风电变流器的水冷系统性能研究

风电变流器的水冷系统性能研究

付晗 洪晶

明阳智慧能源集团股份公司 广东中山 528437

摘要：风能作为一种清洁可再生能源，越来越受到世界各国的重视。２０２０年，世界风力发电将达到世界电力总需求量的１２％。随着风力发电产业的快速发展，装机容量越来越大，兆瓦级大功率风电机组正逐步成为主流机型。兆瓦级风电变流器的整柜耗散功率通常在几十千瓦以上，传统的强迫风冷散热方式已不能满足变流器的散热需求，而导热系数较之气体冷却提高２个数量级的液体冷却方式已成为大功率变流器散热方式的主流。其中水冷方式由于水的对流换热系数为空气自然换热系数的１５０倍以上，散热效率极高，同时又没有油冷方式可能带来的污染和易燃的问题，因此得到了越来越广泛的关注。近年推出的密闭式冷却循环系统，其冷却水不与大气直接接触，而通过风→水或水→水换能系统完成与大气的热交换，具有高效和节水的优点，得到日益广泛的应用。本文将针对一种兆瓦级大功率水冷变流器，采用阀体温控方案进行整柜水冷系统设计。

关键词：大功率；水冷系统；压力损失；热仿真

引言

绝缘栅双极型晶体管（insulatedgridbipolartransistor，IGBT）模块是风电机组变流器的核心部件之一，主要起到整流的作用，变流器的性能很大程度上取决于IGBT模块的性能，随着风力发电机组单机发电功率的不断增大以及电子集成技术的进步，IGBT模块不断向高压、大容量、集成化的方向发展，然而，为了减少外界环境对风电机组的影响，风电机组变流器的内部相对较封闭，IGBT模块易出现极端高温现象，极易产生失效或疲劳效应，进而影响其工作寿命和可靠性，IGBT模块的散热问题已成为变流器发展中急需解决的关键问题。目前，应用于风电变流器IGBT模块的散热方式主要包括强迫风冷及水冷2种。与风冷相比水冷具有更好的散热性能，水冷技术不但被应用于风力发电机的散热中，还常被应用于变压器的散热中。国内很多学者通过有限元法和数值模拟的方法对变流器水冷进行了研究，针对变流器的散热问题国外一些学者也展开了相应的研究。

1变流器水冷系统的工作原理

冷却液流经变流器带走热量，冷却液由循环泵的进口经室外空气散热器与冷空气进行热交换，散热后再进入变流器。在水冷系统室内管路和室外管路之间设置电动三通阀，由变流器控制系统检测当前冷却液温度自动控制电动三通阀，从而调节进入空气散热器的流量来实现温度调节。冷却模式：当变流器工作产生热量时，冷却液带走热量，根据设定的起停温度依次起动散热电动机实现冷却液的热交换。加热模式：当环境温度太低时，为防止变流器柜内的凝露，根据设定的起停温度起动电加热器对冷却液加热。电加热器与散热电动机互锁，不能且不会同时起动。

2风电变流器的水冷系统性能研究

2.1低电压穿越对水冷系统的影响

目前，风电场和光伏电站对低电压穿越有着明确要求，即当风电场的并网点电压发生波动（在允许波动的范围内）时，场内风电变流器必须保证不间断并网运行。低电压穿越的具体要求为：风电场内的风电变流器具有在并网点电压跌至２０％额定电压时能保持并网运行６２５ｍｓ的低电压穿越能力；风电场并网点电压在发生跌落后２ｓ内能恢复到额定电压的９０％时，风电场内的风电变流器能保证不脱网连续运行。当电网发生波动时，风电变流器需正常工作且要求水冷系统继续对其进行冷却。

