風力發電機組變流器散熱

摘 要：變流器是風力發電系統中的核心部件之一，其運行對整個風力發電機組的運行有著顯著的影響。變流器的結構和散熱設計是風力發電的關鍵技術之一。本文將基于風電變流器的基本原理和特點對幾種散熱方案進行簡單的闡述，希望可以為實際風電項目的運行提供一定的參考借鑒。

關鍵詞：風力發電;變流器;散熱

DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.323

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學技術研究項目“風力發電機組變流器散熱改造技術”（項目編號：NJZY20350）。

在生態環境污染日益嚴重的背景下，新能源發電受到了越來越多的重視，風力發電是其中的主要類型之一。作為一種新型能源，風能具有可再生、無污染等優點，風電也成為我國繼火電和水電之后的第三大能源。風力發電機組中所使用的大型變流器在運行的過程中會產生大量的熱損耗，若是不能針對性的采取散熱措施，會導致變流器所處的局部空間溫度大幅度提高，進而影響到變流器的正常運行。因此對風電機組變流器散熱進行研究具有積極意義。

1 風電變流器簡述

風電變流器多見于雙饋風力發電機中，其主要功能是在發電機轉子的轉速發生變化時，通過控制勵磁幅值、相位以及頻率的方式使定子側能夠向電網輸入恒頻電，它可以根據需要進行有功和無功的獨立解耦控制。通過變流器的應用可以是雙饋風力發電機組能夠實現軟并網，確保并網時產生的沖擊電流不會對電機以及電網產生負面影響。以現今的技術發展水平，變流器通常具備多種通信接口，用戶可以通過這些接口將變流器和系統控制器以及風電場的遠程監控系統進行連接，建構集成控制體系。除此之外，變流器配電系統還提供雷擊、過流、過壓、過溫保護以及運行狀態實時監控等功能。

變流器屬于整流逆變裝置，具有結構簡單、諧波含量少等優勢，在風力發電機組的轉子側，變流器可以實現定子磁場的定向矢量控制，電網側的變流器則可以實現電網電壓定向矢量控制。

和普通的逆變器或是變流器相比，風電變流器具有四項特點，一是功率密度大，直流側電壓高。二是使用環境惡劣，我國風電場多分布于東北、華北、西北以及沿海地區，其中東北華北氣溫低且溫差大，西北多風沙，沿海空氣濕度大。三是連續工作時間長。在多風的季節，風電變流器一般都需要連續幾個月運行，且始終處于滿負荷運行狀態。四是在運行過程中可能會遭遇陣風、臺風等惡劣天氣。惡劣的運行環境使得風電變流器的設計要求很高，稍有不慎就可能出現問題，影響到風電機組的正常運行。

近幾年來，環保意識的提升以及對于可再生能源的需求使得風電技術獲得了廣泛的關注。隨著功率密度的不斷增加，散熱技術成為一個急需改革的領域，以現有的技術來看，變流器散熱需求遠不能得到滿足。

2 幾種風電機組變流器散熱方案介紹

2.1 一種風能變流器散熱裝置和系統

在風電項目中，變流器的熱設計屬于關鍵技術之一，當前階段大部分項目的熱設計都是從充分散熱、降低熱阻或是降低功率器件升溫的角度切入，很少有考慮到風電變流器中功率器件的使用壽命，這取決于溫度周次，即溫度超出預設正常波動范圍的頻次。簡單來講，風電變流器運行的過程中，其功率器件溫度超出預設正常波動范圍的頻次越高，其壽命周期也就相對越短。單方面考慮散熱會對變流器功率器件的壽命造成嚴重的影響。本段所介紹的風電變流器散熱方法、裝置以及系統實現對風電變流器中功率器件運行中溫度周次的充分考慮，確保了功率器件的壽命。

