鹽霧高濕環(huán)境對逆變器運(yùn)行的影響和解決方案探討

太陽能發(fā)電系統(tǒng)所處的工作環(huán)境較為復(fù)雜，諸如高溫、高寒、高濕、鹽霧、大風(fēng)沙等惡劣環(huán)境對系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性提出了十分嚴(yán)格的要求。近年來，建設(shè)在灘涂、魚塘、沿海的光伏電站越來越多。在電站建成運(yùn)營后的2-3年內(nèi)，我們發(fā)現(xiàn)，因?yàn)辂}霧和高潮濕環(huán)境，給電站中的設(shè)備，特別是逆變器的正常運(yùn)行帶來了非常嚴(yán)重的影響，本文就鹽霧和高濕環(huán)境對逆變器運(yùn)行帶來的影響進(jìn)行了深入剖析，并提出了解決方案，拋磚引玉，供業(yè)界參考和討論。 　　一 鹽霧、高濕環(huán)境分析　　1.鹽霧影響機(jī)理 　　在鹽霧和高濕環(huán)境下，主要的污染源為鹽霧和濕塵。集中型逆變器一般放置于磚瓦房或集裝箱內(nèi)，由于其發(fā)熱量大且集中，一般采用直通風(fēng)風(fēng)道強(qiáng)制風(fēng)冷方式，從室外直接抽取空氣進(jìn)入逆變器房，然后經(jīng)過逆變器散熱風(fēng)道（出風(fēng)口），排到室外。在這種情況下，外部的鹽霧顆粒和潮氣將被吸入逆變器，并在電路板、接插件、IGBT模塊、配電開關(guān)、銅排電纜等內(nèi)部部件上積累。鹽霧腐蝕破壞過程中起主要作用的是氯離子。氯離子容易穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層，與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，氯離子含有一定的水合能，易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫排擠并取代氯化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活潑表面，降低器件的絕緣能力和連接面的導(dǎo)電能力，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。 　　另外，白天逆變器工作時(shí)溫度比較高，晚上停止工作，空氣溫度和逆變器溫度差異導(dǎo)致在逆變器上有水珠凝結(jié)，第二天溫度上升后，水蒸汽蒸發(fā)，但是鹽霧顆粒凝結(jié)在銅牌上腐蝕。 　　潮濕空氣的危害是非常大的。如果電站建設(shè)在魚塘，沿海，灘涂附近，周圍空氣潮濕，濕氣通過直通風(fēng)進(jìn)入逆變器房，非常容易引起控制設(shè)備內(nèi)部發(fā)生凝露，引起爬電、閃絡(luò)事故。 　　對于IP54防護(hù)等級直通風(fēng)形式的集中式逆變器機(jī)房來說，機(jī)房和設(shè)備的防塵網(wǎng)只能過濾部分顆粒直徑較大的灰塵，對于鹽霧和潮氣沒有過濾保護(hù)作用。在逆變器內(nèi)部，普通的保護(hù)涂層（如銅排鍍層，機(jī)箱鍍層）、防護(hù)漆（如PCB三防漆）對于鹽霧和濕塵無法起到全面的保護(hù)作用。 　　2.部分鹽霧和潮濕環(huán)境下運(yùn)行失效案例 　　某灘涂項(xiàng)目，逆變器接插件腐蝕，導(dǎo)致三相短路，燒壞電纜和功率器件等  　　圖1  接插件腐蝕 　　某項(xiàng)目，因潮濕環(huán)境，設(shè)備柜內(nèi)外表面生銹腐蝕   　　圖2  設(shè)備柜內(nèi)外面腐蝕 　　某海邊應(yīng)用電源，PCB被鹽霧腐蝕放電失效，注意圖中紅框中的白色鹽分顆粒  　　圖3 PCB被腐蝕 　　某海邊電站，逆變器運(yùn)行1年后，風(fēng)扇罩的腐蝕已經(jīng)非常嚴(yán)重。  　　圖4 逆變器風(fēng)扇被腐蝕 　　國內(nèi)某項(xiàng)目，電站建在潮濕環(huán)境，運(yùn)行2年后，逆變器房內(nèi)的配電柜腐蝕嚴(yán)重  　　圖5 高濕環(huán)境 機(jī)房內(nèi)配電柜被腐蝕　　3. 應(yīng)對解決方案 　　上述案例可以看出，如果要在鹽霧高濕環(huán)境滿足光伏電站20年以上發(fā)電壽命的要求，從方案設(shè)計(jì)到設(shè)備選型需要提前做好應(yīng)對措施，否則后果不堪設(shè)想。