2.2管道压力损失分析

管道系统的液体在流动时遇到阻力会造成其压力下降，通常将之称为压降或压损。压损分为沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失指在管道中连续的、一致的压力损失。局部压力损失指在管道系统内的特殊部件，由于其改变了水流的方向，或使得局部水流通道变窄（比如缩径、三通、接头、阀门、过滤器等），所造成的非连续性压力损失。工程上用于计算沿程压力损失的一般公式为： 式中，ｈｆ为沿程压力损失；λ为沿程阻力系数，也称为达西系数；Ｌ为管道长度；ｄ为管道内径；ｖ为液体平均流速；ｇ为重力加速度。根据式，可采用如下措施减少沿程压力损失。（１）减小管长Ｌ。在满足工程需要和工作安全的前提下，管道长度应尽可能地短，尽量走直线。（２）适当增加管径ｄ。增加管径可减小沿程阻力，使能量消耗减少。（３）减小管壁的绝对粗糙度Ｋ。管道内壁应进行酸化、清洗。（４）用软管代替硬管可减小流动阻力。流体的黏性越大，软管的管壁越薄，减小流动阻力的效果越好。（５）在流体内加入少量添加剂影响流体内部结构，以减小流体与固体壁面的摩擦阻力，从而达到减小流动阻力的目的。局部压力损失可分为两类：一类是过流断面变化（包括断面收缩和扩大）引起的局部损失；另一类是流动方向变化（如弯头）引起的局部损失。工程上用于计算局部压力损失的一般公式为： 式中，ｈｊ为管道中各处局部压力损失；ξ为局部阻力系数。根据式，减小局部阻力的着眼点应在于避免旋涡区的产生及减小旋涡区的大小和强度。（１）在管道系统允许的条件下，尽量减少弯头、阀门等管件的安装数量，以减小整个系统的ξ值。（２）对于管道系统必须安装的管件，可从改善管件的边壁形状入手来减小局部阻力。①采用渐变的、平顺的管道进口有利于减少阻力，圆形进口比锐缘进口阻力系数小５０％，流线型进口比锐缘进口阻力系数小９０％；②采用扩散角较小的渐扩管有利于减少阻力；③对于截面较大的弯道，加大曲率半径或内装导流叶片可使局部阻力系数减小，而在弯道内设置导流叶片，可使流体流动与管道壁面较好地吻合，从而避免流体与壁面的分离，减小或消灭旋涡区；④减小支流管与总管间的夹角，即使切割成４５°的斜角也能减小阻力，若能改为圆角则性能更好。

2.3立式水冷板的设计

由立式水冷板传热学数学模型可得，可增大表面传热系数h和导热系数λ，减小导热厚度δ和相对面积比A2A1来提高水冷板的传热效率。为了增大导热系数λ，在材料选择上，建议通过引入高导热率材料来最小化净热阻。在导热性能上铝仅次于银、铜、金，且具有更好的经济性，故本文采用铝作为水冷板的材质。本文利用三维建模软件对立式水冷板进行建模，并设计一组内部无结构设计的水冷板作对照组，以便更好地说明设计组立式水冷板的传热性能。为了增大表面传热系数h，减小导热面积A1，所设计的立式水冷板在热源正下方增加肋板的数量，其厚度为2mm，进出口直径为20mm，在热源的下方，水冷板两侧的流体距离热源位置较远，为了增大h，减小相对面积比A2A1和导热厚度δ，则必须减少肋板的高度，于是本文将立式水冷板两侧流体分为3层。

结语

本文以一种大功率变流器水冷系统为例，采用热计算、热仿真及热测试方法对水冷管路的设计进行了研究，结合企业实际产品研发，满足了产品的实际需求。本文进一步论证在不同的水路静态压力状态下，水路系统压力损失与流量间的关系，并对系统在运行过程中的静态压力提出了有效建议。同时，基于准确的仿真模型和丰富的热仿真经验，利用ＡＮＳＹＳ软件进行水冷系统的模拟计算也是很有效的手段。该项目的水冷系统设计方法可作为平台技术，运用到其他大功率电力电子产品或兆瓦级光伏并网电源。

参考文献

［１］冯江华．风电变流器的技术现状与发展［Ｊ］．大功率变流技术，２０１３（３）：５－１１．

［２］屠运武，盛立，马金龙，等．我国风电变流器产业的现状及分析［Ｊ］．风能，２０１１（７）：４４－４８．