光伏箱式逆变器的散热分析

李亮亮，于江涛，马新科，李慧云

（1.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州450015；2.安阳工学院，河南安阳455000；3.河南省城市交通规划研究中心，郑州450044）

0 引言

光伏箱式逆变器是将光伏并网发电系统所需的交直流配电、逆变和监控通讯等设备集中安装在一个特种封闭集装箱内，完成光伏发电系统的并网控制、数据采集和远程传输功能的装置。光伏箱式逆变器因其成本低、安装调试简单、外形美观、适应复杂环境能力强而广泛应用，其结构如图1所示。光伏并网逆变器中发挥重要作用的主功率模块IGBT的热耗是最大的，约10﹪的有功功率转化为耗散功率，尤其是在集装箱内这种多台设备紧凑布置且空间相对狭小的环境中这部分热量会使IGBT模块中的二极管芯结温升高，系统可靠性降低，甚至导致设备停机或烧毁。因此应对集装箱及逆变器采取良好的通风散热措施，即使是在西北夏季最高气温下也能使集装箱内温度保持在适宜的范围内。

图1 集装箱外观及内部布局图

1 理论基础及仿真

ansys icepak是一款强大的三维CFD软件，可以解决机房等环境级的热分析。CFD仿真软件的基本思想是从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。热设计问题本质在于定量描述热现象，IGBT模块的散热设计可通过湍流模型描述。CFD仿真基本理论为：IGBT的散热设计属于不可压缩、常物性、无内热源的三维对流传热问题，结合传热学和流体动力学基本理论，得出描述该问题的微分方程组[1]。

质量守恒方程为

动量守恒方程为

能量守恒方程为

动量守恒、质量守恒方程是描写粘性流体过程的控制方程，适用于不可压缩粘性流体的层流及紊流流动。

集装箱内逆变器、直流柜、通讯柜采用双排布置模式，配电箱壁挂在集装箱墙壁上，集装箱采用底进风上出风的强制风冷散热模式。

光伏箱式逆变器的物理模型参数说明如下：1）环境温度为某地区七月份最高气温45℃，大气压909hPa，气流状态为紊流，系统求解的迭代次数为200次。2）集装箱尺寸为长4000mm×宽2700mm×高2896 mm，逆变器IGBT模块360mm×215mm×152 mm，电抗器652mm×658mm×400 mm。由于功耗器件集成度较高，且主要热源IGBT热耗分布较均匀，工程仿真热模型采用均匀体积热源等效实际热源。在集装箱前面和后面的门页下端共安装有6扇600mm×800mm的带有防尘网的百叶窗侧面进风，其净进风面积系数为0.7；在集装箱地面上铺设有菱形花纹钢板底部进风。在直流柜、逆变器顶部安装有独立风道将热量直接引出集装箱外。风道设计依据考虑逆变器-风道、集装箱壁-风道的空间接口尺寸，截面形状接近于正方形，拐角处采用圆角光滑过渡，以降低风道压损。

在集装箱的左右墙壁上内嵌有4台轴流风机以排出设备外循环热量，风机型号为EBM公司的W2E200-HK38-01，风机排风量最大为800 m3/h。风机特性曲线如图2所示。风机风量的确定公式

式中，Qf—强制风冷系统所需提供的风量；Q—耗散功率，W；Cp—空气比热，J/(kg·℃)；ρ—空气密度，kg/m3；ΔT—进出口处空气的温差。3）彩钢岩棉保温板的传热系数为0.04 W/（m·k），设备柜壁受太阳辐射吸收热量而使柜壁温度相对于环境温度身高，为模拟太阳辐射效应，把icepak根据时区月份、日期、和经纬度计算得到的太阳辐射热流值143W/m2作为边界条件施加在集装箱壁面上。

图2 轴流风机特性曲线

图3 热仿真物理模型

图4 IGBT模块温度仿真结果截面图

图5流场仿真结果图

图4中IGBT模块的管芯温度是100.97℃，低于厂家提供的允许结温155℃，满足使用要求。但是这需要待到该地区夏天最高气温到现场进行实验测试才能验证仿真结果与实测数据之间的误差。

从图5可以看出大的气流速度出现在逆变器、直流柜专门通风管道的出风口，较低速度出现在散热器翅片之间。接近正方形的矩形通风管道取得较大的空气输送能力，流阻较小，在流场中无死区、回流现象，满足系统散热效果。风机工作点为0.23m3/s，50Pa，可见轴流风机工作点位于风量大、压降小的右部分区域，避开了中间部分的不稳定区域[2]，基本满足应用要求。

表1 关键功耗器件热参数

2 结论

对于环境级以及系统级、板级、元件级的散热分析问题，采用基于Ansys Icepak的分析能够较准确评估在实际运行中的温度、流场、风机工作点等，对该通风散热方案在某地区夏季高气温下，系统电力电子设备能否正常运行给予可靠的参考信息。可有效指导后续的光伏箱式逆变器的结构优化，为进一步提升该产品的热适应性奠定良好基础。

[1]杨雄鹏.基于Flotherm分析的光伏逆变器的散热设计[J].电力电子技术，2013,47（3）：54-56.

[2]苗力.轴流风机机箱散热结构的仿真优化设计[J].发电与空调，2012.