大功率風(fēng)電機(jī)組變流器散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

焦守雷, 王成賢

(中車山東風(fēng)電有限公司,濟(jì)南 250022,E-mail:jiaoshoulei.sd@crrcgc.cc)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套的交-直-交大功率變流器,在正常運(yùn)行時(shí),由于IGBT高頻通斷、濾波系統(tǒng)以及導(dǎo)電銅排,所產(chǎn)生的熱損耗巨大[1],一般在幾十個(gè)千瓦以上。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中常因變流器高溫問題而停機(jī)或限功率運(yùn)行[2]。變流器常規(guī)冷卻方式有水冷和強(qiáng)制風(fēng)冷兩種,其中強(qiáng)制風(fēng)冷型變流器具有明顯的成本優(yōu)勢,在行業(yè)中愈來愈被廣泛應(yīng)用。風(fēng)冷型變流器散熱基本原理為利用塔架煙囪效應(yīng),變流器直接排放的熱空氣自行往塔架頂部流動(dòng)[3]。然而,在塔筒外部環(huán)境溫度較高時(shí)及塔筒內(nèi)部空間相對密閉,極易出現(xiàn)變流器周圍空氣溫度過高,進(jìn)而變流器進(jìn)風(fēng)口溫度過高,導(dǎo)致變流器產(chǎn)生高溫報(bào)警現(xiàn)象,嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行。針對處于相對密閉空間內(nèi)的變流器進(jìn)行有效散熱設(shè)計(jì),是大功率變流器安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文通過變流器-塔筒結(jié)合的形式,進(jìn)行綜合熱流仿真,對塔架內(nèi)空間進(jìn)行傳熱計(jì)算,設(shè)計(jì)了新型散熱系統(tǒng)并進(jìn)行仿真分析,并展開散熱效果對比分析,以確定散熱系統(tǒng)是否能滿足變流器散熱要求。采集分析風(fēng)電場現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù),以驗(yàn)證計(jì)算與分析的準(zhǔn)確性,證明散熱結(jié)構(gòu)滿足工程實(shí)際要求。

1 變流器的損耗計(jì)算

變流器設(shè)計(jì)中,損耗主要由三部分組成,分別為并網(wǎng)系統(tǒng)、濾波系統(tǒng)和功率模塊系統(tǒng)。并網(wǎng)系統(tǒng)主要為載流的大功率開關(guān)器件,損耗約占整體的15%,濾波系統(tǒng)主要為機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)電抗器、電容器、電阻,損耗約占整體的15%,功率模塊系統(tǒng)由三相全控整流、逆變回路和直流母線電容組成,損耗約占整體的70%,其中占比最大的功率模塊損耗主要由IGBT模塊高頻通斷和反并聯(lián)二極管產(chǎn)生,主要為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

變流器三相整流和逆變電路采用SVPWM的控制方式,正常輸出正弦波電流時(shí)的IGBT模塊和反并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗分別為[4]:

(1)

(2)

式中:I0為實(shí)際電流有效值;ψ為實(shí)際電流和電壓間的相角;M為調(diào)制度,它為相電壓峰值與方波相電壓基波峰值(2VOC/π)之比;TJ為IGBT模塊實(shí)際結(jié)溫;Uce25 ℃,UF25 ℃分別為IGBT模塊和反并聯(lián)二極管在25 ℃時(shí)的額定導(dǎo)通壓降;rce25 ℃,rF25 ℃分別為IGBT模塊和反并聯(lián)二極管在25 ℃時(shí)的額定通態(tài)電阻;KU_Tr,KU_VD分別為溫度對IGBT模塊和反并聯(lián)二極管導(dǎo)通電壓影響的溫度系數(shù);Kr_Tr,Kr_VD分別為溫度對IGBT模塊和反并聯(lián)二極管通態(tài)電阻影響的溫度系數(shù)。

一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的IGBT模塊和反并聯(lián)二極管的通態(tài)(開通和關(guān)斷)損耗分別為:

(3)

(4)

式中:fsw為載波頻率;Esw,Err分別為IGBT模塊和反并聯(lián)二極管額定狀態(tài)下單脈沖開關(guān)損耗;Vcc為橋臂電壓;Ir,Ur分別為參考電流和電壓;KswTr-J,KswVD-J分別為電流幅值對IGBT模塊和反并聯(lián)二極管開關(guān)損耗影響的電流系數(shù);KswTr-U,KswVD-U分別為橋臂電壓對IGBT模塊和反并聯(lián)二極管開關(guān)損耗影響的電壓系數(shù)。

