技術分享 | Icepak應用于光伏箱式逆變器的散熱分析

2018-01-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

對于熱功率集成度較高的集裝箱來說,通風散熱是系統可靠性設計的重要內容之一。根據光伏箱式逆變器的輸入條件及指標要求,確定側面與底部進風、上出風的通風散熱方案,運用CFD仿真軟件ansys icepak對集裝箱在某地區夏季的最高氣溫等特定條件下的流場、溫度場仿真分析。通過分析流場、溫度,集裝箱方案設計滿足系統使用要求,并且從中摸索出一些關于風道、風機的設計依據。

光伏箱式逆變器是將光伏并網發電系統所需的交直流配電、逆變和監控通訊等設備集中安裝在一個特種封閉集裝箱內,完成光伏發電系統的并網控制、數據采集和遠程傳輸功能的裝置。光伏箱式逆變器因其成本低、安裝調試簡單、外形美觀、適應復雜環境能力強而廣泛應用,其結構如圖1所示。

光伏并網逆變器中發揮重要作用的主功率模塊 IGBT的熱耗是最大的,約10﹪的有功功率轉化為耗散功率,尤其是在集裝箱內這種多臺設備緊湊布置且空間相對狹小的環境中這部分熱量會使 IGBT模塊中的二極管芯結溫升高,系統可靠性降低,甚至導致設備停機或燒毀。因此應對集裝箱及逆變器采取良好的通風散熱措施,即使是在西北夏季最高氣溫下也能使集裝箱內溫度保持在適宜的范圍內。

1、理論基礎及仿真

集裝箱內逆變器、直流柜、通訊柜采用雙排布置模式,配電箱壁掛在集裝箱墻壁上,集裝箱采用底進風上出風的強制風冷散熱模式。

光伏箱式逆變器的物理模型參數說明如下:

1)環境溫度為某地區七月份最高氣溫45℃,大氣壓909hPa,氣流狀態為紊流,系統求解的迭代次數為200次。

2)集裝箱尺寸為長4000mm×寬2700mm×高 2896 mm,逆變器 IGBT模塊360mm×215mm×152 mm,電抗器652mm×658mm×400mm。由于功耗器件集成度較高,且主要熱源IGBT熱耗分布較均勻,工程仿真熱模型采用均勻體積熱源等效實際熱源。在集裝箱前面和后面的門頁下端共安裝有6扇600mm×800mm的帶有防塵網的百葉窗側面進風,其凈進風面積系數為0.7;在集裝箱地面上鋪設有菱形花紋鋼板底部進風。在直流柜、逆變器頂部安裝有獨立風道將熱量直接引出集裝箱外。風道設計依據考慮逆變器-風道、集裝箱壁-風道的空間接口尺寸,截面形狀接近于正方形,拐角處采用圓角光滑過渡,以降低風道壓損。

在集裝箱的左右墻壁上內嵌有 4臺軸流風機以排出設備外循環熱量,風機型號為EBM公司的W2E200-HK38-01,風機排風量最大為800m3 /h。風機特性曲線如圖2所示。

3) 鋼巖棉保溫板的傳熱系數為0.04W/(m?k),設備柜壁受太陽輻射吸收熱量而使柜壁溫度相對于環境溫度身高,為模擬太陽輻射效應,把icepak根據時區月份、日期、和經緯度計算得到的太陽輻射熱流值143w/m2作為邊界條件施加在集裝箱壁面上。熱模型如圖3所示。

圖4中IGBT模塊的管芯溫度是100.97℃,低于廠家提供的允許結溫155℃,滿足使用要求。但是這需要待到該地區夏天最高氣溫到現場進行實驗測試才能驗證仿真結果與實測數據之間的誤差。

從圖5可以看出大的氣流速度出現在逆變器、直流柜專門通風管道的出風口,較低速度出現在散熱器翅片之間。接近正方形的矩形通風管道取得較大的空氣輸送能力,流阻較小,在流場中無死區、回流現象,滿足系統散熱效果。風機工作點為0.23m /s,50Pa,可見軸流風機工作點位于風量大,壓降小的右部分區域,避開了中間部分的不穩定,區域,基本滿足應用要求。

2、結論

對于環境級以及系統級、板級、元件級的散熱分析問題,采用基于Ansys Icepak的分析能夠較準確評估在實際運行中的溫度、流場、風機工作點等,對該通風散熱方案在某地區夏季高氣溫下,系統電力電子設備能否正常運行給予可靠的參考信息。可有效指導后續的光伏箱式逆變器的結構優化,為進一步提升該產品的熱適應性奠定良好基礎。

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