UPFC水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

徐　陽，謝天喜，賈勇勇，陶風(fēng)波，周志成

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

UPFC水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

徐陽，謝天喜，賈勇勇，陶風(fēng)波，周志成

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

換流閥是統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的核心，而水冷卻系統(tǒng)則對保證換流閥的安全可靠運行具有十分重要的作用。以換流閥水冷卻系統(tǒng)為研究對象，從內(nèi)冷卻系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)兩方面對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，采用類比法搭建了UPFC水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)，明確了系統(tǒng)中各個模塊的結(jié)構(gòu)和組成，最后對串聯(lián)水路和并聯(lián)水路進(jìn)行了比較，討論了并聯(lián)水道流量分布不均勻的問題。

統(tǒng)一潮流控制器；水冷系統(tǒng)；串聯(lián)水路；并聯(lián)水路

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）自上世紀(jì)80年代提出以來受到科學(xué)界和工程界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是柔性交流輸電的未來［1-3］。UPFC的主要工作原理是通過電力電子設(shè)備（換流閥）及控制系統(tǒng)來改變串聯(lián)變壓器的輸出電壓相角及幅值，從而達(dá)到優(yōu)化控制線路潮流及系統(tǒng)電壓的目的［4-6］。

換流閥是UPFC最關(guān)鍵的部件之一［7］，換流閥中的核心部件是電力電子器件，電力電子器件是溫度敏感器件，溫度對其影響十分巨大，主要表現(xiàn)在以下兩方面：首先，每個電力電子器件都有工作溫度的限制，例如硅（Si）芯片的安全工作溫度一般為-40～150℃，當(dāng)器件結(jié)溫處于安全工作溫度范圍內(nèi)時，超過芯片最高允許結(jié)溫時 （Si芯片的最高允許結(jié)溫一般為175℃），芯片將會失效，所以高溫對于器件的危害是致命的。其次，電力電子器件本身對溫度變化非常敏感，例如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），有實驗表明，當(dāng)器件結(jié)溫為150℃時，其關(guān)斷時間約為25 μs，而當(dāng)結(jié)溫為室溫時，其關(guān)斷時間僅為18 μs，所以器件的關(guān)斷時間隨著結(jié)溫的升高而延長，造成關(guān)斷損耗的增大。溫度的變化影響器件的穩(wěn)態(tài)特性和開關(guān)特性，會使功率變換器的運行指標(biāo)偏離設(shè)計目標(biāo)，一旦器件發(fā)生不可恢復(fù)性失效，將直接導(dǎo)致系統(tǒng)的故障，造成巨大的生命危險和經(jīng)濟損失。因此，散熱系統(tǒng)對UPFC中換流閥設(shè)備的安全健康運行至關(guān)重要。文中建立了UPFC水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)，對串聯(lián)水路和并聯(lián)水路進(jìn)行了對比分析。

1　水冷卻系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.1總體結(jié)構(gòu)

目前常用的散熱方式有自然空冷散熱、強迫風(fēng)冷散熱、液冷散熱和熱管散熱等，圖1給出了不同散熱方式下表面熱流密度與器件溫升的關(guān)系，為電力電子設(shè)備冷卻方式的選擇提供了依據(jù)。對于大功率換流閥而言，由于其器件的熱流密度很大，需要采用高性能的散熱方式。強迫水冷換熱是一種換熱能力強、換熱效率高的散熱方式，在汽車工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但在換流閥設(shè)備中的應(yīng)用才剛剛起步。

圖1不同散熱方式所允許的器件熱流密度范圍

換流閥水冷卻系統(tǒng)一般分為內(nèi)冷卻系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)，內(nèi)冷卻系統(tǒng)是對換流閥本體進(jìn)行換熱，外冷卻系統(tǒng)是對內(nèi)冷卻水進(jìn)行換熱，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

換流閥水冷卻系統(tǒng)其工作原理為：恒定壓力和流量的冷卻介質(zhì)通過內(nèi)冷卻系統(tǒng)源源不斷流進(jìn)大功率電力電子裝置被冷卻器件，溫度上升并將被冷卻器件產(chǎn)生的熱量帶出，經(jīng)過主循環(huán)泵后與室外外冷卻系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，使冷卻介質(zhì)溫度降低至合理范圍后再次流入被冷卻器件，形成冷卻介質(zhì)的閉式循環(huán)。

