適用于嚴苛環(huán)境的儲能變流器散熱方案研究

周力民，張海龍，劉博嘉，劉為群，袁元，丁勇，米高祥

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

0 引言

近年我國儲能產業(yè)發(fā)展迅速，建立了許多示范工程[1]，應用場合不斷拓展就帶來了設備應用環(huán)境的多樣性[2]，例如高溫高濕環(huán)境、高鹽霧環(huán)境等，如果設備環(huán)境適應性設計處理不當，會影響設備的功能。世界各國都投入了大量人力、物力對產品環(huán)境適應性進行研究[3]。

儲能變流器（PCS）是儲能系統(tǒng)的核心部件[4]，是將儲能電池接入電力系統(tǒng)的關鍵設備[5]，其在運行過程中會產生大量的熱量，優(yōu)良的散熱是保證電子設備可靠性的關鍵[6]，尤其是在一些復雜、嚴苛的環(huán)境中，其環(huán)境適應性及散熱方案的綜合設計，對系統(tǒng)的安全可靠運行至關重要。本文提供了一種集成化程度高、環(huán)境適應性強的箱式儲能變流器產品方案。為嚴苛環(huán)境下的大容量風冷散熱產品應用提供了一種解決方案。

1 箱式儲能變流器產品介紹

集裝箱式電力設備艙的使用可以有效地優(yōu)化平面布局，并能夠降低建筑面積、減少投資、縮短工期等[7]，近些年來越來越受到用戶的青睞。如某日本儲能項目，采用集裝箱式儲能變流器產品方案，集裝箱分為變流艙和升壓艙，變流艙主要包含儲能變流器、通信控制柜等設備，升壓艙內主要包含1臺升壓變壓器、1臺輔助變壓器。該項目現場位于沿海地區(qū)，系鹽霧環(huán)境條件，鹽霧對金屬設備的腐蝕直接影響了設備的性能及使用壽命[8],因此設備的防鹽霧環(huán)境適應性設計需要重點考量。由于變流艙內部包含較多金屬元器件和精密設備，對環(huán)境要求更為敏感，為保證產品性能，變流艙采用密閉空調散熱方案。升壓艙內主要包含2臺干式變壓器，無精密設備器件，且變壓器的絕緣耐熱等級為F級，環(huán)境適應性較強，因此升壓艙采用風機強迫風冷散熱方案。

圖1 箱式儲能變流器產品方案

2 箱式儲能變流器產品方案

變流艙采用一體機空調散熱方案，內、外通風循環(huán)系統(tǒng)分別獨立，通過熱交換系統(tǒng)將艙內熱量轉移到艙外，可以有效隔絕內部儲能變流器等設備與外部鹽霧空氣環(huán)境接觸，避免產品、器件等受到腐蝕，同時該空調具有除濕功能，控制艙內具有理想的溫度和濕度，保證產品良好的運行環(huán)境?？照{本體防護等級為IP55，外殼體按照國標GB/T 30790.5-2014《色漆和清漆 防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護 第5部分:防護涂料體系》[9]，采取了相應的表面防護涂料體系，可適用于C5-M的高腐蝕性環(huán)境等級，完全滿足此項目現場的環(huán)境應用條件。

圖2 空調內外循環(huán)示意圖

采用一體機空調散熱方案，如何保證艙內散熱平衡，避免風向亂流、紊流，是一個需要重點研究的問題。傳熱主要有3種不同的方式：熱傳導、對流和熱輻射，在強迫風冷散熱中，一般忽略輻射和自然對流散熱的影響[10]，因此主要考慮熱傳導及設備本體的發(fā)熱量。

變流艙內主要熱源為儲能變流器，發(fā)熱量Q1=14200 W，通信控制柜發(fā)熱量Q2=120 W；利用空調設置變流艙內溫度Tn1=30 ℃，變壓艙內最高環(huán)境溫度Tn2=50 ℃，項目現場戶外最高環(huán)境溫度TW1=40 ℃，由于艙體內外溫差存在傳導熱，傳導熱量計算如下：

艙體側壁及艙頂的結構主要由外壁、巖棉、內壁3層復合結構組成，外壁、內壁由鋼材制成，厚度分別為δ1=2 mm，δ2=1 mm，中間填充巖棉隔熱材料，厚度δ3=50 mm，鋼材料導熱系數λ1=40 W/（m·K）,巖棉導熱系數λ2=0.04 W/（m·K）。

