風(fēng)冷型及水冷型靜止變頻器設(shè)備對比研究

漫自強 劉 歡 劉 騰

風(fēng)冷型及水冷型靜止變頻器設(shè)備對比研究

漫自強 劉 歡 劉 騰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

為了增進抽水蓄能電站用戶對風(fēng)冷型及水冷型靜止變頻器（SFC）的深入了解，本文提供兩種冷卻方式的SFC設(shè)計方案，通過構(gòu)建脈沖換相階段及負(fù)載換相階段功率輸出模型，分析影響功率因數(shù)的相關(guān)參數(shù)，對比同容量下的SFC功率輸出能力。另外，從效能水平、可靠性及運行維護等方面進行對比，為SFC冷卻方式的選擇提供綜合參考。

靜止變頻器（SFC）；冷卻方式；功率因數(shù)；效能指標(biāo)

0 引言

抽水蓄能電站具備消納新能源、削峰填谷、增強電網(wǎng)穩(wěn)定性和應(yīng)急供電等多重作用。為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃中提出力爭到2025年，抽水蓄能裝機容量達到6 200萬kW以上、在建裝機容量達到6 000萬kW左右，抽水蓄能迎來高速發(fā)展[1-5]。

靜止變頻器（static frequency converter, SFC）是抽水蓄能電站的關(guān)鍵輔機設(shè)備，主要用于水泵工況起動機組，其運行可靠性直接決定機組的安全穩(wěn)定運行水平。

SFC由控制部分、換流橋功率部分及配套一次設(shè)備組成，換流橋采用晶閘管器件，其冷卻方式即為SFC冷卻方式。目前，國內(nèi)在運設(shè)備包括風(fēng)冷型和水冷型兩種[6]。本文從系統(tǒng)設(shè)計、功率輸出能力、能效水平、可靠性及運行維護等方面對兩種冷卻方式SFC進行對比研究，為抽蓄電站SFC的選擇提供參考。

1 SFC冷卻原理

SFC基本原理可見文獻[7-9]，SFC主要功能為將工頻電源轉(zhuǎn)換為變頻電源，拖動抽蓄機組從靜止到額定轉(zhuǎn)速。SFC系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)主要由風(fēng)機、風(fēng)冷型散熱器及風(fēng)壓繼電器等監(jiān)測元件組成。風(fēng)冷型散熱器通常采用帶翅片的型材散熱器或熱管散熱器。當(dāng)晶閘管工作時，散熱器將晶閘管熱量傳導(dǎo)至翅片，翅片布置于風(fēng)道中，通過風(fēng)機完成與空氣的熱量交換。

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)由內(nèi)、外水冷系統(tǒng)組成。內(nèi)水冷系統(tǒng)包括水冷型散熱器、水泵、穩(wěn)壓設(shè)備、去離子支路，以及溫度、壓力、電導(dǎo)率等表計。外水冷系統(tǒng)通常配置三通閥和壓力表計等，水冷型散熱器通常采用帶水道的型材散熱器。流過散熱器的冷卻水對晶閘管進行冷卻，然后通過板式換熱器與外水冷系統(tǒng)進行熱量交換，最終由外水冷系統(tǒng)將晶閘管發(fā)熱量帶走[10]。SFC換流橋晶閘管散熱器如圖2所示。

圖1 SFC系統(tǒng)組成示意圖

圖2 SFC換流橋晶閘管散熱器

2 風(fēng)冷及水冷系統(tǒng)對比研究

2.1 系統(tǒng)設(shè)計對比

目前在建抽蓄機組單機容量主要為250～400MW，對應(yīng)SFC容量在15～30MW，在該容量范圍內(nèi)，風(fēng)冷型SFC和水冷型SFC設(shè)計方案不同。對于風(fēng)冷型SFC，考慮到柜體尺寸限制，為滿足功率輸出，系統(tǒng)絕緣水平通常在10kV以內(nèi)，SFC工作電流根據(jù)輸出功率設(shè)計。對于水冷型SFC，由于水冷散熱器熱阻系數(shù)較低，工作電流較風(fēng)冷型SFC大，系統(tǒng)絕緣水平通常在6kV以內(nèi)。

現(xiàn)采用抽蓄電站最常見的12-6脈動拓?fù)?，基于相同的電壓安全系?shù)及轉(zhuǎn)矩脈動原則，設(shè)計風(fēng)冷型及水冷型SFC系統(tǒng)，設(shè)計方案技術(shù)參數(shù)詳見表1。