實(shí)際設(shè)計(jì)中,變流器整流側(cè)和逆變側(cè)各有三個(gè)橋臂,每個(gè)橋臂上共有上下2塊IGBT模塊(含反并聯(lián)二極管),因此,變流器功率單元總損耗為:

Ptot=12(Pc_Tr+Pc_VD+Psw_Tr+Psw_VD)

(5)

2 塔筒傳熱計(jì)算

變流器設(shè)置于塔筒底部平臺(tái),塔筒為筒型結(jié)構(gòu),采用Q355NE材料,可視為大型管狀散熱器,同時(shí)具有煙囪效應(yīng),熱空氣自然向上流動(dòng),塔筒進(jìn)風(fēng)方式為塔筒門百葉窗自然進(jìn)風(fēng),見圖1。

圖1 塔筒及塔筒門

塔筒的自散熱效能是否能滿足變流器的散熱要求,則需進(jìn)行塔筒傳熱計(jì)算[5],主要包括塔筒內(nèi)表面對流換熱系數(shù)計(jì)算、塔筒外表面對流換熱系數(shù)計(jì)算以及筒壁傳熱計(jì)算,其中以塔筒內(nèi)外空氣作為傳熱介質(zhì)。以某3 000 kW型風(fēng)電機(jī)組塔筒和變流器為研究對象,塔筒傳熱計(jì)算參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 塔筒傳熱計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 塔筒內(nèi)壁對流換熱系數(shù)計(jì)算

初始輸入條件為表1中的變流器出風(fēng)口平均風(fēng)速,建立變流器及塔筒底平臺(tái)模型,利用熱流仿真軟件模擬計(jì)算可得到塔筒內(nèi)空氣的速度分布及流線圖[6],見圖2。由圖2(b)可以得知,變流器出風(fēng)口熱氣流上升,垂向筒壁并沿其向上形成貼附流,不會(huì)形成紊流狀態(tài),見圖2(b)A區(qū);而變流器出口下方的熱氣流,在塔筒底部處形成渦流區(qū),即換熱盲區(qū),見圖2(b)B區(qū)。

圖2 塔筒內(nèi)空氣的速度分布及流線圖

以變流器進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口處0.5 m范圍的空氣作為分析對象,利用仿真軟件計(jì)算其在塔筒內(nèi)隨高度變化的流速,得到出口處最大流速為1.8 m/s,最小流速為0.15 m/s,平均流速為1.43 m/s;進(jìn)風(fēng)口最大流速為0.9 m/s,最小流速為0.15 m/s,平均流速為0.82 m/s。計(jì)算變流器進(jìn)、出風(fēng)口的平均速度,作為塔筒內(nèi)部空氣的計(jì)算流速,即Vavg1=(1.43+0.82)/2=1.13 m/s。

塔筒內(nèi)部的空氣對流散熱方式可視為被動(dòng)對流,利用Dittus-Boelter公式[7]計(jì)算對流換熱系數(shù)Kin。

Nu1=0.023×[(Vavg1×D1)/v]0.8×0.70.3=
0.023×[(1.13×4.476)/(1.6×10-5)]0.8×
0.70.3=521.2

(6)

Kin=Nu×λ0/D=521.2×0.027/4=
3.518 W/(m2·K)

(7)

式中:Nu為空氣努塞爾數(shù);λ0為空氣導(dǎo)熱系數(shù),為0.027 W/(m·K);ν為空氣運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù),為1.6×10-5m2/s。

2.2 塔筒外壁對流換熱系數(shù)計(jì)算

塔筒外壁對流換熱系數(shù)可用外掠圓管對流換熱公式[8]進(jìn)行計(jì)算:

(8)

式中:C為常數(shù),由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理而得;Re為塔筒外壁空氣雷諾數(shù);n為常數(shù),由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理而得;Pr為空氣的普朗特?cái)?shù)。

計(jì)算公式中各參數(shù)的選擇范圍見表2。

表2 計(jì)算系數(shù)選擇范圍

本文考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的各類工況,計(jì)算條件為塔筒外空氣流速1 m/s至8 m/s?？諝饬魉贋?1 m/s時(shí),塔筒外壁冷卻空氣的雷諾數(shù)Re1為[9]:

Re1=(V1D2)/v=(1×4.5)/(1.6×10-5)=2.82×105

(9)

式中:V1為空氣流速,1 m/s;D2為塔筒外徑。

空氣流速為1 m/s時(shí),由表2可知,C=0.026 6,n=0.805,計(jì)算得出塔筒外壁空氣努塞爾數(shù):

Nu2=0.026 6×(2.82×105)0.805×(0.711)1/3=580.1

(10)