1.2內(nèi)冷卻系統(tǒng)

內(nèi)冷卻系統(tǒng)主要由主循環(huán)冷卻回路、水處理回路、氮氣穩(wěn)壓回路、補水回路等構(gòu)成。

1.2.1主循環(huán)冷卻回路

主循環(huán)冷卻回路是內(nèi)冷卻系統(tǒng)的核心，它主要由主循環(huán)水泵、管道回路、儲氣罐等構(gòu)成。通過主循環(huán)水泵將冷卻水輸送到換流閥中，通過內(nèi)冷卻管道回路中的逆止閥、截止閥、三通閥、電動蝶閥、排氣閥和排水閥等來控制冷卻水的流向和流量，這樣冷卻水便在主泵和換流閥之間構(gòu)成了一個封閉的回路，保證換流閥持續(xù)散熱要求。儲氣罐作用是自動排除系統(tǒng)的殘留氣體。

1.2.2水處理回路

水處理回路一般由離子交換器和精密過濾器構(gòu)成，通過對冷卻水中離子的不斷脫除，達(dá)到長期維持冷卻水極低電導(dǎo)率的目的。

1.2.3氮氣穩(wěn)壓回路

氮氣穩(wěn)壓回路一般由氮氣瓶、脫氣罐、緩沖罐等構(gòu)成。其工作原理為：當(dāng)冷卻水因少量外滲、電解而損失時，穩(wěn)壓系統(tǒng)會將冷卻水壓入循環(huán)管路系統(tǒng)以保持管路的壓力穩(wěn)定和冷卻水的充滿；當(dāng)冷卻水因溫度變化而產(chǎn)生體積變化時，穩(wěn)壓系統(tǒng)會緩沖其對循環(huán)管路系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)的正常運行。

1.2.4補水回路

補水回路主要由補水罐和補水泵組成。其工作原理為：當(dāng)水箱液位降低至補水液位時，系統(tǒng)啟動補水泵自動補水；當(dāng)補水罐液位降低至低值時，發(fā)出報警信號，提示操作人員向補水罐加水，以保持其液位正常。

1.3外冷卻系統(tǒng)

外冷卻系統(tǒng)主要用來冷卻主循環(huán)冷卻水，使其下降到規(guī)定溫度重新進(jìn)入內(nèi)冷卻系統(tǒng)。外冷卻系統(tǒng)是一個開放式的水循環(huán)系統(tǒng)，使用經(jīng)過軟化處理的水通過冷卻塔持續(xù)對內(nèi)冷卻系統(tǒng)管道進(jìn)行冷卻，降低內(nèi)水冷溫度。外冷水系統(tǒng)一般包括冷卻塔、噴淋泵、水處理單元、平衡水池等。外冷卻系統(tǒng)通常有風(fēng)冷結(jié)構(gòu)和噴淋冷卻結(jié)構(gòu)2種。

1.3.1冷卻塔

冷卻塔的作用是通過噴淋水和風(fēng)扇對閥內(nèi)水冷散熱管進(jìn)行冷卻。多數(shù)直流輸電工程每極配有3臺蒸發(fā)式密閉循環(huán)型冷卻塔，2臺冷卻塔就能滿足直流系統(tǒng)額定負(fù)荷時的冷卻需求。在正常情況下，系統(tǒng)運行時3臺冷卻塔均可投入運行。

1.3.2噴淋泵

噴淋泵為外冷水提供循環(huán)動力，一般每極配置4臺噴淋泵，用于分別向3臺冷卻塔提供噴淋水，1臺作為備用，當(dāng)其中任意1臺噴淋泵故障時會通過旁通閥將故障隔離，并將備用噴淋泵接入該臺冷卻塔。

1.3.3水處理單元

外冷水使用的水對水質(zhì)的要求不如內(nèi)冷水高，但在實際運行中還是需要進(jìn)行相應(yīng)的水質(zhì)處理。因為自來水中的鐵、鎂等離子會逐漸沉淀散熱片表面，日積月累會導(dǎo)致散熱效果下降；自來水中的微生物也會腐燭外冷水管道，在使用前必須對其進(jìn)行過濾。因此在工程中外冷水處理單位基本分為軟化和滅菌兩大功能。

