關于風電機組塔底部分散熱方案的探討

文 | 陳效國 劉衍選 蔡曉峰

關于風電機組塔底部分散熱方案的探討

文 | 陳效國 劉衍選 蔡曉峰

隨著風電機組單機容量持續增大，高海拔、海上風電機組的出現，風電機組溫度過高的問題越來越突出，風電機組因高溫停機或限功率運行時有發生。風電機組散熱問題越來越受到人們的關注，散熱不好將會嚴重地影響到風電機組部件的性能、可靠性和使用壽命，進而也會影響風電機組的效率和經濟效益。

本文以沈陽華創風能1.5MW雙饋風電機組為例，對風電機組塔底部分的散熱進行客觀的分析，并提出了一種利用塔筒的煙囪效果加強風電機組散熱的方案。該方案高效節能，對大功率的風電機組散熱系統設計和研究具有較強的參考價值。

風電機組高溫問題分析

風電機組為了便于運行維護，有很大一部分廠家都把變頻器和電控柜放在塔底。沈陽華創風能1.5MW雙饋風電機組也是如此。變頻器和電控柜是塔底部分兩大發熱主體。

傳統的風電機組散熱系統，雖然對變頻器和電控柜的散熱情況給予充分的考慮，變頻器和電控柜都增加了冷卻風扇，并加大了冷卻風扇的功率。但是對整個塔底部分的空氣流通往往不夠重視，在通風冷卻通道的設計上也不夠完善，這樣就導致變流器和電控柜雖然可以通過冷卻風扇將熱量排到柜體之外，但是排出的熱量卻聚集在了塔筒內，不能有效的散發出去，使塔筒內的溫度升高，從而又影響變頻器和電控柜的散熱，導致變流器和電控的溫升過高。

在高海拔地區的風電機組，因其所處的外部環境海拔高、空氣密度低、晝夜溫差大，這些因素對風電機組的發熱散熱都有著不可低估的影響。尤其是到了夏季，風電機組因高溫停機或限功率運行時有發生，嚴重影響風電機組的效率和經濟效益。

風電機組的散熱分析計算

一般情況下，當電氣柜內有如變壓器、變頻器、電源或大發熱量電器元件時，要根據電器元件的功率及效率來計算發熱量。當電氣柜內只有數量較多的小的發熱量電器元件時，在不清楚估計大概的發熱量時，為計算方便可不單獨計算每個電器元件的發熱量，可統一估算發熱量每平方米電氣板約 200W。塔底主要的散熱部件是變頻器和電控柜。

一、變頻器柜的散熱分析計算

變頻器運行時都會有一定的熱量損耗，變頻器滿負荷運轉時的最大散熱量主要取決于其功率、效率和柜體尺寸。另外變頻器柜內的其他設備散熱會使電控柜內的溫度升高，例如：輔助變壓器、開關電源、UPS、冷卻風扇等。

（一） 變頻器的功率損失

變頻器的功率損失可利用下式計算：

（二） 輔助變壓器的散熱分析

變壓器的熱量損失是由變壓器的功率損耗造成的。變壓器的功率損耗，包括有功功率損耗和無功功率損耗。有功損耗又分為空載損耗和負載損耗兩部分。空載損耗又稱鐵損，它是變壓器主磁通在鐵芯中產生的有功功率損耗，因為主磁通只與外加電壓和頻率有關，當外加電壓U和頻率f為恒定時，鐵損也為常數，與負荷大小無關。負載損耗又稱銅損，它是變壓器負荷電流在一次、二次繞組的電阻中產生的有功功率損耗，其值與負載電流平方成正比。同樣無功功率損耗也由兩部分組成，一部分是變壓器空載時，由產生主磁通的勵磁電流所造成的無功功率損耗，另一部分是由變壓器負載電流在一、二次繞組電抗上產生的無功功率損耗。對變壓器的有功功率及無功功率的損耗,我們可以按下式計算：