則塔筒外壁冷卻空氣對流換熱系數(shù):

Kout1=Nu2×λ0/D2=
580.1×0.027/4.5=3.481 W/(m2·K)

(11)

以此類推計(jì)算,空氣流速為(2～8)m/s時(shí)塔筒外壁的換熱系數(shù),見表3。

表3 不同空氣流速下塔筒外壁傳熱系數(shù)

2.3 塔筒壁傳熱計(jì)算

將塔筒內(nèi)壁冷卻空氣的對流傳熱系數(shù)Kin=3.518 W/(m2·K)、塔筒材料Q355NE的導(dǎo)熱系數(shù)λ=46 W/(m2·K)、塔筒外壁冷卻空氣的對流傳熱系數(shù)Kout[風(fēng)速(1～8)m/s]、塔筒內(nèi)部空氣溫度T1=45 ℃、塔筒外壁空氣溫度T2=40 ℃代入公式[10]:

(12)

計(jì)算得出不同風(fēng)速下單位長度塔筒壁面?zhèn)鳠嶂?見表4。

表4 不同風(fēng)速下單位長度塔筒壁面?zhèn)鳠嶂?/p>

假設(shè)塔筒內(nèi)壁氣流連貫、內(nèi)外空氣溫差恒定且塔筒內(nèi)壁空氣平均流速≥1.13 m/s,取塔筒外壁空氣流速為8 m/s,則整個(gè)塔筒壁的傳熱量Q=Q1×H=207.74×90=18.7 kW

通過計(jì)算可知,通過塔筒門自然進(jìn)風(fēng)、塔筒內(nèi)熱空氣煙囪效應(yīng)的自然排風(fēng)方式,塔筒壁的傳熱量是無法滿足變流器通風(fēng)散熱要求的,因此必須增加通風(fēng)散熱設(shè)施。

3 散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

將變流器產(chǎn)生的熱量直接排至塔筒外,是最直接有效的散熱方式。塔筒門的百葉窗是冷卻空氣進(jìn)入塔筒內(nèi)部的唯一通道,故考慮排出的熱量必須遠(yuǎn)離百葉窗,避免熱量被重新吸入塔筒。因此在塔筒門下方設(shè)計(jì)遠(yuǎn)離塔筒門的通風(fēng)管道[11]。

考慮將變流器產(chǎn)生的熱量,經(jīng)導(dǎo)風(fēng)罩進(jìn)入塔筒底部空間進(jìn)行匯集,在塔筒門下方設(shè)置通風(fēng)管道并增設(shè)渦輪風(fēng)機(jī)[12],增強(qiáng)通風(fēng)管道內(nèi)外風(fēng)壓,加大排風(fēng)速度,達(dá)到增加散熱效率的效果。為避免風(fēng)量泄漏,導(dǎo)風(fēng)罩、通風(fēng)管道等之間充分考慮了端面間、密封環(huán)及環(huán)與端面間的機(jī)械密封[13]。且渦輪風(fēng)機(jī)的選型比較了不同風(fēng)機(jī)在相同工況下壓力場、速度場和流線分布[14],在滿足變流器溫升要求的前提下,選取了最經(jīng)濟(jì)的渦輪風(fēng)機(jī),見圖3。

圖3 散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

建立塔筒內(nèi)部熱仿真模型,進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)仿真,見圖4。

圖4 熱仿真模型及分析結(jié)果

通過仿真分析可知:由于變流器的熱量集中排放到塔基平臺(tái)底部空間,塔基層溫度上升約1.6 ℃,塔基平臺(tái)底部空間溫度受變流器出風(fēng)影響,溫度上升約18 ℃,最高溫度約62.718 ℃。軸流風(fēng)扇入口處,溫度上升約12 ℃,最高溫度約56.2 ℃。但此方案將變流器所有熱量排入底部空間,對底部電纜、自用電變壓器等電氣設(shè)備使用壽命影響較大,將帶來老化、破損、絕緣等風(fēng)險(xiǎn),影響風(fēng)電機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行,因此需對此方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化與仿真

在上述方案的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)集風(fēng)罩及導(dǎo)風(fēng)管路,將變流器產(chǎn)生的熱量在單獨(dú)的空間內(nèi)匯集并排出塔筒外。通過計(jì)算分析,導(dǎo)風(fēng)管路截面積影響外部渦輪風(fēng)機(jī)氣流流通能力,選取合適的管道界面,可有效減少風(fēng)扇尖部氣流分離區(qū),使冷卻系統(tǒng)風(fēng)量獲得提升[15]。見圖5。

