金風(fēng)1.5 MW機組SWITCH變流模塊超溫原因分析及優(yōu)化方案

裴兆芹，荊海城，梁永勝，崔明倫

(國家電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽 110181)

變流器主電路采用AC-DC-AC變流方式，具有整流、濾波、逆變、調(diào)制等功能，是用于改變1個或多個電氣特性的電力變換工作單元[1]。

金風(fēng)1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組SWITCH變流系統(tǒng)主要由網(wǎng)側(cè)逆變功率模塊1U1、發(fā)電機側(cè)整流功率模塊2U1和3U1、制動功率模塊4U1以及相關(guān)電氣元件組成。發(fā)電機發(fā)出的不穩(wěn)定交流電經(jīng)2U1和3U1模塊整流后轉(zhuǎn)換為直流有功傳送到直流母線上，1U1將直流電逆變成與電網(wǎng)電壓、頻率、相位相匹配的交流電送入電網(wǎng)，4U1則是當(dāng)直流母線上的能量無法正常向電網(wǎng)傳遞時將多余的能量通過電阻發(fā)熱消耗掉，以避免直流母線電壓過高造成電器元件的損壞。

早期金風(fēng)1.5MW機組配置的賀德克水冷系統(tǒng)，普遍存在機械三通閥卡澀、冷卻循環(huán)效能下降等問題，隨著運行年限延長，變流系統(tǒng)超溫趨勢愈加明顯。變流器超溫故障，輕則機組限功率運行，重則導(dǎo)致變流模塊炸毀、機組被迫停運。

2018年，遼寧某風(fēng)場33臺金風(fēng)1.5 MW機組因變流器超溫故障限功率運行58臺次，損壞備件126個，其中價格昂貴的變流模塊損壞12件。

1 水冷循環(huán)系統(tǒng)工作原理

賀德克水冷系統(tǒng)是SWITCH變流器模塊的強制散熱裝置，由水冷循環(huán)泵、三通閥、濾網(wǎng)、儲能罐、加熱器、散熱器、傳感器及管路附件等組成(見圖1)。

圖1 賀德克水冷循環(huán)系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)由循環(huán)泵驅(qū)動，強制冷卻液在系統(tǒng)中循環(huán)流動，利用機械三通閥進行內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)的切換。當(dāng)變流器功率較小，水溫較低時，三通閥關(guān)閉，冷卻液在變流器內(nèi)部進行熱交換后，回流到循環(huán)泵入口，完成一次內(nèi)循環(huán)；當(dāng)變流器功率較大，水溫較高時，三通閥開啟，冷卻液流經(jīng)外部散熱器完成一次外循環(huán)；當(dāng)變流系統(tǒng)的溫度低于正常工作溫度時，電加熱器根據(jù)控制要求對冷卻液進行加熱，對變流系統(tǒng)進行強制溫度補償[2]，保證變流柜內(nèi)溫度在18 ℃以上。

2 變流模塊超溫原因分析

SWITCH變流器的散熱系統(tǒng)包含水冷強制循環(huán)散熱系統(tǒng)和變流器本體散熱裝置2部分，無論哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能造成系統(tǒng)散熱能力衰減，從而導(dǎo)致變流器發(fā)生過溫故障。

2.1 水冷系統(tǒng)散熱能效下降

a.機械式三通閥失效的影響

賀德克水冷系統(tǒng)使用的自力式機械三通閥，利用感溫包熱脹冷縮的原理，控制閥芯在閥體內(nèi)移動，進行循環(huán)方式的切換和內(nèi)、外循環(huán)流量的調(diào)整，感溫包的熱敏性和閥門的機械卡澀是影響三通閥失效的主要因素。

感溫包作為熱力膨脹閥的感溫元件，對其自控功能起著至關(guān)重要的作用[3]。感溫包的物理特性隨著使用時間延長，穩(wěn)定性和熱敏性降低，并且對溫度的變化反應(yīng)有延遲，直接影響閥門開度的特性曲線，對冷卻液流量調(diào)整的誤差也越來越大，從而影響溫度控制的精度和傳熱效果，導(dǎo)致變流模塊超溫故障。

三通閥在長期運行過程中，冷卻介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在閥門密封面形成氧化、銹蝕及結(jié)垢等現(xiàn)象(見圖2)。特別是冬季長期低溫，冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)工作，三通閥持續(xù)全關(guān)狀態(tài)，閥芯與閥座密封面銹蝕黏連，銹蝕嚴重時，閥門自力無法開啟，失去了循環(huán)方式切換和溫度調(diào)整的作用。