光伏電站的主要部件：組件、支架、線纜、逆變器、交直流配電設(shè)備等需要全方面的考慮。而逆變器作為光伏電站的核心，價(jià)值高，可靠性對發(fā)電量影響大，合理的選型和防護(hù)更是方案考慮的重中之重。 　　從上面的失效機(jī)理分析及案例來看，常規(guī)的集裝箱或者拼裝機(jī)房（防護(hù)等級IP55）解決不了鹽霧和高濕氣問題。對于防護(hù)等級IP20的逆變器和其他配電設(shè)備，如果應(yīng)用在鹽霧和潮濕環(huán)境，防護(hù)的關(guān)鍵手段是實(shí)現(xiàn)電氣與外部潮濕鹽霧空氣的隔離，從而消除故障隱患，保證長期的可靠性。針對集中式逆變器和組串式逆變器，有不同的解決方案。 　　集中式逆變器解決方案的防護(hù)措施是通過密閉機(jī)房保護(hù)，不與外界發(fā)生氣體交換。下面是日本光伏電站的防護(hù)案例： 　　日本大部分地區(qū)靠近海邊，在鹽霧防護(hù)上有比較高的要求。下圖示例為日本東京附近的一個(gè)魚塘電站，逆變器機(jī)房采用全封閉式結(jié)構(gòu)，與外部沒有空氣交換，逆變器為IP20防護(hù)等級，通過大功率空調(diào)的室內(nèi)機(jī)－室外機(jī)方式進(jìn)行散熱，實(shí)現(xiàn)對鹽霧和潮氣的保護(hù)。 　　而該方案的缺點(diǎn)也非常明顯：一是工業(yè)級空調(diào)帶來的額外成本，二是空調(diào)自身維護(hù)工作量及故障點(diǎn)的增加，三是在夏天以及輻照強(qiáng)度高的中午，空調(diào)連續(xù)運(yùn)行消耗大量電力，影響發(fā)電收益。所以此方案適合在電價(jià)補(bǔ)貼較高，初始投資較充裕的場景。   　　圖6 電站概況圖（1MW機(jī)房配置兩臺5.7KW的空調(diào)） 　　如果選擇組串式解決方案，減少了直流配電柜（IP20），集中式逆變器（IP20）等低防護(hù)等級設(shè)備的應(yīng)用，取而代之的是高防護(hù)等級的電氣設(shè)備，包括組串式逆變器（IP65），交流匯流箱、通訊柜等其余設(shè)備均采用IP55以上的防護(hù)。目前國內(nèi)部分廠家的組串式逆變器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)IP65的防護(hù)等級（外置風(fēng)扇部分防護(hù)等級略低為IP55）。為進(jìn)一步加強(qiáng)抗鹽霧特性，筆者建議組串式逆變器機(jī)身采用全鋁一體封閉式外殼（含蓋板，機(jī)箱 ，散熱器，氣密性要好），無外置風(fēng)扇設(shè)計(jì)（這點(diǎn)很關(guān)鍵，外置風(fēng)扇是逆變器中最容易出現(xiàn)故障和被腐蝕地方之一），同時(shí)逆變器外殼需噴涂高耐候室外型涂層保護(hù)，散熱器采取加厚陽極氧化氧化工藝，以及所有安裝部件采取不銹鋼等耐腐蝕材料，真正實(shí)現(xiàn)IP65防護(hù)，從而滿足在鹽霧和高濕環(huán)境下的應(yīng)用。下面是海邊試驗(yàn)外場的實(shí)際測試場景，逆變器經(jīng)過近3年的長期測試，仍然保持穩(wěn)定的運(yùn)行，外觀無任何銹蝕等痕跡。  　　圖7  海南海邊外場試驗(yàn) 　　鹽霧和高濕環(huán)境，對電氣設(shè)施的腐蝕問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響到電站的安全可靠以及長期的運(yùn)行，需要在電站可研和方案設(shè)計(jì)之初就要引起足夠的重視。組串式解決方案由于全系統(tǒng)設(shè)備防護(hù)等級高，無需增加額外的成本，維護(hù)和故障更換方便，責(zé)任界面清晰等優(yōu)點(diǎn)，是鹽霧高濕地區(qū)建站方案的最佳選擇。同時(shí)選擇信用等級高的合作伙伴和高質(zhì)量的逆變器產(chǎn)品，不但能夠獲得最佳的發(fā)電性能和系統(tǒng)可靠性，降低運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)和成本，更能夠在未來電站再融資市場上獲得更好的估值，形成商業(yè)的良性循環(huán)。