風力發電變流器水冷系統的優化設計

張夢偉

（國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風電有限公司，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

引言

在風力發電機運行的過程中，各個部件會產生熱量，包括發電機、剎車機構、控制變頻器等等，產生熱量的大小與電功率、設備類型、生產工藝有直接關系。為了使發電機可以穩定高效地運行，需要設置與之匹配的冷卻系統，將熱量及時帶走，避免因為熱量過高而影響正常運行。在建設初期，風力發電機組的功率普遍較小，所以發熱量也相對較低，采用有效的通風措施同時結合強制風冷即可達到降溫效果。但隨著風力發電的不斷發展，發電機的容量日益提升，散熱量也就隨之提升，傳統的散熱系統已經無法滿足需求，需要采用水冷系統。在變流器水冷系統設計的過程中，要結合工作環境、常見問題進行設計，保障設計的合理性。

1 水冷系統的工作環境要求

為了獲取更多風力資源，很多風力發電站都建立在高海拔地區，此類發電站水冷系統的工作環境比較特殊，所以對環境的要求也比較高。在高海拔地區，風電機組要求水冷系統的儲存環境溫度在-45～60℃之間。室外運行環境溫度則在-40～40℃之間。水冷柜所在工作環境溫度在-40～50℃之間。要對海拔高度進行控制，不能超過4 km，濕度保持在85%左右。鹽霧環境對水冷系統的工作運行也有一定影響，應該控制在C3-H的等級內。

2 因溫度、氣壓導致的問題

在水冷系統運行的過程中，溫度和氣壓造成的影響較大，可能會導致電加熱器燒壞、壓力系統報警、氣囊破裂和電控邏輯異常等問題。在加熱囊體中，如果沒有水或水不流動，則可能出現電加熱器干燒損壞的情況，為了避免此類情況，通常會設置軟管將加熱器管和膨脹罐連接在一起，并且在頂端安裝排氣閥進行自動排氣，避免水泵運行中出現燒壞加熱器的情況。為了掌握電加熱器的運行情況，應該將加熱器啟動與主泵運行狀態、壓力關聯在一起，在壓力比較低或者水泵不運行的情況下，電加熱器也會停止運行[1]。主泵運行、壓力正常的情況下，電加熱器才會繼續運行。在風電機組水冷膨脹罐內腔頂部安裝氣囊，利用軟管連接循環冷卻管路。在系統運行溫度增加的情況下，冷卻液會熱脹，氣囊被水充滿膨脹，如果沒有及時降低膨脹罐壓力，容易發生氣囊破裂的問題。水冷系統根據壓力分析內部水是否充滿，如果進閥壓力與補氣泵壓力相同，則啟動時需要進行補氣，將膨脹罐氣囊中存儲的水壓縮到水冷系統中，補償微量滲漏、電解揮發失去的水分，保障壓力正常，否則容易出現壓力系統報警的情況。在空氣壓縮泵打開的情況下，出閥壓力下降到0.03 MPa（0.3 bar），證明出閥壓力偏低。如果進閥壓力低于0.01 MPa（0.1 bar），則會發出壓力超低告警。但告警定值設定不合理，對組件設備起不到保護作用，可能出現電加熱器缺水干燒的情況。

3 水冷系統的針對性優化設計

3.1 針對溫度突變的優化設計

國外主流產品普遍采用溫控閥安裝在水泵進水口位置，此類溫控閥可以進行自勵調節。在溫度上升的過程中，水和風冷卻器被導通，進而形成循環。隨著溫度升高，水-風冷卻器流量也不斷增加，而直接回水泵中則減少了流量，最后冷卻介質都在水-風冷卻器中循環。系統溫度的變化波動比較大，采用機械溫度調節閥無法滿足調節需求，應該更換為電動調節。受到內部結構的限制，機械溫控閥很容易出現堵塞的情況，所以最好更換和改進。針對此類問題，可以更換采用電動三通閥，將閥門和空氣換熱器出口管路連接，構成循環管路，對流經空氣換熱器回路熱量進行控制，避免溫度變化過大[2]。根據水溫變化，閥門可以自動調節，通過角度調節達到控制流量比例的效果。如果水溫較低，則對冷卻器件中流出的熱水進行控制，使其不再經過空氣換熱器降溫，而是直接進入主循環泵入口，提升循環水溫。為了控制溫度問題，還要對空氣散熱器翅片進行優化，根據流體性能、設計方案等條件進行篩選，分析風力發電所在區域中的空氣固體懸浮物含量，為了避免出現流道堵塞的情況，應該采用平直型翅片，不宜采用鋸齒型的翅片。在面積相同的情況下，鋸齒形翅片的換熱性能相對較好，但由于采用交錯排列的方式，很容易被風沙、柳絮等異物封堵，進而影響換熱效果，造成溫度升高。所以，要把空氣散熱器翅片更換為平直型翅片。

為了確保水冷系統有足夠的換熱能力，要對水-風換熱設備進行熱負荷測試驗證。采用相應的冷卻介質，在與流量、功率相對應的條件下，在介質穩定之后，對進出水的溫度進行記錄，然后計算平均溫差、傳熱系數等參數。在冷卻容量比額定容量大的情況下，則散熱器與設計要求相符。同時也要對噪音、風量等參數進行測試記錄，全面檢驗系統是否符合要求。

3.2 針對氣壓突變的優化設計

針對壓力突變問題，也可以通過有效的優化設計方案來改進。國外膨脹罐主要采用隔膜式，與安全閥組合在一起，用于緩沖壓力突變問題。膨脹罐中會充入部分氣體壓力，將液壓轉化為彈性勢能并在罐內存儲，使泵出口可以保持穩定的壓力。如果泵出口出現壓力波動的情況，則應該調節膨脹罐內部氣體或儲能，如果系統壓力過高，則安全閥會自動將部分冷卻水排除，從而保障壓力維持正常。由于內部冷卻介質被持續排放出去，很容易出現補水維護周期較短的問題。選擇隔膜式膨脹罐，由于其與冷卻介質直接接觸，很容易污染冷卻液。針對此類問題，可以采用氣泵、電磁閥、氣囊式膨脹罐相互組合的方式來解決，構成緩沖單元，對溫度變化造成的壓力波動、體積變化問題，可以通過釋放冷卻水的方式來配合壓力波動[3]。壓力比較高的情況下，電磁閥自動排氣來釋放壓力；如果壓力比較低，則氣泵啟動調節低壓，確保系統維持在合理的壓力狀態下，從而滿足風速變化等因素帶來的壓力波動問題。該設計可以預防失壓帶來的補壓周期縮短的問題。氣囊式膨脹罐可以分離水汽，內部存儲水分，不需要與罐體直接接觸。

4 結語

在風力發電變流器水冷系統應用的過程中，要對水冷系統的運行環境進行詳細的分析，了解系統中常見的問題。水冷系統通常會受到溫度和壓力的影響，所以從這兩方面入手進行優化設計，解決各種運行問題，保障冷卻效果。