風(fēng)力發(fā)電機組變流器散熱

摘 要：變流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件之一，其運行對整個風(fēng)力發(fā)電機組的運行有著顯著的影響。變流器的結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計是風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將基于風(fēng)電變流器的基本原理和特點對幾種散熱方案進行簡單的闡述，希望可以為實際風(fēng)電項目的運行提供一定的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;變流器;散熱

DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.323

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目“風(fēng)力發(fā)電機組變流器散熱改造技術(shù)”（項目編號：NJZY20350）。

在生態(tài)環(huán)境污染日益嚴重的背景下，新能源發(fā)電受到了越來越多的重視，風(fēng)力發(fā)電是其中的主要類型之一。作為一種新型能源，風(fēng)能具有可再生、無污染等優(yōu)點，風(fēng)電也成為我國繼火電和水電之后的第三大能源。風(fēng)力發(fā)電機組中所使用的大型變流器在運行的過程中會產(chǎn)生大量的熱損耗，若是不能針對性的采取散熱措施，會導(dǎo)致變流器所處的局部空間溫度大幅度提高，進而影響到變流器的正常運行。因此對風(fēng)電機組變流器散熱進行研究具有積極意義。

1 風(fēng)電變流器簡述

風(fēng)電變流器多見于雙饋風(fēng)力發(fā)電機中，其主要功能是在發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，通過控制勵磁幅值、相位以及頻率的方式使定子側(cè)能夠向電網(wǎng)輸入恒頻電，它可以根據(jù)需要進行有功和無功的獨立解耦控制。通過變流器的應(yīng)用可以是雙饋風(fēng)力發(fā)電機組能夠?qū)崿F(xiàn)軟并網(wǎng)，確保并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流不會對電機以及電網(wǎng)產(chǎn)生負面影響。以現(xiàn)今的技術(shù)發(fā)展水平，變流器通常具備多種通信接口，用戶可以通過這些接口將變流器和系統(tǒng)控制器以及風(fēng)電場的遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行連接，建構(gòu)集成控制體系。除此之外，變流器配電系統(tǒng)還提供雷擊、過流、過壓、過溫保護以及運行狀態(tài)實時監(jiān)控等功能。

變流器屬于整流逆變裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少等優(yōu)勢，在風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子側(cè)，變流器可以實現(xiàn)定子磁場的定向矢量控制，電網(wǎng)側(cè)的變流器則可以實現(xiàn)電網(wǎng)電壓定向矢量控制。

和普通的逆變器或是變流器相比，風(fēng)電變流器具有四項特點，一是功率密度大，直流側(cè)電壓高。二是使用環(huán)境惡劣，我國風(fēng)電場多分布于東北、華北、西北以及沿海地區(qū)，其中東北華北氣溫低且溫差大，西北多風(fēng)沙，沿?？諝鉂穸却蟆Ｈ沁B續(xù)工作時間長。在多風(fēng)的季節(jié)，風(fēng)電變流器一般都需要連續(xù)幾個月運行，且始終處于滿負荷運行狀態(tài)。四是在運行過程中可能會遭遇陣風(fēng)、臺風(fēng)等惡劣天氣。惡劣的運行環(huán)境使得風(fēng)電變流器的設(shè)計要求很高，稍有不慎就可能出現(xiàn)問題，影響到風(fēng)電機組的正常運行。

近幾年來，環(huán)保意識的提升以及對于可再生能源的需求使得風(fēng)電技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注。隨著功率密度的不斷增加，散熱技術(shù)成為一個急需改革的領(lǐng)域，以現(xiàn)有的技術(shù)來看，變流器散熱需求遠不能得到滿足。

2 幾種風(fēng)電機組變流器散熱方案介紹

2.1 一種風(fēng)能變流器散熱裝置和系統(tǒng)

在風(fēng)電項目中，變流器的熱設(shè)計屬于關(guān)鍵技術(shù)之一，當前階段大部分項目的熱設(shè)計都是從充分散熱、降低熱阻或是降低功率器件升溫的角度切入，很少有考慮到風(fēng)電變流器中功率器件的使用壽命，這取決于溫度周次，即溫度超出預(yù)設(shè)正常波動范圍的頻次。簡單來講，風(fēng)電變流器運行的過程中，其功率器件溫度超出預(yù)設(shè)正常波動范圍的頻次越高，其壽命周期也就相對越短。單方面考慮散熱會對變流器功率器件的壽命造成嚴重的影響。本段所介紹的風(fēng)電變流器散熱方法、裝置以及系統(tǒng)實現(xiàn)對風(fēng)電變流器中功率器件運行中溫度周次的充分考慮，確保了功率器件的壽命。

