上能赵龙：光伏逆变器的可靠性设计与预防性设计

如何通过可靠性的工程技术设计出一款高品质的光伏逆变器？可靠性工程技术是提高产品在整个寿命周期内可靠性的一门工程技术，光伏逆变器产品研制过程中，可以依托可靠性工程技术的设计原则和方法，从源头上提升产品的可靠性指标，保障光伏逆变器的产品质量。可靠性工程技术的原则和方法有很多，包括冗余设计和容错设计等。系统热设计、系统防护设计、可靠性模型设计。可靠性中的系统热设计为什么重要？逆变器必然要用到的关键元器件包括直流侧电流、交流侧电流、IGBT。元器件厂家提供的技术参数中，可以非常明确地看到每个器件的寿命和温度呈现非常明显的相关性，是非线性的关系，温度升高十度，寿命会降低一半。IGBT器件厂家会给出温度和寿命曲线，随着温度的增加，IGBT的循环寿命会有指数级的下降，元器件怕热，而且可靠性和寿命随着温度的变化有明显变化。我们在产品设计过程中，需要花很大精力把热设计好。

上能电气股份有限公司总工程师赵龙

热设计的方法。随着逆变器功率损耗的不同，通常有不同的散热设计方法，一台一百千瓦的逆变器如果效率是99，那发热损耗就是剩下的1%。通常热损耗小于一千瓦的逆变器，通常对应在60-70千瓦的功率。设备满载运行时发热功率在一千瓦左右，发热功率小时可以考虑采用自然散热的方法。自然散热的优点非常明显，可以提升可靠性；自然散热的缺点是散热能力差，随着功耗越来越大时会发现自然散热器重量会越来越重，而散热能力会越来越没有优势。增加到五十千瓦时，发热千瓦对应到一千瓦到2.5兆瓦，就要采用强制的散热方式。相比自然散热，强制风冷散热的能力更强，可以进一步降低元器件的温升，温升降低以后器件的寿命会有显著提升。但问题在于增加风机带来防沙尘的问题。当热损耗超过50千瓦时，通常对2.5兆瓦以上的产品，一定程度可以考虑水暖散热。相对风冷散热，液冷散热可以降低温升，很多交换器会因此增加成本和故障。

系统防护设计。光伏逆变器应用的场景非常复杂，包括沙漠、水面、潮湿的环境。对逆变器的关键元器件造成很大的影响，包括沙尘和凝露和潮湿对元器件造成寿命和可靠性的影响。我们在设计过程中必须关注防护设计，防护设计和热设计是天生的一对冤家互相矛盾存在。如何很好地调节矛盾？逆变器的设计中有不同的方案来解决平衡问题，每种方案都有自己的特点。散热采用无风扇自然对流，机箱采用高防护等级的设计。通过自然对流散热有风扇问题，对于一台逆变器里面95%以上的发热功耗来源全部是来源于电扇，电路把继电器开关和接受器产生的损耗微乎其微，我们在热设计时只需要把IGBT想办法散出去，其它的散热压力会小很多。自然对流的方式可以看到发热器件在密封的环境，依然有5%左右的功耗不是来源于IGBT。包括电路板上的设备，它也产生了一定热量，而这些热量是没有办法通过散热器找到办法。密封的箱体带来的好处，沙尘不会进来，但问题是热会很难跑出去。风吹到机箱内部，包括IGBT和电路板没有任何区分对待，它的散热风力不集中，怕热的器件和发热的器件可以明显的区分开，如果没有风道没有区别处理，需要散热的器件不能集中得到器件。而怕灰尘的器件，在风流通的过程中又大量带来沙尘。目前在光伏逆变器，尤其是大功率的光伏逆变器中，主流采用的方案通常是通道分舱设计的方案，大型逆变器主流的风暴分舱设计，在这样的系统中，我们把散热器和电抗器发热的器件独立到分舱内部，而强大的散热气流吹过散热器和变压器。散热器不怕灰，95%的热是在这个风道内。机舱剩下电路板、开关接受器这些不发热的器件，针对这些器件我们一般不需要额外从外面引入大的气流进行散热。进来的气流不多，沙尘自然也不多，可以非常好地解决防尘和散热的矛盾。随着未来进一步对防尘能力要求的提升，也会出现一些新的解决方案，通过通风换热器，机舱内通道进行绕流，热量转到换热器的表面。未来相信会有这种解决方案在逆变器产品中进行应用。