其散熱方法如下：對變流器所在風電機組的發電功率進行預測;確定風電變流器功率器件在該發電功率下的預期運行溫度，預期溫度的取值為風電變流器中功率器件在發電功率下預期運行溫度的平均值;獲得風電變流器功率器件的實際運行溫度;判斷其實際運行溫度是否超出允許的波動范圍，若超出，則對風電變流器中散熱系統的效率進行調節，直至其實際運行溫度穩定在溫度允許波動范圍之內。若采用水冷散熱系統，則系統散熱效率調節的方法有四種，一是控制散熱系統中外部散熱器風扇的啟停，二是調節散熱系統中水循環泵的工作頻率，三是調節散熱系統中外循環向內循環切換的水路三通比例閥的開度，四是控制散熱系統中水加熱器的啟停。若采用的風冷散熱系統，則系統散熱頻率的調節則是通過控制系統風扇的工作頻率來實現的。

風電變流器的散熱裝置則有四部分構成，一是風功率預測模塊，主要用于預測風電變流器所處風電機組的發電功率。二是運行溫度預測模塊，用于確定風電變流器功率器件的預期運行溫度。三是運行溫度獲取模塊，對風電變流器功率器件的市集運行溫度進行測定。四是控制模塊，用于判斷功率器件的實際運行溫度是否超出允許波動范圍，若是則控制散熱系統調節散熱頻率，若否則繼續運行。

2.2 一種風電變流器機組散熱裝置

近些年來，風電產業一直保持著迅猛發展的趨勢，一些大型風電機組的單機功率已經突破6兆瓦，變流器的運行負荷大幅度提升。而目前被普遍采用的變流器散熱系統多存在散熱效率低的問題，很難有效的滿足大功率工作的需求。基于此，提出了一種全新的風電變流器散熱裝置，通過將水冷和風冷相結合的方式對變流器進行冷卻，使其運行中產生的熱量能夠及時散發出去，通過設置多臺冷卻風扇提高散熱效率。

根據技術方案，該風電變流器散熱裝置主要由冷卻器、導風組件兩部分構成，風機的組件包括固定于冷卻器的板翅式冷卻芯體表面的導風罩，該導風罩上沿著其長度的方向設置有多個導風孔，每個風孔內都安裝有一個風機組件。在導風罩的一側安裝有一個固定接線盒，用于所有風機組件的電纜連接，同時風機組件的電纜表面需要套裝波紋管予以保護。

2.3 一種海上風電變流器的水冷散熱系統

對于海上設置的風場，所處地方的水資源十分豐富，因此多采用水冷的方式對變流器進行散熱。就目前來看，我國海上風能的樁基容量在總風能裝機容量中所占的比例較小。而市場上的風電變流器雖然具有過溫保護功能，但針對變流器運行中的高溫并不具備針對性的解決方案，因此人們研究并提出了一種海上的風電變流器散熱系統，主要用于解決風電變流器運行中過高溫損害使用壽命的問題。

根據技術方案，該散熱系統主要由散熱箱、分流管、雙開門等部件構成。散熱箱內部為中空狀結構，設置有散熱片，箱體右側設置有固定的抽水箱，抽水箱內部設置有水泵，輸泵與高壓水管以及輸水管相連接。而分流管則與此輸水管的下端相連接，分流管下端則與排水管相連接。結合實際運行效果來看，該散熱系統所取得的效益有三方面，一是高壓水管和輸水管的連接可以借助低溫度海水提高散熱系統的效能，對海上風電變流器進行有效降溫。二是采用和變流器系統形狀相吻合的蓄水槽，能夠使低溫海水和變流器系統充分接觸，有效解決了散熱不均勻的問題。三是四個蓄水槽不斷循環，可以持續不斷的對變流器進行降溫。

3 結語

綜上所述，風力發電是未來我國電力領域發展的主要內容，我國風電裝機容量將呈現出持續增長的趨勢，為了更好的適應大功率運行，針對風電變流器運行高溫，應針對性的采取散熱方案措施，提高風電運行的穩定性。

參考文獻

[1]孟建嶺.風力發電機組變流器散熱裝置的設計與研究[D].石河子大學，2020.

[2]陳燕平，蔣云富，忻蘭苑.風電變流器功率組件技術及發展趨勢[J].大功率變流技術，2017（06）：1-9.

[3]白杰.關于風電變流器的技術現狀分析與發展探討[J].科技展望，2016，26（33）：51.

作者簡介

王炳艷（1975-），女，河北景縣人，本科，教授，現任教于包頭職業技術學院，研究方向電氣工程。