UPFC水冷卻系統結構分析

徐　陽，謝天喜，賈勇勇，陶風波，周志成

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

UPFC水冷卻系統結構分析

徐陽，謝天喜，賈勇勇，陶風波，周志成

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

換流閥是統一潮流控制器（UPFC）的核心，而水冷卻系統則對保證換流閥的安全可靠運行具有十分重要的作用。以換流閥水冷卻系統為研究對象，從內冷卻系統和外冷卻系統兩方面對其結構進行了詳細分析，采用類比法搭建了UPFC水冷卻系統結構的電路結構，明確了系統中各個模塊的結構和組成，最后對串聯水路和并聯水路進行了比較，討論了并聯水道流量分布不均勻的問題。

統一潮流控制器；水冷系統；串聯水路；并聯水路

統一潮流控制器（UPFC）自上世紀80年代提出以來受到科學界和工程界的廣泛關注，被認為是柔性交流輸電的未來［1-3］。UPFC的主要工作原理是通過電力電子設備（換流閥）及控制系統來改變串聯變壓器的輸出電壓相角及幅值，從而達到優化控制線路潮流及系統電壓的目的［4-6］。

換流閥是UPFC最關鍵的部件之一［7］，換流閥中的核心部件是電力電子器件，電力電子器件是溫度敏感器件，溫度對其影響十分巨大，主要表現在以下兩方面：首先，每個電力電子器件都有工作溫度的限制，例如硅（Si）芯片的安全工作溫度一般為-40～150℃，當器件結溫處于安全工作溫度范圍內時，超過芯片最高允許結溫時 （Si芯片的最高允許結溫一般為175℃），芯片將會失效，所以高溫對于器件的危害是致命的。其次，電力電子器件本身對溫度變化非常敏感，例如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），有實驗表明，當器件結溫為150℃時，其關斷時間約為25 μs，而當結溫為室溫時，其關斷時間僅為18 μs，所以器件的關斷時間隨著結溫的升高而延長，造成關斷損耗的增大。溫度的變化影響器件的穩態特性和開關特性，會使功率變換器的運行指標偏離設計目標，一旦器件發生不可恢復性失效，將直接導致系統的故障，造成巨大的生命危險和經濟損失。因此，散熱系統對UPFC中換流閥設備的安全健康運行至關重要。文中建立了UPFC水冷卻系統結構的電路結構，對串聯水路和并聯水路進行了對比分析。

1　水冷卻系統基本結構

1.1總體結構

目前常用的散熱方式有自然空冷散熱、強迫風冷散熱、液冷散熱和熱管散熱等，圖1給出了不同散熱方式下表面熱流密度與器件溫升的關系，為電力電子設備冷卻方式的選擇提供了依據。對于大功率換流閥而言，由于其器件的熱流密度很大，需要采用高性能的散熱方式。強迫水冷換熱是一種換熱能力強、換熱效率高的散熱方式，在汽車工業中被廣泛應用，但在換流閥設備中的應用才剛剛起步。

圖1不同散熱方式所允許的器件熱流密度范圍

換流閥水冷卻系統一般分為內冷卻系統和外冷卻系統，內冷卻系統是對換流閥本體進行換熱，外冷卻系統是對內冷卻水進行換熱，總體結構如圖2所示。

圖2水冷卻系統結構

換流閥水冷卻系統其工作原理為：恒定壓力和流量的冷卻介質通過內冷卻系統源源不斷流進大功率電力電子裝置被冷卻器件，溫度上升并將被冷卻器件產生的熱量帶出，經過主循環泵后與室外外冷卻系統進行熱交換，使冷卻介質溫度降低至合理范圍后再次流入被冷卻器件，形成冷卻介質的閉式循環。

