盐雾高湿环境对逆变器运行的影响和解决方案探讨

太阳能发电系统所处的工作环境较为复杂，诸如高温、高寒、高湿、盐雾、大风沙等恶劣环境对系统的可靠性和环境适应性提出了十分严格的要求。近年来，建设在滩涂、鱼塘、沿海的光伏电站越来越多。在电站建成运营后的2-3年内，我们发现，因为盐雾和高潮湿环境，给电站中的设备，特别是逆变器的正常运行带来了非常严重的影响，本文就盐雾和高湿环境对逆变器运行带来的影响进行了深入剖析，并提出了解决方案，抛砖引玉，供业界参考和讨论。 　　一 盐雾、高湿环境分析　　1.盐雾影响机理 　　在盐雾和高湿环境下，主要的污染源为盐雾和湿尘。集中型逆变器一般放置于砖瓦房或集装箱内，由于其发热量大且集中，一般采用直通风风道强制风冷方式，从室外直接抽取空气进入逆变器房，然后经过逆变器散热风道（出风口），排到室外。在这种情况下，外部的盐雾颗粒和潮气将被吸入逆变器，并在电路板、接插件、IGBT模块、配电开关、铜排电缆等内部部件上积累。盐雾腐蚀破坏过程中起主要作用的是氯离子。氯离子容易穿透金属表面的氧化层和防护层，与内部金属发生电化学反应。同时，氯离子含有一定的水合能，易被吸附在金属表面的孔隙、裂缝排挤并取代氯化层中的氧，把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物，使钝化态表面变成活泼表面，降低器件的绝缘能力和连接面的导电能力，导致产品失效。 　　另外，白天逆变器工作时温度比较高，晚上停止工作，空气温度和逆变器温度差异导致在逆变器上有水珠凝结，第二天温度上升后，水蒸汽蒸发，但是盐雾颗粒凝结在铜牌上腐蚀。 　　潮湿空气的危害是非常大的。如果电站建设在鱼塘，沿海，滩涂附近，周围空气潮湿，湿气通过直通风进入逆变器房，非常容易引起控制设备内部发生凝露，引起爬电、闪络事故。 　　对于IP54防护等级直通风形式的集中式逆变器机房来说，机房和设备的防尘网只能过滤部分颗粒直径较大的灰尘，对于盐雾和潮气没有过滤保护作用。在逆变器内部，普通的保护涂层（如铜排镀层，机箱镀层）、防护漆（如PCB三防漆）对于盐雾和湿尘无法起到全面的保护作用。 　　2.部分盐雾和潮湿环境下运行失效案例 　　某滩涂项目，逆变器接插件腐蚀，导致三相短路，烧坏电缆和功率器件等  　　图1  接插件腐蚀 　　某项目，因潮湿环境，设备柜内外表面生锈腐蚀   　　图2  设备柜内外面腐蚀 　　某海边应用电源，PCB被盐雾腐蚀放电失效，注意图中红框中的白色盐分颗粒  　　图3 PCB被腐蚀 　　某海边电站，逆变器运行1年后，风扇罩的腐蚀已经非常严重。  　　图4 逆变器风扇被腐蚀 　　国内某项目，电站建在潮湿环境，运行2年后，逆变器房内的配电柜腐蚀严重  　　图5 高湿环境 机房内配电柜被腐蚀　　3. 应对解决方案 　　上述案例可以看出，如果要在盐雾高湿环境满足光伏电站20年以上发电寿命的要求，从方案设计到设备选型需要提前做好应对措施，否则后果不堪设想。光伏电站的主要部件：组件、支架、线缆、逆变器、交直流配电设备等需要全方面的考虑。而逆变器作为光伏电站的核心，价值高，可靠性对发电量影响大，合理的选型和防护更是方案考虑的重中之重。 　　从上面的失效机理分析及案例来看，常规的集装箱或者拼装机房（防护等级IP55）解决不了盐雾和高湿气问题。对于防护等级IP20的逆变器和其他配电设备，如果应用在盐雾和潮湿环境，防护的关键手段是实现电气与外部潮湿盐雾空气的隔离，从而消除故障隐患，保证长期的可靠性。针对集中式逆变器和组串式逆变器，有不同的解决方案。 　　集中式逆变器解决方案的防护措施是通过密闭机房保护，不与外界发生气体交换。下面是日本光伏电站的防护案例： 　　日本大部分地区靠近海边，在盐雾防护上有比较高的要求。下图示例为日本东京附近的一个鱼塘电站，逆变器机房采用全封闭式结构，与外部没有空气交换，逆变器为IP20防护等级，通过大功率空调的室内机－室外机方式进行散热，实现对盐雾和潮气的保护。 　　而该方案的缺点也非常明显：一是工业级空调带来的额外成本，二是空调自身维护工作量及故障点的增加，三是在夏天以及辐照强度高的中午，空调连续运行消耗大量电力，影响发电收益。所以此方案适合在电价补贴较高，初始投资较充裕的场景。   　　图6 电站概况图（1MW机房配置两台5.7KW的空调） 　　如果选择组串式解决方案，减少了直流配电柜（IP20），集中式逆变器（IP20）等低防护等级设备的应用，取而代之的是高防护等级的电气设备，包括组串式逆变器（IP65），交流汇流箱、通讯柜等其余设备均采用IP55以上的防护。目前国内部分厂家的组串式逆变器已经能够实现IP65的防护等级（外置风扇部分防护等级略低为IP55）。为进一步加强抗盐雾特性，笔者建议组串式逆变器机身采用全铝一体封闭式外壳（含盖板，机箱 ，散热器，气密性要好），无外置风扇设计（这点很关键，外置风扇是逆变器中最容易出现故障和被腐蚀地方之一），同时逆变器外壳需喷涂高耐候室外型涂层保护，散热器采取加厚阳极氧化氧化工艺，以及所有安装部件采取不锈钢等耐腐蚀材料，真正实现IP65防护，从而满足在盐雾和高湿环境下的应用。下面是海边试验外场的实际测试场景，逆变器经过近3年的长期测试，仍然保持稳定的运行，外观无任何锈蚀等痕迹。  　　图7  海南海边外场试验 　　盐雾和高湿环境，对电气设施的腐蚀问题，已经严重影响到电站的安全可靠以及长期的运行，需要在电站可研和方案设计之初就要引起足够的重视。组串式解决方案由于全系统设备防护等级高，无需增加额外的成本，维护和故障更换方便，责任界面清晰等优点，是盐雾高湿地区建站方案的最佳选择。同时选择信用等级高的合作伙伴和高质量的逆变器产品，不但能够获得最佳的发电性能和系统可靠性，降低运维风险和成本，更能够在未来电站再融资市场上获得更好的估值，形成商业的良性循环。