太陽能發(fā)電系統(tǒng)通常直接暴露在室外環(huán)境工作，經(jīng)常遇到高溫、高寒、高濕、大風沙，淋雨，鹽霧等惡劣氣象條件。華為可靠性實驗室業(yè)界首創(chuàng)開發(fā)出了溫度、濕度、腐蝕性粉塵三綜合應力試驗設備，使得逆變器產(chǎn)品在惡劣場景應用具有卓越的適應能力。針對戶外應用，采用高溫、淋雨、帶電溫循、外場暴露等加速方法，驗證了逆變器的長期可靠性，保證設備長期穩(wěn)定運行。

1.溫變影響機理

溫度不同，材料結構的分子運動的速度不同，在不同材料之間就出現(xiàn)膨脹系數(shù)、熱傳遞性能的匹配差異，容易導致部件的卡緊件松弛。IGBT模塊和散熱器之間的熱不匹配、不同材料的收縮或膨脹率不同，可誘發(fā)部件的變形或破裂、表面涂層開裂、氣密性變差或泄漏、絕緣保護失效等。通常溫度變化慢，影響不明顯。急劇的溫度變化可能會暫時或永久的影響設備的正常工作。

同時溫度的快速變化，容易在單板，機殼等位置形成凝露，結水或結冰等現(xiàn)象，這對逆變器的運行帶來較大的風險。

2.溫變影響案例

影響逆變器溫度的主要是地域溫差、晝夜溫差、季節(jié)溫差、天氣變化如太陽、風、雨等形成的溫差。同時自然散熱在熱源和器件、外殼之間也形成溫差，導致逆變器個部件之間形成溫差。在北方地區(qū)冬季溫度較低，很多地方低于-20℃，夏季溫度超過40℃，晝夜溫差20℃、季節(jié)溫差60℃，同時逆變器外殼的溫升在20~30℃，內部IGBT的溫升在40~50℃。這樣容易在內部腔體內形成溫度差和各個部位的溫度差，并且溫度變化頻繁，這些對產(chǎn)品材料的選擇提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

此外早晚開機功率輸出，突變的陣雨及惡劣的天氣變化，溫變速率大，容易在一些部件上形成凝露，這也將影響逆變器的安全運行。



圖1某西北地區(qū)一年中溫度變化曲線



圖2 實際出現(xiàn)結冰情況 



圖3 模擬可能淋雨的場景 



圖4 模擬濕塵腐蝕試驗

3.應對解決方案　　

產(chǎn)品設計上要考慮溫差的影響，同時考慮凝露風險，如單板集中、涂覆保護、內部風扇散熱等多項措施。在驗證方面一般采用高溫淋雨試驗和PTC帶電溫循試驗來驗證整機性能，作為查找薄弱點的主要方法。同時通過外場暴露來補充驗證嚴酷環(huán)境的長期適應能力。

設計中考慮溫度均衡、溫差分布連續(xù)，防止內部形成明顯的溫差，從而平衡內部單板溫度。提高產(chǎn)品對溫變的適應性。通過熱仿真的方法分析散熱器、內部功率管、PCB單板器件等的熱數(shù)據(jù)，設計中使熱平衡均勻分配。



 圖5 內外部風道分析圖  



圖6  整機熱仿真分析

4.試驗驗證方法

4.1高溫淋雨試驗

4.1.1高溫淋雨試驗的場景分析

淋雨試驗室在高溫、高濕的條件下，通過冷水直接沖淋試驗樣品，讓樣品外部快速降溫，此不僅是驗證試驗樣品的IP防護等級，同時也是驗證內部凝露的風險。一般通過內部貼濕度試紙的形式來檢查內部是否發(fā)生凝露。同時也可進行帶電試驗，檢測逆變器在高溫淋雨時是否得到保護或失效。

夏天在高濕特別是在熱帶雨林地區(qū)使用的時候模塊內部容易有凝露情況發(fā)生，通過淋雨試驗來檢驗IP65等級的抗凝露能力，優(yōu)化內部單板設計。正常使用時，模塊內絕對濕度變化非常小，而下雨天模塊內的平均溫變速率已大于了4度/分鐘，加上風速影響，溫變率會進一步加大。

4.1.2高溫淋雨試驗方法

在專用的淋雨箱保持10H，自動開啟噴水，同時溫箱開始降低，功率開始關閉，噴水0.5H后，開啟功率，10分鐘后，關閉噴水,在噴水快速降溫的過程中，關閉逆變器的功率，能提高溫變率，兼容逆變器內部損耗影響。如此循環(huán)10次,時間168H。試驗過程中檢測功率運行機器情況。試驗完成后開箱檢查試紙情況。



