儲能變流器的溫濕度現象分析

周力民，葛玉石，陳城，唐春秀，潘守文

（常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州213025）

0 引言

隨著電網技術的不斷發展和可再生能源大規模接入電網，儲能變流器在輸配電領域發揮著越來越重要的作用，直接影響到供電電網的質量及系統的效率和可靠性[1-2]。儲能變流器內部集成了多種電力電子器件，運行功率較大，如何保障其安全運行成為研究的熱點問題之一。影響儲能變流器安全運行的因素有很多，其中凝露現象引起設備的絕緣閃絡和對零部件的腐蝕是主要的故障類型之一，會降低設備的力學性能和電氣絕緣性能[3-4]。凝露現象是指氣體達到露點溫度時產生的液化現象，主要取決于空氣的溫度和濕度[5-8]。因此，研究柜體內的溫度、濕度分布規律至關重要。

目前針對開關柜的溫度分布特性進行研究分析，從而優化產品散熱性能的研究較多[9-12]。但是針對儲能變流器，同時討論其溫度場和濕度場分布的研究較少。

因此，本文構建儲能變流器的有限元數值模型，對柜體內的溫濕度現象進行研究分析。首先對柜體內的流場分布進行研究分析，確定加熱器應安置于柜頂出風口附近。然后對比分析不同加熱器功率條件下，柜體內的溫度和相對濕度變化情況。最后在試驗平臺上測試儲能變流器中IGBT的溫度大小，驗證了數值模型的可靠性。

1 儲能變流器數值模型

儲能變流器三維結構如圖1所示。柜體內部集成了多種大功率電力電子器件，為了滿足設備的散熱需求，柜體前后門、柜體頂部均開有通風口，柜體內部集成散熱風機。當風機進行工作時，空氣從下部進風口處進入，流經柜內器件，從頂部的出風口散出，從而帶走柜內元器件的熱量。

為了保證柜體內的元器件在正常溫度范圍內安全運行，必須降低柜體內的溫度。但是當柜體外的高溫高濕氣體進入柜內，遇到低溫元器件，又可能會達到露點溫度，從而產生凝露現象，影響設備的安全運行。所以往往需要在柜體內安置加熱器，提高氣體的露點溫度來避免凝露現象的發生。因此，如何選擇加熱器的功率并確定合適的安裝位置，既保證設備工作在安全的溫度范圍，又避免凝露現象的發生，對設備的整體安全運行至關重要。

為了解決上述問題，本文基于有限元數值分析軟件，構建儲能變流器的溫濕度分布數值模型。分析加熱器的最佳安置位置和功率大小對柜體內的溫度和濕度分布的影響，從而確定最佳的加熱器安裝位置和功率大小。

1.1 流場數學模型

柜體內的流場分布計算選擇“湍流k－ε”模塊，穩態數學模型描述為[13-14]：

圖1 儲能變流器結構示意圖

式中：ρ為密度；u為速度；p為壓力；I為單位矩陣；μ為流體動力黏度；T為溫度；F 為體積力矢量；k為流場動能；ε=ep為流場耗散率；Cμ為熱容量；Cε1、Cε2、σk為經驗常數。

1.2 傳熱數學模型

儲能變流器需進行柜體內外的熱量和水汽交換，選擇“傳熱”模型，空氣類型為濕空氣，瞬態數學模型描述為[15-16]

式中：Cp為熱容量；q為散熱量；Q為熱源；k為導熱系數。

1.3 構建數值模型

基于有限元數值分析軟件，建立儲能變流器的溫濕度場數值模型，依次進行如下設置：

1）選擇三維空間維度。

2）在傳熱模塊中選擇“共軛傳熱”物理場接口。

3）構建儲能變流器三維幾何模型，主要包括電抗器、柜體、阻尼電阻、風道、風扇、IGBT、加熱器、進風口、出風口及空氣求解域，結構如圖2所示。

4）在材料選項中設置儲能變流器各部分材料屬性，包括設置空氣、結構鋼、銅、鋁合金、硅材料等。

5）在傳熱物理場接口中，空氣類型為濕空氣。設置對稱邊界條件，并設置柜體、散熱片和風道的厚度。設置邊界熱源和體熱源。環境溫度設置為22 ℃，相對濕度90%，柜體的導熱系數設置為10。

6）在湍流物理場接口中，設置對稱邊界條件，并設置入口、出口和內壁邊界條件，并根據風機的靜壓曲線數據，設置內部風扇邊界條件。

7）在多物理場耦合接口中，選擇非等溫流動，耦合湍流模型和傳熱模型，實現散熱和溫濕度場的數值計算。

圖2 儲能變流器三維模型

8）進行網格剖分，選擇極細化網格，最大單元尺寸為25 mm，并在局部加密網格。

9）計算求解，分別進行穩態和瞬態的分析，計算儲能變流器內的流場、溫度場和濕度場分布。

2 結果分析

基于上述方法構建了有限元分析數值模型，首先對柜體內的流場計算結果進行分析，得到柜體內的流場分布，從而確定加熱器的最佳安裝位置。然后分析不同功率加熱器對IGBT的溫度和柜體內相對濕度的影響，選擇市面上常用的加熱器，功率分別設置為0 W、50 W、100 W、150 W、200 W，分析后確定加熱器的最佳功率。