1.2內冷卻系統

內冷卻系統主要由主循環冷卻回路、水處理回路、氮氣穩壓回路、補水回路等構成。

1.2.1主循環冷卻回路

主循環冷卻回路是內冷卻系統的核心，它主要由主循環水泵、管道回路、儲氣罐等構成。通過主循環水泵將冷卻水輸送到換流閥中，通過內冷卻管道回路中的逆止閥、截止閥、三通閥、電動蝶閥、排氣閥和排水閥等來控制冷卻水的流向和流量，這樣冷卻水便在主泵和換流閥之間構成了一個封閉的回路，保證換流閥持續散熱要求。儲氣罐作用是自動排除系統的殘留氣體。

1.2.2水處理回路

水處理回路一般由離子交換器和精密過濾器構成，通過對冷卻水中離子的不斷脫除，達到長期維持冷卻水極低電導率的目的。

1.2.3氮氣穩壓回路

氮氣穩壓回路一般由氮氣瓶、脫氣罐、緩沖罐等構成。其工作原理為：當冷卻水因少量外滲、電解而損失時，穩壓系統會將冷卻水壓入循環管路系統以保持管路的壓力穩定和冷卻水的充滿；當冷卻水因溫度變化而產生體積變化時，穩壓系統會緩沖其對循環管路系統的影響，保證系統的正常運行。

1.2.4補水回路

補水回路主要由補水罐和補水泵組成。其工作原理為：當水箱液位降低至補水液位時，系統啟動補水泵自動補水；當補水罐液位降低至低值時，發出報警信號，提示操作人員向補水罐加水，以保持其液位正常。

1.3外冷卻系統

外冷卻系統主要用來冷卻主循環冷卻水，使其下降到規定溫度重新進入內冷卻系統。外冷卻系統是一個開放式的水循環系統，使用經過軟化處理的水通過冷卻塔持續對內冷卻系統管道進行冷卻，降低內水冷溫度。外冷水系統一般包括冷卻塔、噴淋泵、水處理單元、平衡水池等。外冷卻系統通常有風冷結構和噴淋冷卻結構2種。

1.3.1冷卻塔

冷卻塔的作用是通過噴淋水和風扇對閥內水冷散熱管進行冷卻。多數直流輸電工程每極配有3臺蒸發式密閉循環型冷卻塔，2臺冷卻塔就能滿足直流系統額定負荷時的冷卻需求。在正常情況下，系統運行時3臺冷卻塔均可投入運行。

1.3.2噴淋泵

噴淋泵為外冷水提供循環動力，一般每極配置4臺噴淋泵，用于分別向3臺冷卻塔提供噴淋水，1臺作為備用，當其中任意1臺噴淋泵故障時會通過旁通閥將故障隔離，并將備用噴淋泵接入該臺冷卻塔。

1.3.3水處理單元

外冷水使用的水對水質的要求不如內冷水高，但在實際運行中還是需要進行相應的水質處理。因為自來水中的鐵、鎂等離子會逐漸沉淀散熱片表面，日積月累會導致散熱效果下降；自來水中的微生物也會腐燭外冷水管道，在使用前必須對其進行過濾。因此在工程中外冷水處理單位基本分為軟化和滅菌兩大功能。

1.3.4平衡水池

平衡水池的水由主、備2臺工業泵進行補給，由噴淋泵將平衡水池內的水抽到冷卻塔對內水冷管道中的散熱管進行噴淋冷卻，然后回流到平衡水池中。平衡水池一部分的水經過水處理單元進行軟化和滅菌后流入平衡水池中。

2　南京UPFC中的水冷卻系統結構

2.1整體結構

2.1.1主要技術參數

南京UPFC工程采用3組容量為60 MV·A的換流閥，其單組換流閥的損耗功率不超過600 kW。針對3組換流閥采用了常州博瑞制造的3套結構相同的水冷卻系統，每套水冷卻系統的主要參數如表1所示。

表1產品主要技術參數

從表1中知，單臺水冷卻系統的額定冷卻容量為660 kW，是單組換流閥損耗功率的1.1倍，具有一定的裕度。

2.1.2基本構成

UPFC水冷卻系統結構如圖3所示，主要由主循環冷卻回路、去離子水處理回路、穩壓系統（氮氣穩壓系統或高位水箱穩壓系統）、補水裝置、外循環冷卻系統（水風換熱器形式）、冷卻介質及管路、電氣控制系統等組成。