圖7  淋雨試驗時序圖。



圖8 淋雨試驗場景



圖9  淋雨試驗前后內部單板試紙比較

4.2PTC帶電溫循試驗

4.2.1快速溫循的場景分析

PowerandTemperatureCyclingTest：帶電溫循測試

帶電溫循測試的目的是為了暴露產(chǎn)品在不同溫度條件長期運行時的潛在缺陷。通過循環(huán)的快速溫變加速產(chǎn)品在實際的場景的高低溫的變化，驗證產(chǎn)品對環(huán)境的適應性和長期可靠性的主要方法，特別是材料的熱匹配特性。通過帶電運行的方式，能實時的檢測逆變器狀態(tài)。

4.2.2PTC帶電溫循試驗方法

業(yè)界大部分試驗最多用300CYCLE。由于逆變器的特殊性，每天都在溫變，壽命期內的溫變光晝夜溫變次數(shù)為365*25=9125次，采用1000CYCLE的加速驗證是必要。最低溫度到-40℃，高溫到80℃,溫變15℃/分鐘，具體的參考下面的試驗時序曲線圖。

高溫和低溫停留時間根據(jù)產(chǎn)品自身的熱容特性選擇，對于密閉型較大樣品建議選擇1H以上。在高溫和低溫過程中，可進行多次的上電和下電試驗測試。驗證低溫和高溫啟動性能。在高溫段，可增加多次上電下電操作（間隔時間大于逆變器并網(wǎng)最小間隙時間）。

試驗完成后可對內部單板進行檢查，還要求對內部單板，功率管進行檢查，看是否存在裂縫，焊接不良，器件的封裝和本體無開裂現(xiàn)象，塑料無明顯的變形等。檢查完成后可進行完成的電特性測試，分析試驗前后特性是否沒有明顯的劣化。



圖10  PTC試驗時序曲線



圖11  PTC試驗場景圖

4.3外場暴露

4.3.1外場暴露的場景分析

外場暴露可讓逆變器在太陽光照下直接照射，比專門的模擬光照試驗更接近實際場景。為了更好的模擬實際的現(xiàn)場，放到沿海地區(qū)爆曬不僅綜合驗證了抗潮濕、抗鹽霧、抗太陽暴曬能力。海南萬寧是一個比較理想的暴露外場，其有高溫、高濕、高鹽。此地區(qū)臺風、降雨、高溫交變明顯。在夏天，最高溫度到35℃，機器外殼到60℃以上，在突變的下雨條件下，外殼降低30℃。海邊外場是一個咸濕、淋雨、快速溫變綜合試驗，能更好的驗證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

4.3.2外場暴露試驗方法

選擇海邊350M的試驗區(qū)。通過支架斜掛固定架，接入專用的模擬的PV直流源，監(jiān)控系統(tǒng)，直接和電網(wǎng)并網(wǎng)。每周對逆變器的狀態(tài)進行巡檢，觀察其發(fā)電量，內部溫度的主要參數(shù)。外場暴露是一個開放的資源環(huán)境，試驗站每天記錄濕度、溫度、分析鹽分含量。模擬逆變器運行，每天早上7:00開機，并網(wǎng)輸出功率，晚上7:00后待機，關閉功率輸出。試驗周期1年以上。



圖12  海上試驗平臺  



圖13  350M試驗區(qū)逆變器外場暴露實驗

5.總結

華為產(chǎn)品一直重視長期可靠性，不僅要求產(chǎn)品按長壽命設計，還在材料特性、熱分、材料的匹配等方面進行了長期的研究，積累了豐富的工程設計和試驗經(jīng)驗。同時，華為具備世界一流的設備可靠性測試實驗室。該實驗室，擁有業(yè)界最全的產(chǎn)品全環(huán)境應用場景的模擬測試能力，以及先進的可靠性測試能力，包括氣候、機械、室外風吹雨、太陽輻射、結冰等全場景測試能力，領先HALT測試、加速灰塵腐蝕等可靠性能力。

任何華為的產(chǎn)品均需要經(jīng)過嚴格的質量測試。無論在寒冷的北冰洋，還是酷熱的非洲，無論是海邊的高鹽霧環(huán)境，還是西北的沙漠地區(qū)，華為的產(chǎn)品經(jīng)受了自然界惡劣嚴格的考驗，屹立不倒。

光伏逆變器方面不僅借鑒了我司無線產(chǎn)品全球室外應用的經(jīng)驗，還專門研究了逆變器行業(yè)的獨特應用環(huán)境。從設計、試驗上保證了產(chǎn)品的長期穩(wěn)定可靠運行。我們始終信奉一個理念，質量是我們的生命，數(shù)據(jù)真實無情，服務客戶有情。通過這樣的千錘百煉，我們的產(chǎn)品應用遍布全球，質量也得到了客戶的廣泛好評。