圖3 變流艙簡易模型圖

即空調所需總制冷量約為15 kW，為充分保證儲能變流器安全可靠運行，變流艙共選型使用2臺制冷量為15 kW的掛壁式空調一體機，一備一用方案，2臺空調的布置位置如圖1所示。

空調內循環(huán)進風口位于空調中部，出風口位于空調上部，如圖2所示，儲能變流器進風口位于柜體下部，出風口位于柜體頂部?？照{與儲能變流器的進風、出風存在一定的相互干擾、亂流問題，影響散熱效果。為了解決這一問題，在空調出風口設計導流風道結構，將空調出風（冷風）直接導向儲能變流器背面，便于變流器背面進風口吸收冷風散熱，同時在儲能變流器頂部出風口設計導流板，將儲能變流器的出風（熱風）導向空調的進風口，此種導流結構方案，可以有效避免風向亂流、紊流問題的發(fā)生，保證產品散熱效果。

圖4 空調與儲能變流器進出風口示意圖

圖5 變流艙內設備導流散熱方案

為進一步驗證變流艙散熱效果，利用仿真軟件對該系統(tǒng)進行散熱仿真分析。首先建立產品仿真模型，根據產品運行工況，對發(fā)熱器件、發(fā)熱設備賦予相應熱功耗，根據空調性能參數賦予相應冷風風量值、送風溫度等，項目現場最高環(huán)溫不超過40 ℃，以此溫度設置為仿真環(huán)溫，2臺空調輪換開機1臺。

根據上述仿真結果，空調1開時，冷風幾乎均被儲能變流器吸收，變流器最高溫度點約為78 ℃，溫升38 ℃左右，滿足產品運行性 能 要求。空調2開時，多數冷風被儲能變流器吸收，部分冷風直接回流至空調進風口，變流器最高溫度點約為83 ℃，溫升43 ℃左右，滿足產品運行性能要求。

圖6 整體產品仿真模型

圖7 空調1開時變流艙氣流軌跡圖

圖8 空調1開時變流艙溫度云圖

圖9 空調2開時變流艙氣流軌跡圖

圖10 空調2開時變流艙溫度云圖

升壓艙內主要包含2臺干式變壓器、1臺主回路升壓變壓器、1臺輔助供電變壓器，升壓艙內無精密設備、器件，變壓器絕緣耐熱等級均為F級，絕緣耐熱系統(tǒng)溫度為155 ℃，環(huán)境適應性較強，因此升壓艙采用高壓頭離心風機強迫風冷散熱方案。同時為保證升壓艙進風空氣質量，在進風口處加裝鹽霧過濾器，通過不同密度抗水型玻璃纖維濾紙濾網、點狀分隔或熱熔膠分隔技術，將不同粒徑的氯離子捕捉并攔阻到濾網上[11]，可有效阻止鹽霧環(huán)境對升壓艙內部設備的影響。

為進一步驗證升壓艙散熱效果，利用仿真軟件對該系統(tǒng)進行散熱仿真分析。根據下述仿真結果可以知，外部冷風進入艙體，流經變壓器時仍能保持2 ～3 m/s 左右的風速，變壓器最高溫度點約為122℃，完全滿足產品運行性能要求。

3 結論

通過上述方案設計、分析可知，大容量風冷電力設備艙，應用于沿海高鹽霧地區(qū)、沙塵較嚴重地區(qū)，當艙內包含精密設備、精密器件時，對環(huán)境要求更為敏感，為保證產品的散熱性能、防護性能，密閉空調散熱是一種較好的解決方案，但需要分析、優(yōu)化空調進出風口與設備進出風口的風向流動問題，盡量避免風向亂流、紊流，充分保證產品的散熱效果。當艙內設備環(huán)境適應性較強時，可考慮采用風機強迫風冷散熱方案，針對高鹽霧地區(qū)，可在進風口處采用鹽霧過濾器技術，針對高沙塵地區(qū)，可在進風口處采用初效濾棉除塵技術，保證進風空氣質量，保證產品性能。

圖11 變壓艙空氣流速圖

圖12 變壓艙溫度云圖