用于光伏直驅離心式冷水機組的變頻器冷卻性能試驗研究

黃童毅，周衛華，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-空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著光伏發電技術高速發展及安裝成本的降低，世界上光伏系統裝機容量大幅上升，預計2050年左右，光伏發電將達到世界總發電量10%～20%[1]。光伏空調作為光伏技術應用產物在近幾年受到重視，市場上陸續出現光伏空調產品，如光伏直驅變頻離心式冷水機組[2]。

作為光伏直驅變頻離心式冷水機組（以下簡稱光伏離心機）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鍵因素。近些年，大功率功率器件常用的散熱器研究包括強迫風冷式散熱器、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、設計選型[6-8]；另一方面可通過熱仿真技術輔助優化冷卻設計[9-11]。

冷板換熱作為應用于高功率密度器件冷卻的技術之一，近年來在國內受到重視。張雨龍等[12]實驗研究了陣列微射流冷板傳熱及壓降特性，當熱源表面溫度為78.9 ℃，噴射速率達到0.58 m/s，散熱功率密度可達29.89 W/cm2。陳學永等[13]分析了膠接、焊接和鑄造成形工藝的優缺點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、性能參數的計算，設計用于風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]設計改進一款S型流道壓管式冷板散熱器，采用進出流道交錯式排列，均溫性更好，進出口壓差小。

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，被應用于中、高熱流密度設備中。王姍姍[16]研究了套管式相變冷卻系統的換熱特性，提出結構優化策略；唐強[17]定義了一個具有很強應用性的總傳熱系數概念，將IGBT功率、冷板最高溫度和氣流來流速度聯系在一起，為理論研究與工程應用搭建橋梁；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、相變冷卻的研究現狀及特點，光伏離心機變頻器采用了獨立相變冷卻系統搭配冷板的方式進行散熱。本文將結合光伏離心機系統負載特性，側重于研究獨立相變冷卻性能，揭示技術問題，分析其規律并提供改進方案。

1 系統介紹

光伏離心機不設置儲能裝置，即發即用，制冷系統結構上與常規變頻離心式冷水機組基本一致，變頻器/換流器為整個系統的核心部件，承擔直流（Direct Current，DC）/交流（Alternating Current，AC）、AC/DC的作用，操縱光伏電的流向。當光伏發電量大于機組耗電時，換流器向外發電；當光伏發電量小于機組耗電時，換流器向電網取電；機組待機時，光伏通過換流器向電網發電[19]。

光伏離心機具有工作模式多、發熱量大的特點，常規風冷難以滿足要求，純發電狀態下變頻器工作，壓縮機不工作，此時無法使用離心機系統冷媒冷卻。其變頻器采用獨立相變冷卻方式，連接一臺獨立空調冷卻裝置，具有隨時啟動、智能控制、冷卻效率高的優點。冷卻板內埋有銅管，整流模塊及逆變模塊布置于冷卻板上間接換熱，柜體結構近似密封，除濕器風扇使氣流在柜內循環，冷卻裝置控制電子膨脹閥開度，冷媒經節流后一部分進入冷卻板冷卻模塊溫度，另一部分進入除濕器調節柜內濕度，完成換熱后匯入壓縮機重新壓縮（見圖1）。

2 實驗原理及誤差分析

2.1 測試系統原理

測試系統如圖2顯示，水系統由冷卻水箱供水及調節冷卻水溫度，兩側水泵循環冷凍水、冷卻水流量，控制閥門開度兌水平衡冷凍側水溫，以供回水熱平衡的方式維持光伏離心機正常運行。供電系統由光伏模擬電源及電網組成，其中，光伏模擬電源接入母線側，提供直流電，機組輸入端連接電網側，依電流流向表明系統發電、用電狀態。測試儀器及基本設備如表1所示，變頻水泵提供1,150 m3/h流量供冷水機組運行，制冷量調節范圍900 kW～ 5,000 kW，而光伏輸入容量、穩壓電源容量分別為630 kVA、1,000 kVA。