與常規水冷卻系統采用冷卻塔的形式不同，UPFC外冷卻系統直接采用干式空氣冷卻方式，該方式配置N+1臺直聯風機，冷卻容量設置留有一定的余量，具有如下優點：（1）適用于較低環境溫度或缺水地區，節能節水；（2）采用不銹鋼軋鋁翅片作為散熱主體，高效潔凈；（3）風機系統成本低，可靠性高。

UPFC水冷卻屏柜系統主要用來對水冷卻系統進行監視、控制和保護，包括主水泵控制、補水泵控制、風機控制、電動三通閥控制、緩沖罐氣壓控制、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、相不平衡保護、相序保護、缺相保護和時間管理等。

2.1.3工作原理

UPFC水冷卻系統主要工作原理如下：主循環冷卻水在主循環泵動力作用下，通過外冷卻系統進行散熱后，流經大功率電力電子裝置被冷卻器件，帶走被冷卻器件的熱量后流回主循環泵入口。

通過在主循環冷卻回路上設置的供水溫度變送器反饋的信號，控制裝置電動三通閥調節進入外冷卻系統的冷卻水流量及外冷卻系統投入冷卻的數量，達到精確控制冷卻系統冷卻水溫度的目的。被冷卻器件通過內冷卻系統帶走熱量，并在外冷卻系統散出熱量，實現連續冷卻的功能。

由于主循環冷卻水先流經外循環冷卻系統，再進入大功率電力電子裝置被冷卻器件進行冷卻，其具有2個明顯的優點：一是減小冷卻水經主循環泵加壓后對大功率電力電子裝置的沖擊作用；二是保證整個系統運行時，大功率電力電子裝置進口處的水溫最低，冷卻效果較好。

2.1.4冷卻介質

由于被冷卻器件在高電壓條件下工作［8，9］，為避免冷卻介質中存在雜質離子，導致各元件之間形成漏電流，UPFC水冷卻系統中采用高純水，循環管路均采用304不銹鋼管，接觸部分金屬材質均為304不銹鋼及以上，非金屬材質為聚四氟乙烯、硅橡膠等性能穩定的材料。

2.2水路結構

如果將水泵類比為電源，將水流類比為電流，將每種設備的存在阻力可以類比為電阻，則水冷系統的水路可以表示為電路的形式。

圖4以電路結構形式建立了UPFC中水冷卻系統的水路結構。與普通電路不同的是，該電路結構具有明確的方向性，如圖中箭頭方向所示。從圖4中可以清晰地看出，UPFC工程中的主循環冷卻回路從主水泵出發經過外冷卻風冷機組、主過濾器到達換流閥單元，之后經由脫氣罐和加熱器構成的脫氣加熱系統回到主水泵。主循環回路采用了2臺主水泵的冗余設計，1臺運行，另1臺作為備用，提高了系統的可靠性。

圖3水冷卻系統結構

圖4水冷卻系統電路結構

由氮氣瓶和緩沖罐構成的氮氣穩壓回路并聯于主循環冷卻回路中。而以離子交換器和精密過濾器構成的水處理回路，和由儲水罐和補水泵構成的補水回路則串聯于氮氣穩壓回路中。

UPFC工程中的每套外冷卻系統配置6臺風機組，采用并聯連接方式。該水冷卻系統用來冷卻UPFC工程中的1個閥廳單元，每個閥廳由4組閥塔構成，4組閥塔之間采用并聯水路連接。每組閥塔內部由84個換流閥子模塊構成，各個子模塊之間也采用并聯水路連接。