  可靠性模型设计。可靠性模型设计的理解，有助于对系统的可靠性进行定性和定量的计算与评判。也有助于用户基于可靠性模型的理解，评价逆变器在系统应用中的可靠性情况。什么是可靠性模型？为了预计和估算产品的可靠性建立的可靠性框图和数学模型，有两个参数必须要了解，失效率——光伏逆变器用户关注的重要数据，在规定的条件下和规定的时间内，产品失效数和总数之比；另外一点是MTBF平均故障间隔时间。讲清楚两个模型再看任何一个元器件，可以放大到任何一个功率单元，一个器件的失效率对应着器件的质量，它工作在什么样的环境下，承受什么样的电压应力。器件如果用了很好的产品，又有非常好的电压和电流，工作环境不过于恶劣，它的失效率会相对较低。任何一个产品总的失效率相当于所有元器件的失效率之和。

任何一台逆变器都有很多功能单元组成，每一个组件都是有很多元器件组成。假设任何一个功能单元失效或整台逆变器的功能都失效，我们则认为它是可靠性的串联，是所有控制单元、监控单元和辅助电源串联在一起的失效率，元器件越多，失效率越高。如果系统中任何一个功能单元失效后，逆变器的功能还会存在，我认为可能是一个并联的结构。任何一个辅助电源系统还可以进行并联，并联以后的故障率会降低，但不会低那么多。

设计上需要关注的要点。简化系统，减少元器件总数量。采用元器件少的电站故障率会低。设计逆变器也一样，我们希望元器件总数尽可能少，失效率会降低。尽可能少选用基本失效率高的器件，尽可能选择高品质的元器件，让它工作在良好的环境温度中，不承受过大的电压和电流应力。当我们不可避免地会有一些关键的功能单元，而它的失效率比较高时，在设计中采用冗余设计。风扇是一个高失效率的器件，包括辅助电源。辅助电源出问题，逆变器的功能会丧失，采用辅助电源的冗余设计，任何一个出现故障系统都可以正常工作。如果依然会有很多失效率较高的器件，重要的单元无法全部通过冗余解决问题，采用预防性的维护设计，降低故障后的影响，甚至在故障之前进行预判。

预防性维护设计本质上已经超出产品可靠性，它在产品可用性范畴里的概念。可用性是投入使用后实际使用的效能、是产品的可靠性、可维护性和维护支持性的综合特性。产品的开发过程中，一方面也充分运用可靠性工程技术来提高整体的可靠性指标，也采用了一些新的技术，让光伏逆变器实现可维护性设计，整体上提升产品的可用性。关键器件的故障预判，整机电性能的故障预判和光伏发电器的故障预判，通过一些新的技术可以让逆变器在工作过程中是不是监测到电容的容量，当电容的容量低于额定值80%时，通常意味着电容进入可靠性的生命周期尾声，再使用面临爆炸，要发出预防性的警告。逆变器内部的滤波器和IGBT等，我们有控制舱，设备内部埋入超过30个温度传感器监测断路器的温度，我们检测CPU所在的控制舱。当任何一个舱室的温度出现异常，我们会发现异常会进行报警，不会给用户造成发电量的损失。我们监测逆变器的输入输出功率，发热损耗一旦异常会停机发出预警。

逆变器是并网运行的设备，如果你没有任何的侦测手段，那逆变器内部的滤波器会异常发热。我们有相关的手段，对电网之间的异常谐波电流进行监测，一旦有异常会发出警告。我们要和光伏组件进行紧密配合，提供系统级的预防维护和设计，监测的侦测曲线、PV曲线，发现异常报警，帮助用户提前发现问题。要提高产品的质量，细节决定成败。目前光伏逆变器技术越来越成熟的今天，如何让未来进一步提升逆变器的品质，离不开的对每个细节的持续不断创新。

（发言为现场速记整理，未经嘉宾审核）