其散熱方法如下：對變流器所在風(fēng)電機組的發(fā)電功率進行預(yù)測;確定風(fēng)電變流器功率器件在該發(fā)電功率下的預(yù)期運行溫度，預(yù)期溫度的取值為風(fēng)電變流器中功率器件在發(fā)電功率下預(yù)期運行溫度的平均值;獲得風(fēng)電變流器功率器件的實際運行溫度;判斷其實際運行溫度是否超出允許的波動范圍，若超出，則對風(fēng)電變流器中散熱系統(tǒng)的效率進行調(diào)節(jié)，直至其實際運行溫度穩(wěn)定在溫度允許波動范圍之內(nèi)。若采用水冷散熱系統(tǒng)，則系統(tǒng)散熱效率調(diào)節(jié)的方法有四種，一是控制散熱系統(tǒng)中外部散熱器風(fēng)扇的啟停，二是調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)中水循環(huán)泵的工作頻率，三是調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)中外循環(huán)向內(nèi)循環(huán)切換的水路三通比例閥的開度，四是控制散熱系統(tǒng)中水加熱器的啟停。若采用的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，則系統(tǒng)散熱頻率的調(diào)節(jié)則是通過控制系統(tǒng)風(fēng)扇的工作頻率來實現(xiàn)的。

風(fēng)電變流器的散熱裝置則有四部分構(gòu)成，一是風(fēng)功率預(yù)測模塊，主要用于預(yù)測風(fēng)電變流器所處風(fēng)電機組的發(fā)電功率。二是運行溫度預(yù)測模塊，用于確定風(fēng)電變流器功率器件的預(yù)期運行溫度。三是運行溫度獲取模塊，對風(fēng)電變流器功率器件的市集運行溫度進行測定。四是控制模塊，用于判斷功率器件的實際運行溫度是否超出允許波動范圍，若是則控制散熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)散熱頻率，若否則繼續(xù)運行。

2.2 一種風(fēng)電變流器機組散熱裝置

近些年來，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)一直保持著迅猛發(fā)展的趨勢，一些大型風(fēng)電機組的單機功率已經(jīng)突破6兆瓦，變流器的運行負荷大幅度提升。而目前被普遍采用的變流器散熱系統(tǒng)多存在散熱效率低的問題，很難有效的滿足大功率工作的需求。基于此，提出了一種全新的風(fēng)電變流器散熱裝置，通過將水冷和風(fēng)冷相結(jié)合的方式對變流器進行冷卻，使其運行中產(chǎn)生的熱量能夠及時散發(fā)出去，通過設(shè)置多臺冷卻風(fēng)扇提高散熱效率。

根據(jù)技術(shù)方案，該風(fēng)電變流器散熱裝置主要由冷卻器、導(dǎo)風(fēng)組件兩部分構(gòu)成，風(fēng)機的組件包括固定于冷卻器的板翅式冷卻芯體表面的導(dǎo)風(fēng)罩，該導(dǎo)風(fēng)罩上沿著其長度的方向設(shè)置有多個導(dǎo)風(fēng)孔，每個風(fēng)孔內(nèi)都安裝有一個風(fēng)機組件。在導(dǎo)風(fēng)罩的一側(cè)安裝有一個固定接線盒，用于所有風(fēng)機組件的電纜連接，同時風(fēng)機組件的電纜表面需要套裝波紋管予以保護。

2.3 一種海上風(fēng)電變流器的水冷散熱系統(tǒng)

對于海上設(shè)置的風(fēng)場，所處地方的水資源十分豐富，因此多采用水冷的方式對變流器進行散熱。就目前來看，我國海上風(fēng)能的樁基容量在總風(fēng)能裝機容量中所占的比例較小。而市場上的風(fēng)電變流器雖然具有過溫保護功能，但針對變流器運行中的高溫并不具備針對性的解決方案，因此人們研究并提出了一種海上的風(fēng)電變流器散熱系統(tǒng)，主要用于解決風(fēng)電變流器運行中過高溫損害使用壽命的問題。

根據(jù)技術(shù)方案，該散熱系統(tǒng)主要由散熱箱、分流管、雙開門等部件構(gòu)成。散熱箱內(nèi)部為中空狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置有散熱片，箱體右側(cè)設(shè)置有固定的抽水箱，抽水箱內(nèi)部設(shè)置有水泵，輸泵與高壓水管以及輸水管相連接。而分流管則與此輸水管的下端相連接，分流管下端則與排水管相連接。結(jié)合實際運行效果來看，該散熱系統(tǒng)所取得的效益有三方面，一是高壓水管和輸水管的連接可以借助低溫度海水提高散熱系統(tǒng)的效能，對海上風(fēng)電變流器進行有效降溫。二是采用和變流器系統(tǒng)形狀相吻合的蓄水槽，能夠使低溫海水和變流器系統(tǒng)充分接觸，有效解決了散熱不均勻的問題。三是四個蓄水槽不斷循環(huán)，可以持續(xù)不斷的對變流器進行降溫。

3 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電是未來我國電力領(lǐng)域發(fā)展的主要內(nèi)容，我國風(fēng)電裝機容量將呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，為了更好的適應(yīng)大功率運行，針對風(fēng)電變流器運行高溫，應(yīng)針對性的采取散熱方案措施，提高風(fēng)電運行的穩(wěn)定性。

參考文獻

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作者簡介

王炳艷（1975-），女，河北景縣人，本科，教授，現(xiàn)任教于包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向電氣工程。