2.1 柜體內流場結果分析

風道內的風扇進行工作時，柜體內的靜止空氣開始運動。冷空氣從柜體前后門的進風口處不斷進入柜體，流經柜內元器件，最后從頂部出風口處流出，從而帶走柜內熱量。柜體內的流場分布結果如圖3所示。為了便于對比，圖中僅給出沿y軸方向的流速。

從圖3可以看出，風扇所在的風道內，空氣流速最快，能夠快速帶走IGBT的熱量，并從風道頂部的出風口2處流出。但是阻尼電阻頂部的出風口1并未起到出風作用，冷空氣反而會從頂部流入，與風道出風口2形成一個動態循環。因此，當冷空氣從阻尼電阻處的空氣進入柜體后，會降低柜體上部分的溫度，從而導致柜體下部加熱后的空氣遇冷凝結，產生凝露現象。所以，加熱器應安置于阻尼電阻處的出風口1附近，與阻尼電阻一起加熱冷空氣，從而降低設備的凝露風險。

圖3 柜體內流場分布

2.2 加熱器功率影響分析

上節確定了加熱器的安裝位置，本節進一步討論加熱器功率對柜體內的溫濕度影響。儲能變流器內的核心元器件IGBT易發生高溫燒毀，因此對IGBT的溫度進行分析對比。風扇置于風道下側，起到散熱降溫作用。同時IGBT具有較大發熱量，又會導致風道內的溫度較高。所以風道內的濕度變化規律不明顯，需要同時對比分析風道內的相對濕度和柜體內的相對濕度變化情況。

加熱器功率為0 W時，柜體內的溫度分布如圖4所示。

由圖4可知，柜體內的溫度主要集中于柜體下部的電抗器，柜體上部溫度較小。但是由于IGBT 為 易 燒 毀 部件，需要監測其溫度。IGBT的A相、B相、C相溫度如表1所示。

圖4 柜體內溫度分布

表1 不同加熱器功率下的散熱器溫度 ℃

由表1可知，隨著加熱器功率的增加，IGBT的溫度逐漸上升，但是變化幅度不超過1 ℃，影響較小。即使用較大功率的加熱器來避免柜體內冷凝現象的發生，設備仍然運行在安全的溫度范圍內。

加熱器功率為0 W時，柜體內的相對濕度分布如圖5所示。

由圖5可知，靠近電抗器部分的相對濕度較小，隨著遠離電抗器，相對濕度逐漸增大，即空氣溫度越高，凝露發生的概率越低。不同功率加熱器條件下，柜體內的相對濕度和風道內的相對濕度變化如圖6和圖7所示。

圖5 柜體內相對濕度分布

圖6 柜體內相對濕度變化

圖7 風道內相對濕度變化

通過圖6對比可以看出，隨著時間的推移，柜體內的相對濕度越來越低，即發生凝露的概率越來越低。加熱器功率為150 W時，效果最好，100 W次之，0 W和50 W效果最差，但是100 W和150 W效果相差不大。

通過圖7對比可以看出，隨著時間的推移，加熱器功率為0 W、100 W、150 W時，風道內的相對濕度越來越低。功率為50 W和200 W時，相對濕度含量波動較大。通過結果可以看出，加熱器功率為100 W和150 W時，相對濕度含量下降明顯。

通過以上對比得知，加熱器功率為100 W和150 W時，效果最好，且兩者效果相差不大，考慮經濟性，選擇加熱器功率為100 W 為最佳功率的加熱器。

3 試驗驗證

為了驗證上述計算結果的可靠性，在某大型電力設備公司的試驗平臺內進行溫度測試。考慮到加工制造誤差，取4臺儲能變流器進行試驗，環境溫度為21.2℃。儲能變流器以滿功率運行，使用PT100溫度傳感 器 測 量IGBT的溫度。IGBT 的數值模型計算的溫度與實測溫度如表2～表5所示。

通過2～表5試驗數據對比可以看出，本文的數值模型計算結果與實測結果誤差不超過±10 ℃，驗證了數值模型的可靠性。

4 結論

本文基于有限元數值分析軟件建立儲能變流器的溫濕度數值模型，分析加熱器安放位置和加熱器功率對柜體內溫度和濕度的影響。結果表明，加熱器功率變化對IGBT的溫度影響較小。且加熱器安放于柜頂出風口附近，功率大小為100 W時，防凝露效果最好。最后在試驗平臺進行溫度測試試驗，驗證了數值模型的可靠性，對儲能變流器的結構設計具有一定的指導意義。

表2 試驗樣機1溫度對比 ℃

表3 試驗樣機2溫度對比 ℃

表4 試驗樣機3溫度對比 ℃

表5 試驗樣機4溫度對比 ℃