圖2 三通閥銹蝕

另外，由于感溫包形變導(dǎo)致彈簧受力不均，閥桿的偏心造成三通閥機械部件卡澀，改變了閥門開度特性曲線，降低了散熱效果。

b.變流器基體擾流絲失效的影響

變流器傳熱基體中加入擾流絲的目的是為了增加流體在換熱管內(nèi)滯留的時間，提高傳導(dǎo)換熱效果。由于擾流絲的擾動，管壁處的速度邊界層被打破，增強了湍流強化傳熱的效果。同時，各流體層流速不同，也有助于不同溫度的冷卻液之間發(fā)生對流換熱，增強傳熱效果。相同流速情況下，加入擾流絲后，傳熱系數(shù)提升30%[4]。

冷卻液是由乙二醇、純凈水和添加劑按照一定比例配置而成。乙二醇氧化后草酸能與許多金屬形成溶于水的絡(luò)合物，乙二醇本身是相對活躍的物質(zhì)，很容易聚合成高分子聚合物，進一步氧化成聚合物有機酸，形成十分黏重的物質(zhì)，在擾流絲表面沉積結(jié)垢導(dǎo)致失效(見圖3)，換熱效果逐漸下降，甚至造成管路堵塞。

圖3 擾流絲結(jié)垢

c.濾網(wǎng)堵塞及管壁結(jié)垢的影響

冷卻液中的乙二醇容易被氧化，在使用中易生成酸性物質(zhì)，對金屬有腐蝕作用[5]。隨著氧化反應(yīng)的加劇導(dǎo)致金屬表面腐蝕剝落，聚集而堵塞變流模塊的濾網(wǎng)(見圖4)，冷卻介質(zhì)流量減少，循環(huán)倍率隨之下降，換熱效果逐漸惡化。

圖4 濾網(wǎng)堵塞

冷卻液中的乙二醇氧化后形成的草酸與堿土金屬元素結(jié)合時，生成幾乎不溶于水的草酸鈣，在變流模塊基體管道和外散熱器管道內(nèi)壁沉積結(jié)垢，使傳熱效果進一步惡化，阻礙了變流模塊的溫度向冷卻液中傳遞。同時冷卻介質(zhì)在經(jīng)過外循環(huán)散熱器時，也不利于冷卻液溫度向散熱器傳導(dǎo)，降低了水冷循環(huán)系統(tǒng)的散熱效率。

d.外循環(huán)系統(tǒng)散熱器翅片堵塞

風(fēng)機水冷系統(tǒng)散熱器置于塔筒外部，換熱方式為傳導(dǎo)換熱和利用風(fēng)扇進行的強制對流換熱。為了增大換熱面積，提高換熱效率，采用的翅片管式散熱器。因散熱器安裝在野外，翅片間距較小，外界的風(fēng)沙、灰塵、柳絮等雜物很容易堵塞在換熱器的翅片之間(見圖5)，導(dǎo)致?lián)Q熱效果的急劇惡化，特別是夏季高溫時尤為明顯。

圖5 散熱器翅片堵塞

2.2 變流器本體散熱能力衰減

a.變流模塊導(dǎo)熱硅脂失效

導(dǎo)熱硅脂是用來填充變流模塊與散熱基體之間空隙的一種材料，能增加二者之間的熱耦合性，降低熱阻[6]。導(dǎo)熱硅脂能將變流模塊在運行過程中產(chǎn)生的熱量順暢迅速地傳導(dǎo)到冷卻液中，經(jīng)過水冷循環(huán)系統(tǒng)及時、高效地散掉(見圖6)。

圖6 冷卻散熱基板內(nèi)介質(zhì)流動

導(dǎo)熱硅脂長期在高頻、高溫環(huán)境下工作，導(dǎo)熱性能會慢慢衰退導(dǎo)致失效，使用壽命降低。

b.變流器本體散熱裝置故障

變流柜內(nèi)在變流模塊支撐電容和ASIC板上安裝了冷卻風(fēng)扇，柜體上下通風(fēng)口也安裝了冷卻風(fēng)扇和過濾網(wǎng)，通過強制對流的方式將模塊產(chǎn)生的熱量驅(qū)散到塔筒內(nèi)。軸流風(fēng)扇的啟動電容受環(huán)境溫度的影響較大，損壞后導(dǎo)致風(fēng)扇不能正常工作。同時，變流柜柜體上的濾網(wǎng)也容易積灰，不利于柜內(nèi)熱量傳遞到塔筒內(nèi)。

3 變流器超溫優(yōu)化方案

3.1 電動三通閥替代機械三通閥

根據(jù)2012年金風(fēng)運行項目分析報告，賀德克機械三通閥引起故障次數(shù)占水冷系統(tǒng)總故障次數(shù)比例約25.0%。與感溫包自力式機械三通閥相比，電動三通閥具有工作穩(wěn)定可靠、動作靈敏、故障率低、維護方便等特點。因此，將原系統(tǒng)中三通閥拆除，更換新的集成閥塊，改變連接方式(見圖7、圖8)并優(yōu)化控制方式。