1.3.4平衡水池

平衡水池的水由主、備2臺工業(yè)泵進(jìn)行補給，由噴淋泵將平衡水池內(nèi)的水抽到冷卻塔對內(nèi)水冷管道中的散熱管進(jìn)行噴淋冷卻，然后回流到平衡水池中。平衡水池一部分的水經(jīng)過水處理單元進(jìn)行軟化和滅菌后流入平衡水池中。

2　南京UPFC中的水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1整體結(jié)構(gòu)

2.1.1主要技術(shù)參數(shù)

南京UPFC工程采用3組容量為60 MV·A的換流閥，其單組換流閥的損耗功率不超過600 kW。針對3組換流閥采用了常州博瑞制造的3套結(jié)構(gòu)相同的水冷卻系統(tǒng)，每套水冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)

從表1中知，單臺水冷卻系統(tǒng)的額定冷卻容量為660 kW，是單組換流閥損耗功率的1.1倍，具有一定的裕度。

2.1.2基本構(gòu)成

UPFC水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由主循環(huán)冷卻回路、去離子水處理回路、穩(wěn)壓系統(tǒng)（氮氣穩(wěn)壓系統(tǒng)或高位水箱穩(wěn)壓系統(tǒng)）、補水裝置、外循環(huán)冷卻系統(tǒng)（水風(fēng)換熱器形式）、冷卻介質(zhì)及管路、電氣控制系統(tǒng)等組成。

與常規(guī)水冷卻系統(tǒng)采用冷卻塔的形式不同，UPFC外冷卻系統(tǒng)直接采用干式空氣冷卻方式，該方式配置N+1臺直聯(lián)風(fēng)機，冷卻容量設(shè)置留有一定的余量，具有如下優(yōu)點：（1）適用于較低環(huán)境溫度或缺水地區(qū)，節(jié)能節(jié)水；（2）采用不銹鋼軋鋁翅片作為散熱主體，高效潔凈；（3）風(fēng)機系統(tǒng)成本低，可靠性高。

UPFC水冷卻屏柜系統(tǒng)主要用來對水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制和保護(hù)，包括主水泵控制、補水泵控制、風(fēng)機控制、電動三通閥控制、緩沖罐氣壓控制、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、相不平衡保護(hù)、相序保護(hù)、缺相保護(hù)和時間管理等。

2.1.3工作原理

UPFC水冷卻系統(tǒng)主要工作原理如下：主循環(huán)冷卻水在主循環(huán)泵動力作用下，通過外冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱后，流經(jīng)大功率電力電子裝置被冷卻器件，帶走被冷卻器件的熱量后流回主循環(huán)泵入口。

通過在主循環(huán)冷卻回路上設(shè)置的供水溫度變送器反饋的信號，控制裝置電動三通閥調(diào)節(jié)進(jìn)入外冷卻系統(tǒng)的冷卻水流量及外冷卻系統(tǒng)投入冷卻的數(shù)量，達(dá)到精確控制冷卻系統(tǒng)冷卻水溫度的目的。被冷卻器件通過內(nèi)冷卻系統(tǒng)帶走熱量，并在外冷卻系統(tǒng)散出熱量，實現(xiàn)連續(xù)冷卻的功能。

由于主循環(huán)冷卻水先流經(jīng)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，再進(jìn)入大功率電力電子裝置被冷卻器件進(jìn)行冷卻，其具有2個明顯的優(yōu)點：一是減小冷卻水經(jīng)主循環(huán)泵加壓后對大功率電力電子裝置的沖擊作用；二是保證整個系統(tǒng)運行時，大功率電力電子裝置進(jìn)口處的水溫最低，冷卻效果較好。

2.1.4冷卻介質(zhì)

由于被冷卻器件在高電壓條件下工作［8，9］，為避免冷卻介質(zhì)中存在雜質(zhì)離子，導(dǎo)致各元件之間形成漏電流，UPFC水冷卻系統(tǒng)中采用高純水，循環(huán)管路均采用304不銹鋼管，接觸部分金屬材質(zhì)均為304不銹鋼及以上，非金屬材質(zhì)為聚四氟乙烯、硅橡膠等性能穩(wěn)定的材料。