二、控制柜的散熱分析計算

電控柜熱負荷由柜內元器件的散熱量和外界環境向電控柜內部的漏熱量兩部分組成。在風扇冷卻的情況下，控制柜內的溫度都高于外界環境溫度，所以，外界向電控柜內部的漏熱量可以忽略不計。電控柜內主要的部件是控制系統和UPS不間斷電源。

(一)控制系統發熱量計算

塔底電控柜內的控制系統主要包括：1塊Wp－line 4100,一塊Wp－line 351、一塊Wp－line110、一塊Wp－line 511、一塊Wp－line151其額定電壓為24VDC，額定電流分別為：0.25A、0.2A、0.6A、0.25A、0.4A，控制系統的發熱量計算公式如下：

其中：

U----控制系統的額定電壓

I----控制系統的額定電流

η----效率因數

（二）UPS不間斷電源發熱量計算

（三） 控制柜內其他部件的發熱量計算

當電控柜內只有數量較多的小的發熱量電器元件時，為計算方便可不單獨計算每個電器元件的發熱量，可按每平方米電氣板的發熱量為200W來進行估算。

控制柜內其他部件發熱量Q，電氣板面積S，可以利用公式：Q=200×S來估算發熱量Q。

綜上所述，我們把上面求出的散熱量逐個相加就得到了塔底部分總的散熱量Q總，作為我們散熱通風量計算的依據。

塔筒的煙囪效應及在散熱方面的應用

煙囪效應是基于“對流通風”原理，室內外熱壓和風壓共同作用的結果，空氣沿著有垂直坡度的空間上升或下降，造成空氣加強對流的現象。通常情況下，煙囪效應以熱壓為主，熱壓值與室內外溫差產生的空氣密度差和近排風口的高度差成正比。塔筒底部因變頻器和電控柜散發熱量，其空氣溫度較高，密度較小，空氣便沿著塔筒自然上升，塔筒外的空氣滲入補充，這就形成煙囪效應。煙囪效應的強度與煙囪的高度、煙囪內外溫度差距、空氣流通的程度有關。其中塔筒的高度是最主要的影響因素。

攝影：高石峰

在這里我們假設塔筒上下通風孔大小相等，空氣密度無差別，在煙囪效應下，空氣被抽升并排出，其通風量可表示為：

其中：G----通風量(kg/ s)

ρ----空氣密度

c----空氣定壓比熱

G----通風量

關于風道的設計

一、關于塔筒內平臺的說明

從塔筒門進入塔筒內的定義為塔下電控柜平臺。塔下電控平臺上安裝有變頻器和電控柜。變頻器上方依次定義為塔架第一層平臺、塔架第二層平臺、塔架第三層平臺、塔架第四層平臺。其中塔架第三層平臺、塔架第四層平臺有較大的通風空間。

攝影：呂冰

二、 塔筒門處通風孔的設計

適當加大塔筒門上的通風孔的尺寸 ，如有必要，在塔筒門上增加風扇，以加強塔筒門處的空氣流通 。

三、塔架平臺處的通風設計

塔底熱量集中的部位一般在變頻器和電控柜的上方，遠離塔筒門的一側。在塔架第一層平臺、塔架第二層平臺上增加通風孔 ，保證熱空氣能正常上升。為防止氣流在塔筒內部形成短路，保證氣流能通過熱量集中的部位，應做好塔架第一層平臺其他地方的密封。塔架第一層平臺處的爬梯蓋板在不使用時，也應關閉。如有必要，也可以在塔架第一層平臺處增加風扇，以加強塔架第一層平臺處的空氣流通 。如圖1所示。

結語

圖1 塔底部分空氣流通示意圖

本文分析了風電機組塔底部分溫度過高的原因；介紹了變頻器和電控柜等主要部件的散熱狀況以及計算方法；因個人能力有限，本文關于塔筒的煙囪效應以及其對風電機組散熱的影響，只提出了利用塔筒的煙囪效應加強塔底部分散熱的初步構想，希望能起到拋磚引玉的作用，也歡迎廣大風電同仁來電交流。

（作者單位：沈陽華創風能有限公司）