圖7 機械三通閥連接方式

圖8 電動三通閥連接方式

通過傳感器采集進水口溫度，溫度值采樣周期設(shè)置為3 s，跟蹤溫度變化速率，利用智能溫控閥控制電動執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)閥門流量特性曲線的對應(yīng)關(guān)系改變開度，實現(xiàn)循環(huán)方式的切換和流量調(diào)整的功能。溫控閥控制設(shè)置一鍵測試按鈕，用來測試電動三通閥動作是否存在卡澀，保證靈活完好。為防止變流器加熱時三通閥動作，設(shè)置了聯(lián)動策略，并設(shè)置了開、關(guān)極限反饋，防止電動三通閥損壞等。

3.2 擾流絲優(yōu)化設(shè)計

原設(shè)計擾流絲的長度為200 mm，鋼絲按照一定的旋轉(zhuǎn)間隔角度均勻的固定在2根螺旋扭結(jié)在一起的鋼條上。優(yōu)化后的擾流絲長度為220 mm，并縮小了鋼絲的旋轉(zhuǎn)角度間隔，并按照鋼絲直徑與通道為0.13的比值進行優(yōu)化設(shè)計[7]，加粗了鋼絲的直徑，同時在加工工藝和材質(zhì)上做了相應(yīng)改進，選擇傳熱效果更好的彈簧絲。既保證充分擾動管壁處的速度邊界層，又能提高主流速區(qū)的傳熱效果。

3.3 優(yōu)化前后對比分析

2018年7月，遼寧某風(fēng)場33臺1.5 MW金風(fēng)機組中17臺發(fā)生了超溫故障。2019年4月對變流器水冷系統(tǒng)進行了優(yōu)化治理，對比數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。

表1 優(yōu)化治理前數(shù)據(jù) ℃

表3中，Δt1為處理前水溫相對于環(huán)境溫升；Δt2為處理后水溫相對于環(huán)境溫升；Δt3為處理前模塊相對于水溫溫升；Δt4為處理后模塊相對于水溫溫升。

表3 核心數(shù)據(jù)對比 ℃

通過對17臺風(fēng)機進行變流器水冷系統(tǒng)綜合治理后，變流器故障臨界溫度平均下降5～10 ℃。如果考慮環(huán)境溫度降低后，熱交換效率提高，實際下降溫度可達到8～18 ℃，賀德克水冷散熱系統(tǒng)因效能下降導(dǎo)致變流模塊超溫的現(xiàn)象，得到有效改善，夏季大風(fēng)天氣環(huán)境溫度不高于35 ℃時，能夠保證風(fēng)機滿負荷運行。

3.4 后續(xù)優(yōu)化方案

通過實施以上優(yōu)化方案后，如果仍不能解決超溫問題，可采取以下優(yōu)化策略。

a.更換主循環(huán)泵。選擇功率更高的主循環(huán)泵，提高流體流速，從而提高冷卻系統(tǒng)的循環(huán)倍率。

b.更換外散熱器及其配套的風(fēng)扇和電動機。選擇容積和接觸面積更大的外散熱器，并適當(dāng)增大風(fēng)扇電動機的功率，提高強制對流散熱效果。

c.變流模塊控制策略優(yōu)化。IGBT模塊總功率損耗包括IGBT和與其反并聯(lián)快恢復(fù)二極管的功率2部分。IGBT在導(dǎo)通過程中存在初始飽和壓降和導(dǎo)通電阻而產(chǎn)生靜態(tài)損耗，當(dāng)器件在較低開關(guān)頻率條件下工作時，其通態(tài)損耗為總損耗的主要部分[8]。以此為出發(fā)點，動態(tài)優(yōu)化IGBT開關(guān)頻率，使同等功率下模塊溫度更低。

4 結(jié)論

本文針對金風(fēng)1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組賀德克水冷系統(tǒng)，研究分析了SWITCH變流模塊超溫原因，從傳熱學(xué)的角度列舉了影響換熱的相關(guān)因子。提出了改進三通閥和擾流絲的優(yōu)化方案，并指出了后續(xù)優(yōu)化思路。通過優(yōu)化治理前后對比得出如下結(jié)論。

a.采取優(yōu)化改造三通閥、更換變流模塊基體擾流絲等方法，可降低變流模塊溫度5～10 ℃，變流模塊超溫的現(xiàn)象得到有效改善。為變流柜內(nèi)電氣元件提供了良好的工作環(huán)境，大幅降低了變流系統(tǒng)的故障率，延長了設(shè)備的使用壽命，避免了風(fēng)機限功率運行帶來的經(jīng)濟損失，進一步提高了機組的可用率，保證了機組健康、安全、穩(wěn)定運行。

b.后續(xù)優(yōu)化控制策略改善變流模塊超溫的思路，對于提高冷卻循環(huán)效果可供參考。