2.2水路結(jié)構(gòu)

如果將水泵類比為電源，將水流類比為電流，將每種設(shè)備的存在阻力可以類比為電阻，則水冷系統(tǒng)的水路可以表示為電路的形式。

圖4以電路結(jié)構(gòu)形式建立了UPFC中水冷卻系統(tǒng)的水路結(jié)構(gòu)。與普通電路不同的是，該電路結(jié)構(gòu)具有明確的方向性，如圖中箭頭方向所示。從圖4中可以清晰地看出，UPFC工程中的主循環(huán)冷卻回路從主水泵出發(fā)經(jīng)過外冷卻風(fēng)冷機組、主過濾器到達(dá)換流閥單元，之后經(jīng)由脫氣罐和加熱器構(gòu)成的脫氣加熱系統(tǒng)回到主水泵。主循環(huán)回路采用了2臺主水泵的冗余設(shè)計，1臺運行，另1臺作為備用，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖3水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4水冷卻系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

由氮氣瓶和緩沖罐構(gòu)成的氮氣穩(wěn)壓回路并聯(lián)于主循環(huán)冷卻回路中。而以離子交換器和精密過濾器構(gòu)成的水處理回路，和由儲水罐和補水泵構(gòu)成的補水回路則串聯(lián)于氮氣穩(wěn)壓回路中。

UPFC工程中的每套外冷卻系統(tǒng)配置6臺風(fēng)機組，采用并聯(lián)連接方式。該水冷卻系統(tǒng)用來冷卻UPFC工程中的1個閥廳單元，每個閥廳由4組閥塔構(gòu)成，4組閥塔之間采用并聯(lián)水路連接。每組閥塔內(nèi)部由84個換流閥子模塊構(gòu)成，各個子模塊之間也采用并聯(lián)水路連接。

從上面的分析可知，無論是外冷風(fēng)機還是換流閥模塊，UPFC水冷卻系統(tǒng)的水路全都采用了并聯(lián)水道方式連接。

3　串聯(lián)和并聯(lián)水道

根據(jù)水力學(xué)知識可知：

式中：Q為流量；u為流量系數(shù)；A為面積；ΔP為壓力差；ρ為流體密度。因此，流體流動的動力為管路兩端的壓差，壓差越大，流速越高，即流量越大。

然而管道中的流速是有一定限制的，因為管道內(nèi)部粗糙，而所有的流體都有一定的黏度，所以流體在管道中流動有一定的阻力，流速越快，阻力越大。

根據(jù)Darcy公式，沿程水頭損失為：

式中：hf為沿程水頭損失；λ為水頭損失系數(shù)；l為管道長度；D為管道內(nèi)徑；v為管道流速；g為重力加速度。

3.1串聯(lián)水道特點

當(dāng)水道串聯(lián)時，由流體力學(xué)理論可知，管道的阻力損失與流量成平方關(guān)系。由于采用串聯(lián)管道，勢必會增加管路的長度，造成管道阻力的增大，因此串聯(lián)系統(tǒng)中的水泵壓力需要增大。

串聯(lián)水道的優(yōu)點是管路相對簡單，管道內(nèi)流量不變，不存在分配問題，最主要的缺點是串聯(lián)水道的可靠性低，前端水道的損壞會導(dǎo)致其全部后端水道失去功能，其次由于串聯(lián)水道流過各個換流閥存在先后順序，會造成其溫度分布不均勻，末端的散熱效果會變得極差。因此，串聯(lián)水道已經(jīng)很少單獨應(yīng)用于換流閥系統(tǒng)中。

3.2并聯(lián)水道特點

水道采用并聯(lián)連接時，并聯(lián)水道中的水流量增加，而水道兩端的壓差不變。

采用并聯(lián)水道能保證每個水冷元件都得到冷卻，具有管路布置相對簡單，冷卻效果也較好，可靠性高的優(yōu)點。但是存在并聯(lián)管路中流量分布不均勻的缺點，而且系統(tǒng)規(guī)模越大其流量分布就越不均勻，其次是接口多而雜且管道成本高于串聯(lián)。