圖5 優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

建立塔筒內(nèi)部熱仿真模型,進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)仿真,見圖6。通過仿真分析可知:變流器產(chǎn)生的所有熱量經(jīng)過集風(fēng)罩全部導(dǎo)入到風(fēng)管中,塔基層溫度上升較小,塔基平臺(tái)底部環(huán)境溫度上升在1 ℃之內(nèi),最高溫度約45.4 ℃,基本與塔筒內(nèi)假設(shè)溫度一致,軸流風(fēng)扇出風(fēng)口溫度上升約18 ℃,最高溫度為60.5 ℃。變流器產(chǎn)生的熱量匯集后全部排出塔筒外,有效避免了高溫環(huán)境對電纜、自用電變壓器等電氣件因受熱發(fā)生老化、破損的風(fēng)險(xiǎn),有效保證了風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

圖6 熱仿真模型及分析結(jié)果

4 實(shí)測對比與分析

目前,本文所述的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器散熱系統(tǒng)已成功運(yùn)用到某風(fēng)電場3 MW機(jī)組。為對比變流器散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化后的效果,在項(xiàng)目現(xiàn)場選取兩臺(tái)距離相近、地理環(huán)境相似的風(fēng)電機(jī)組,其中一臺(tái)機(jī)組采用集風(fēng)罩匯集熱量并在渦輪風(fēng)機(jī)作用下經(jīng)導(dǎo)風(fēng)管排出,以模擬優(yōu)化后的變流器散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);另一臺(tái)為未安裝集風(fēng)罩及導(dǎo)風(fēng)管,以模擬優(yōu)化前的設(shè)計(jì),即熱量直接排至底平臺(tái)并在渦輪風(fēng)機(jī)作用下排出。

風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)并正常運(yùn)行后,對塔筒環(huán)境溫度、底部平臺(tái)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,經(jīng)過高溫季節(jié)(8月份)運(yùn)行后,對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比,其8月份運(yùn)行數(shù)據(jù)對比如圖7、圖8所示。

圖7 優(yōu)化前(無集風(fēng)罩及導(dǎo)風(fēng)管)的變流器散熱方案實(shí)測數(shù)據(jù)分布曲線

圖8 優(yōu)化后(有集風(fēng)罩及導(dǎo)風(fēng)管)的變流器散熱方案實(shí)測數(shù)據(jù)分布曲線

通過現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出,風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí),優(yōu)化前的變流器散熱方案,塔筒環(huán)境溫度最高為39.1 ℃,底部平臺(tái)最高溫度51.4 ℃,兩者平均差值約12.5 ℃;優(yōu)化后的變流器散熱方案,塔筒環(huán)境溫度最高39.5 ℃,底部平臺(tái)最高溫度40.3,兩者平均差值約0.96 ℃。

通過采集的數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果對比并分析,現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果近似。優(yōu)化前的變流器散熱方案底平臺(tái)平均溫升約12.5 ℃,最高溫度51.4 ℃,已超出底平臺(tái)電纜、自用電變壓器等電氣設(shè)備正常運(yùn)行溫度范圍。優(yōu)化后的變流器散熱方案,底平臺(tái)最高溫度為40.3 ℃,相對塔筒環(huán)境溫升約1攝氏度,基本為集風(fēng)罩、導(dǎo)風(fēng)管輻射熱,冷卻效果較好,對底平臺(tái)電纜、自用電變壓器等電氣設(shè)備無影響,優(yōu)化后的變流器散熱系統(tǒng)整體滿足變流器散熱需求。

5 結(jié)論

本文講述了大功率變流器的熱損耗計(jì)算原理,將塔筒作為圓管型散熱裝置,通過關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置,建立仿真模型,通過仿真分析,得到比較直觀的塔筒內(nèi)流體速度分布及流線圖,并利用Dittus-Boelter等公式進(jìn)行塔壁的熱量傳遞計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行變流器散熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用熱流仿真技術(shù)對變流器的通風(fēng)與散熱進(jìn)行仿真計(jì)算,然后結(jié)合仿真結(jié)果對變流器散熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,為風(fēng)冷型變流器的通風(fēng)散熱提供了理論依據(jù)。最后,通過在風(fēng)電場高溫季節(jié)的溫度數(shù)據(jù)采集及分析,與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,對比分析了大功率變流器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)在優(yōu)化前、優(yōu)化后的散熱性能差異,驗(yàn)證了理論計(jì)算與仿真模型計(jì)算的準(zhǔn)確性,同時(shí)給出了大功率變流器散熱實(shí)測數(shù)據(jù)分布曲線,證明所設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)符合工程實(shí)際要求,為大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器的散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要參考。