從表1中設(shè)計方案可以看出，風(fēng)冷型SFC采用高直流電壓、小直流電流方案，直流電壓高增加了橋臂晶閘管串聯(lián)數(shù)量，直流電流小降低了晶閘管發(fā)熱量，與之配套的電纜、銅排截面積選型較小。水冷型SFC采用低直流電壓、大直流電流方案，直流電壓低可以減少單臂晶閘管串聯(lián)數(shù)量，直流電流大增加了晶閘管發(fā)熱量，與之配套的電纜、銅排截面積選型較大。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.2 功率輸出能力對比

SFC功率輸出能力主要體現(xiàn)在一定輸出功率下的功率因數(shù)水平，以及影響功率因數(shù)的相關(guān)變量。下面從SFC起機過程中的兩個不同階段對功率因數(shù)進行分析。

1）脈沖換相階段特性對比

文獻[11]給出了脈沖換相階段輸出功率為

式中：1為SFC輸出功率（W）；為SFC輸出逆變側(cè)電壓（V）；d為SFC系統(tǒng)直流電流（A）；為換相重疊角（rad）。

式中，為角速度（rad/s）。

脈沖換相階段由于輸出變壓器旁路，SFC輸出電壓水平與機端電壓相同，相同輸出功率下，風(fēng)冷型SFC和水冷型SFC工作電流相同。直流電抗器電感值是影響脈沖換相時間的主要因素。直流電抗器電感值的選擇可參考文獻[12]。

脈沖換相階段晶閘管關(guān)斷過程等效電路如圖3所示。

圖3 脈沖換相階段晶閘管關(guān)斷過程等效電路

按照表1設(shè)計方案，風(fēng)冷型及水冷型SFC系統(tǒng)脈沖換相階段仿真波形如圖4所示。

（a）風(fēng)冷型SFC脈沖換相階段波形

（b）水冷型SFC脈沖換相階段波形

圖4 脈沖換相階段仿真波形

風(fēng)冷型及水冷型SFC系統(tǒng)相關(guān)特性參數(shù)見表2。

表2 脈沖換相階段SFC參數(shù)

可見脈沖換相階段，風(fēng)冷型及水冷型SFC系統(tǒng)換相總時間類似，等效換相重疊角水平類似，所以輸出功率水平相同。

2）負(fù)載換相階段特性對比

負(fù)載換相階段輸出有功功率為

式中：a2為逆變側(cè)輸出交流電流；為功率因數(shù)角；為換流橋觸發(fā)延遲角（rad）。

由式（6）可知，同等容量下，對比SFC輸出功率能力的關(guān)鍵在于對比換相重疊角的大小。

負(fù)載換相階段換相重疊角為

負(fù)載換相階段晶閘管關(guān)斷過程等效電路如圖5所示。按照表1設(shè)計方案，風(fēng)冷型及水冷型SFC系統(tǒng)負(fù)載換相階段仿真波形如圖6所示。

對負(fù)載換相階段相關(guān)參數(shù)進行比較，見表3。

在負(fù)載換相階段，輸出變壓器接入系統(tǒng)工作，風(fēng)冷型SFC及水冷型SFC電壓及電流工作在其設(shè)計值。由仿真結(jié)果可知，換相重疊角在類似水平，所以輸出的功率水平類似。

圖6 負(fù)載換相階段仿真波形

表3 負(fù)載換相階段SFC參數(shù)

2.3 系統(tǒng)效能對比

水冷型SFC系統(tǒng)和風(fēng)冷型SFC系統(tǒng)由于設(shè)計參數(shù)差異，能效參數(shù)存在區(qū)別，發(fā)熱量越高，能效參數(shù)越差。SFC系統(tǒng)的發(fā)熱量主要來自晶閘管損耗、直流電抗器損耗及輸入/輸出變壓器損耗等，現(xiàn)以30MW容量SFC系統(tǒng)為例進行能效分析，各部分發(fā)熱量見表4。

表4 發(fā)熱量參數(shù)

綜上分析，兩種類型SFC的發(fā)熱量差異主要體現(xiàn)在晶閘管部分，風(fēng)冷型SFC晶閘管發(fā)熱量占系統(tǒng)容量的0.56%，水冷型SFC晶閘管發(fā)熱量占系統(tǒng)容量的0.66%，水冷型SFC晶閘管發(fā)熱量比風(fēng)冷型SFC高30kW，約17.9%，水冷型SFC總發(fā)熱量比風(fēng)冷型SFC高37kW，約11.3%，所以風(fēng)冷型SFC系統(tǒng)效能更優(yōu)。

