制出更贴合客户需求的产品，通过新技术和资源整合提高光伏电站的便捷性和稳定性。