從上面的分析可知，無論是外冷風機還是換流閥模塊，UPFC水冷卻系統的水路全都采用了并聯水道方式連接。

3　串聯和并聯水道

根據水力學知識可知：

式中：Q為流量；u為流量系數；A為面積；ΔP為壓力差；ρ為流體密度。因此，流體流動的動力為管路兩端的壓差，壓差越大，流速越高，即流量越大。

然而管道中的流速是有一定限制的，因為管道內部粗糙，而所有的流體都有一定的黏度，所以流體在管道中流動有一定的阻力，流速越快，阻力越大。

根據Darcy公式，沿程水頭損失為：

式中：hf為沿程水頭損失；λ為水頭損失系數；l為管道長度；D為管道內徑；v為管道流速；g為重力加速度。

3.1串聯水道特點

當水道串聯時，由流體力學理論可知，管道的阻力損失與流量成平方關系。由于采用串聯管道，勢必會增加管路的長度，造成管道阻力的增大，因此串聯系統中的水泵壓力需要增大。

串聯水道的優點是管路相對簡單，管道內流量不變，不存在分配問題，最主要的缺點是串聯水道的可靠性低，前端水道的損壞會導致其全部后端水道失去功能，其次由于串聯水道流過各個換流閥存在先后順序，會造成其溫度分布不均勻，末端的散熱效果會變得極差。因此，串聯水道已經很少單獨應用于換流閥系統中。

3.2并聯水道特點

水道采用并聯連接時，并聯水道中的水流量增加，而水道兩端的壓差不變。

采用并聯水道能保證每個水冷元件都得到冷卻，具有管路布置相對簡單，冷卻效果也較好，可靠性高的優點。但是存在并聯管路中流量分布不均勻的缺點，而且系統規模越大其流量分布就越不均勻，其次是接口多而雜且管道成本高于串聯。

并聯水道的結構通常有以下2種布置方式，如圖5所示。

圖5并聯水道布置方式

無論哪種布置方式都存在水道內每個并聯支路流量分布不均勻的問題。圖6給出了一種典型的Z型水道壓力分布，從圖中可以看出，其壓差分布呈現進口和出口壓力大、中間壓力小的分布趨勢。這將造成水流量主要從靠近進口和出口的并聯支路中流過，從而影響中間換流閥的散熱效果。

為解決并聯水道中水流量分布不均勻的問題，圖7給出了理想情況下水道壓力分布，如果設計階段能根據該壓力分布設計水道，則可以減小分布不均勻的問題。

圖6并聯水道不均勻分布壓力

圖7并聯水道均勻分布壓力

4　結束語

分析了換流閥水冷卻系統組成、結構和功能，建立了UPFC水冷卻系統結構的電路形式結構，該結構極大方便了電氣工程師對于水冷卻系統結構的理解，指出了并聯水道存在流量分布不均勻的優化問題，并給出了優化思路，對水冷卻系統的結構優化具有一定的意義，為提高UPFC中換流閥的可靠性提供了參考。

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Structural Analysis of Water Cooling System of UPFC

XU Yang，XIE Tianxi，JIAYongyong，TAO Fengbo，ZHOU Zhicheng
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

Converter valve is the core of Unified Power Flow Controller（UPFC）.Water cooling system，as the"guardian"of converter valve，is very important for its safety and reliability.In this paper，the structure of water cooling system is studied. First，a detailed analysis of the structure is carried out from two aspects:the internal cooling system and the outside cooling system.Then，the circuit of UPFC water cooling system is built by analogy method，which makes the structure and each module clear.In the end，the comparison between series water load and parallel water load is presented，and the problem of uneven distribution of parallel channels is discussed.

UPFC；water cooling system；series water load；parallel water load

TM571.6

B

1009-0665（2016）01-0049-04

2015-10-21；

2015-11-27

徐陽（1987），男，江蘇揚州人，工程師，從事高壓直流輸電和柔性交流輸電研究工作；

謝天喜（1983），男，湖北天門人，高級工程師，從事電力設備結構優化及電力系統過電壓研究工作；

賈勇勇（1986），男，江西九江人，工程師，從事開關類變電設備狀態評價工作；

陶風波（1982），男，江蘇常州人，高級工程師，從事電力系統過電壓及脈沖功率研究工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高級工程師，從事電力系統過電壓及輸電線路運行維護方面研究工作。