2.4 可靠性對比

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)復(fù)雜度高，故障率相對較高，尤其是易出現(xiàn)漏水、電導(dǎo)率異常、壓力異常等問題。水冷型SFC需要外冷卻水，若電站下庫深度較淺，技術(shù)供水或公共供水處距離水面較近，夏季天氣炎熱，外冷水水溫接近環(huán)境溫度，不利于與內(nèi)冷水換熱。而冬季，在北方地區(qū)，下庫水溫可低至5℃左右，可能會使內(nèi)水冷水溫下降至露點溫度以下，若無防凝露措施，閥組會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，引起閥組短路。

風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)構(gòu)成簡單，故障率極低。風(fēng)冷型SFC采用空氣換熱，需配置環(huán)境溫度治理設(shè)備，維持SFC小室溫度在其工作范圍。SFC設(shè)備不受廠房外環(huán)境溫度影響，穩(wěn)定性更高。

2.5 運行維護對比

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)需要定期進行補氣或補水工作，無法做到免維護。每年定檢運行維護工作難度較大，如泵的機油更換、穩(wěn)壓罐的壓力檢測、過濾器的濾網(wǎng)更換等，不僅需要一定的專業(yè)知識，且運維工作量遠高于風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)。

風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)運行穩(wěn)定性高，基本做到免維護，每年定檢工作主要是風(fēng)機電源回路測量及柜門濾網(wǎng)更換等，運維工作量小，并且難度低。

2.6 經(jīng)濟性對比

風(fēng)冷型及水冷型SFC經(jīng)濟性對比可以從三個方面來看。首先，從冷卻系統(tǒng)對比來看，水冷系統(tǒng)包含水泵、穩(wěn)壓設(shè)備、去離子設(shè)備及相應(yīng)表計、管路等設(shè)備成本，遠高于風(fēng)冷型SFC配置的風(fēng)機及監(jiān)測元件成本。其次，從SFC運行需求來看，水冷型SFC通常采用水-水冷卻方式，外水冷系統(tǒng)需要從電站公共供水系統(tǒng)敷設(shè)管道到SFC小室，并設(shè)置相關(guān)的閥門及表計；風(fēng)冷型SFC將與散熱器換熱的空氣排到SFC小室，需要配置空調(diào)或排扇等冷卻設(shè)備，設(shè)備及施工費用總體低于水冷型SFC。最后，風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)基本可以做到免維護，運維成本極低；水冷型SFC運維工作相對復(fù)雜，日常運行中需要補水補氣，與此同時需要對水泵及去離子罐中的樹脂進行定期維護，維護成本較高。

綜上所述，風(fēng)冷型SFC設(shè)備的經(jīng)濟性相對較好。

3 結(jié)論

本文從系統(tǒng)設(shè)計、功率輸出能力、能效指標(biāo)、可靠性及運行維護等方面對風(fēng)冷型SFC系統(tǒng)及水冷型SFC系統(tǒng)進行對比分析。系統(tǒng)設(shè)計方面，相同電壓水平的水冷型SFC輸出功率設(shè)計值更高；功率輸出能力方面，系統(tǒng)容量相同時，二者在脈沖換相階段及負(fù)載換相階段的功率因數(shù)水平相同，輸出功率水平類似；系統(tǒng)效能方面，根據(jù)器件發(fā)熱特點，風(fēng)冷型SFC優(yōu)于水冷型SFC；可靠性方面，風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)配置簡單，且不受廠房外的環(huán)境影響，可靠性更高；運行維護方面，風(fēng)冷型SFC系統(tǒng)運維工作簡單，且運維工作量小。

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Study on comparison of air-cooled and water-cooled static frequency converter equipment

MAN Ziqiang LIU Huan LIU Teng

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In order to improve the users’ profound understanding of air-cooled and water-cooled static frequency converter (SFC), this paper provides SFC design schemes of two cooling modes. By constructing the power output models of pulse commutation stage and load commutation stage, this paper analyzes the relevant parameters affecting the power factor and compares the power output capacity of SFC under the same capacity. In addition, the comparative study is carried out from the aspects of efficiency level, reliability and operation and maintenance, so as to provide a comprehensive reference for the selection of SFC cooling mode.

static frequency converter (SFC); cooling method; power factor; efficiency index

2022-04-21

2022-05-26

漫自強（1985—），男，陜西省寶雞市人，碩士，主要從事電力電子與電力傳動方面的研究工作。