并聯(lián)水道的結(jié)構(gòu)通常有以下2種布置方式，如圖5所示。

圖5并聯(lián)水道布置方式

無論哪種布置方式都存在水道內(nèi)每個并聯(lián)支路流量分布不均勻的問題。圖6給出了一種典型的Z型水道壓力分布，從圖中可以看出，其壓差分布呈現(xiàn)進(jìn)口和出口壓力大、中間壓力小的分布趨勢。這將造成水流量主要從靠近進(jìn)口和出口的并聯(lián)支路中流過，從而影響中間換流閥的散熱效果。

為解決并聯(lián)水道中水流量分布不均勻的問題，圖7給出了理想情況下水道壓力分布，如果設(shè)計階段能根據(jù)該壓力分布設(shè)計水道，則可以減小分布不均勻的問題。

圖6并聯(lián)水道不均勻分布壓力

圖7并聯(lián)水道均勻分布壓力

4　結(jié)束語

分析了換流閥水冷卻系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)和功能，建立了UPFC水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電路形式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)極大方便了電氣工程師對于水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理解，指出了并聯(lián)水道存在流量分布不均勻的優(yōu)化問題，并給出了優(yōu)化思路，對水冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的意義，為提高UPFC中換流閥的可靠性提供了參考。

［1］劉黎明，康 勇，陳 堅，等.統(tǒng)一潮流控制器控制策略的研究與實現(xiàn)［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26（10）：114-119.

［2］劉永江.UPFC控制策略研究及對電力系統(tǒng)的影響［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.

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［4］張振華，江道灼.基于MMC拓?fù)涞腢PFC控制策略仿真研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（3）：73-77.

［5］劉黎明，康 勇，陳 堅，等.UPFC的交叉耦合控制及潮流調(diào)節(jié)能力分析［J］.中國電機工程學(xué)報，2007，27（10）：42-48.

［6］章勇高，康 勇，劉黎明，等.統(tǒng)一潮流控制器并聯(lián)變換器的改進(jìn)型雙環(huán)控制系統(tǒng)［J］.中國電機工程學(xué)報，2007，27（4）：40-46.

［7］唐愛紅，程時杰.基于PSCAD/EMTDC的統(tǒng)一潮流控制器動態(tài)仿真模型［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（16）：6-10.

［8］魏 旭，謝天喜，陶風(fēng)波，等.±500 kV直流輸電線路暫態(tài)故障監(jiān)測裝置的設(shè)計與應(yīng)用［J］.江蘇電機工程，2014，33（6）：23-25.

［9］尹元明，謝天喜，周志成.線路安裝串聯(lián)電抗器后斷路器TRV分析［J］.江蘇電機工程，2014，33（6）：45-47.

Structural Analysis of Water Cooling System of UPFC

XU Yang，XIE Tianxi，JIAYongyong，TAO Fengbo，ZHOU Zhicheng
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

Converter valve is the core of Unified Power Flow Controller（UPFC）.Water cooling system，as the"guardian"of converter valve，is very important for its safety and reliability.In this paper，the structure of water cooling system is studied. First，a detailed analysis of the structure is carried out from two aspects:the internal cooling system and the outside cooling system.Then，the circuit of UPFC water cooling system is built by analogy method，which makes the structure and each module clear.In the end，the comparison between series water load and parallel water load is presented，and the problem of uneven distribution of parallel channels is discussed.

UPFC；water cooling system；series water load；parallel water load

TM571.6

B

1009-0665（2016）01-0049-04

2015-10-21；

2015-11-27

徐陽（1987），男，江蘇揚州人，工程師，從事高壓直流輸電和柔性交流輸電研究工作；

謝天喜（1983），男，湖北天門人，高級工程師，從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電力系統(tǒng)過電壓研究工作；

賈勇勇（1986），男，江西九江人，工程師，從事開關(guān)類變電設(shè)備狀態(tài)評價工作；

陶風(fēng)波（1982），男，江蘇常州人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)過電壓及脈沖功率研究工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)過電壓及輸電線路運行維護(hù)方面研究工作。