系統工作時，當光伏功率大于機組功率，系統發電，電網處于接收狀態；當光伏功率小于機組功率，系統耗電，電網處于用電狀態。冷卻裝置獨立工作，當機組運行或光伏發電，均會開啟，調節變頻器散熱。

圖2 測試系統示意圖

表1 測試系統主要設備

2.2 誤差分析

實驗誤差包括儀器誤差、環境誤差、系統測試誤差、采樣誤差、操作誤差，對各類誤差逐一分析。

實驗測量參數包括冷凍進出水溫度、冷卻進出水溫度、光伏輸入功率、網側功率、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、計量直接確定。其中，熱電偶允許誤差為±0.5 ℃，計量示值誤差為±0.2 ℃。

表2 儀器參數及誤差

環境誤差可忽略，因為被測樣機處于室內實驗室，環境溫度趨勢穩定，且變頻器密封性較好，模塊溫度受影響小。

系統測試誤差主要體現在功率、制冷量檢測，功率檢測由電流傳感器、電壓傳感器測量后經功率計WT230計算得出，儀器允許誤差均為±0.5%，計算方法見式(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，由電磁流量計測量流量、鉑電阻測量水溫、查表獲取比熱容、密度后計算得出。

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——進口水溫，℃；

t2——出口水溫，℃。

數據導出經由測試電腦接收各儀器設備實時反饋，統一導出，采樣間隔設置為6 s/次。

2.3 試驗方案

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，結合其工作特性及負荷范圍，實驗以模塊溫度升降考核變頻器散熱性能，設計實驗如表3。機組本身的運行電流限制策略，國標[21]中規定的水溫并不能運行至機組運行范圍內的最大功率，通過調節水溫至12 ℃～32 ℃，使電流降低，加載頻率使得功率上升。7 ℃～19 ℃[國標綜合部分負荷性能系數（Integrated Part Load Value，IPLV）25%制冷負荷工況]檢驗離心機小功率運行時的散熱性能，而光伏發電試驗是在機組待機的情況下，投入大功率、小功率光伏電，驗證變頻器最大、最小散熱性能。

表3 試驗方案

3 損耗發熱分析

變頻器功率器件損耗分為靜態損耗、開關損耗和驅動損耗；其中，靜態損耗分為通態損耗、截止損耗，開關損耗又分為導通損耗、關斷損耗。IGBT模塊中IGBT和反并聯快速恢復二極管（Freewheeling Diode，FWD）一般是集成封裝的；一般而言，IGBT截止損耗、驅動損耗功率占比很小，可忽略不計。故IGBT模塊總損耗功率PS如下所示[20]：

式中：

PS——IGBT損耗，W；

n——IGBT功率器件數量；

m——FWD數量；

Pk——IGBT開關損耗功率，W；

PT——IGBT通態損耗功率，W；

PFWD——二極管損耗，W；

PFT——二極管通態損耗功率，W；

Ph——二極管反向恢復損耗功率，W。

通態損耗功率計算：

式中：

Uc——IGBT通態壓降，V；

UF——二極管通態壓降，V；

Ic——IGBT負載電流，A；

IF——FWD負載電流，A；

T——開通周期，s；

D——占空比。

IGBT開關損耗計算公式：

FWD反向恢復損耗功率Ph：

式中：

Eon——某一溫度下一個周期的IGBT開關能量，J；

Eoff——某一溫度下一個周期的IGBT關斷能量，J；

Eh——一個周期內的反向恢復損耗，J；

fk——開關頻率，一般根據廠家IGBT模塊的數據手冊獲得，Hz。

模塊溫升公式：

式中：

ts——溫升溫度，℃；

ti——柜內環境溫度，℃；

Rs——熱阻，℃/W；

Ps——損耗功率，W。

開關頻率無法隨意更改，光伏離心機組可通過調節壓縮機頻率、光伏輸入、水溫情況實現負載變化，因冷卻裝置具備自動調節能力，故變頻器損耗允許一定程度的計算偏差，由冷卻裝置自行調節冷卻輸出。當功率升高，冷卻裝置加載給出足夠冷量，避免能力過小模塊超溫；當功率下降，冷卻裝置卸載，避免能力過大導致模塊凝露。

4 試驗結果分析

4.1 空調運行

如圖3所示，光伏離心機啟動后，先保持在210 kW運行6 min，冷卻裝置同步啟動，啟動運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，但壓縮機加載至500 kW保持運行，導致整流模塊溫度快速升至57.3 ℃，冷卻裝置滯后跟隨調節，增加冷卻輸出降低模塊溫度，穩定在45.0 ℃。逆變模塊溫度、散熱器入口溫度相近、波動不大，分別穩定在28.5 ℃、30.5 ℃，滿足冷卻需求。無光伏空調運行模式下，整流模塊、逆變模塊運行功率基本一致，逆變模塊電流較小，故發熱量小于整流模塊，溫度低于整流模塊溫度。

圖3 12 ℃～32 ℃空調運行變頻器溫度曲線

逐步投入光伏后，各溫度均出現下降現象，如圖4所示。因光伏功率上升，整流模塊運行功率下降，而逆變模塊維持功率輸出，整體冷負荷減少，整流模塊溫度下降至36.0 ℃，逆變模塊溫度下降至18.0 ℃。冷卻裝置按照設定目標逐步調節輸出使模塊溫度逐漸下降。

運行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），溫度控制目標范圍為14.4 ℃～19.2 ℃，但逆變模塊最低溫度已達11.4 ℃，導致變頻器內冷卻板出現凝露。考慮簡化控制以及優先防止模塊超溫的目的，將整流溫度作為控制溫度，但受限于調節周期，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、過調現象，導致逆變模塊溫度偏低。另外，柜內除濕效果不佳、露點溫度偏高，模塊溫度保持13.0 ℃，30 min內便可形成凝露，柜內露點溫度高、除濕能力不足為主要原因，可通過提高除濕器能力、內外隔絕密封等措施改進。圖7為實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步后的實驗結果，逆變模塊最低溫度升至14.0 ℃，無凝露現象。

圖4 12 ℃～32 ℃投入光伏空調運行變頻器溫度曲線

圖5 7 ℃～19 ℃運行變頻器溫度曲線

圖6 變頻器內部冷卻板凝露

圖7 改進后7 ℃～19 ℃運行變頻器溫度曲線

4.2 光伏發電

在光伏發電模式下，如圖8，僅整流模塊向電網輸出電流，逆變模塊停止工作，整流模塊發熱，冷卻裝置輸出調節滯后的影響大，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，匹配負荷變化速率，圖9為將壓縮機調節周期縮短30 s實驗結果，調節周期縮短使冷量輸出適當，溫度停止波動，整流溫度穩定至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光伏發電變頻器溫度曲線

圖9 改進后光伏發電變頻器溫度曲線

在10 kW光伏發電狀態下，冷卻裝置將冷卻模塊至穩定需11 min，各溫度最終穩定至14.0 ℃左右（見圖10），試驗過程中同樣發現了有柜內凝露現象。小功率光伏發電模式下，投入功率僅有10 kW，發電量為額定容量的2%，故發熱量很低，小于冷卻輸出，導致溫度偏低。需設法減小低功率下的冷卻輸出，匹配變頻器最小冷負荷。具體辦法為減小冷卻裝置容量選型，下調冷卻裝置壓縮機運行頻率等。表3為將壓縮機最小頻率下調5 Hz實驗結果，散熱器入口溫度提高2 ℃，無凝露。

圖10 10 kW光伏發電變頻器溫度曲線

表3 改進后10 kW光伏發電穩定后實驗結果

5 總結

1）空調運行模式下，冷卻裝置滯后跟隨調節，整流模塊溫度隨著功率增加而增加，升至57.3 ℃后調節至45.0 ℃穩定運行；當逐漸投入光伏后，冷負荷減少，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光伏發電運行時，整流模塊溫度在23.2 ℃～57.3 ℃周期性波動，需縮短控制周期，匹配負荷變化速率，如將壓縮機調節周期縮短30 s后冷量輸出適當，溫度不波動，整流溫度穩定至42.0 ℃。

3）運行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、過調現象；內外漏風交換、除濕能力不足，導致凝露現象。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 ℃，無凝露發生。

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