毛志云　王　艷　姚志國　張　承（許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌　461000）

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基于ICEPAK的SVG功率柜散熱系統(tǒng)分析

毛志云王艷姚志國張承
（許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌461000）

摘要隨著電力電子技術的發(fā)展，SVG以明顯的優(yōu)勢，在風電廠和光伏電廠得到了越來越廣泛的應用，其主要電子元件IGBT的散熱得到越來越多的關注。針對SVG功率柜單柜結構和功率模塊中IGBT的布置，對某10kV/3MW SVG功率柜單柜散熱系統(tǒng)進行了分析。利用ICEPAK分析軟件對SVG單柜在不同風機下的通風散熱過程進行分析，為柜體設計前期風機的選型提供了相應的理論依據(jù)；此外，還討論了柜體風道尺寸調(diào)整對整體散熱效果的影響趨勢。從而借助數(shù)值分析的手段能夠優(yōu)化風機選型，也為柜體風道尺寸的結構設計指明方向。

關鍵詞：SVG功率柜；強迫風冷；散熱模擬；風機選型；風道尺寸

The Cooling System Analysis of SVG Power Cabinet based on ICEPAK

Mao ZhiyunWang YanYao ZhiguoZhang Cheng
（XJ Flexible Transmission System Corporation， Xuchang， He’nan461000）

Abstract With the development of power electronic technology， the advantage of SVG is obvious，SVG has been more and more widely used in the wind power plant and photovoltaic power plant， the radiator of the main electronic component IGBT get more and more attention. According to SVG cabinet structure and the arrangement of power module IGBT on SVG， the cooling system of 10kV/3MW SVG power cabinet is analyzed. The cooling process were analyzed of SVG cabinet is simulated by using finite element analysis software ICEPAK， provide the corresponding theoretical basis for the early stage design of cabinet; In addition， also discussed the influence of cooling effect on the different air duct sizes about the cabinet. To optimize the fan type selection with the aid of numerical analysis， also indicate the direction for the structural design of cabinet air duct size.

Keywords：the power cabinet of SVG; forced air cooling; thermal simulation; fan selection; air duct size

SVG（靜止型動態(tài)無功補償裝置）是20世紀70年代末隨著電力電子技術的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的。SVG集中了微電子技術、智能控制技術和電力電子技術的優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)無源補償裝置相應速度慢、體積大、諧波和損耗的、用材多，易震蕩等缺點。因此取得了廣泛的成果，特別是在風電廠、光伏電廠等領域的應用[1]。

SVG應用范圍越來越廣，這就要求SVG有更高的無功補償能力和容量。隨著其容量增大，電子元件的發(fā)熱量和密度也越來越大[2-3]。IGBT是SVG功率柜的重要電子元件，如果其所產(chǎn)生的熱量不能夠及時的散發(fā)出去，造成熱量的積聚，不但會影響電子元件的運行效率、壽命，嚴重的則會帶來設備的運行事故[4-6]。SVG散熱系統(tǒng)的好壞，直接影響到SVG能否長期穩(wěn)定的運行。因此，合適的風機選型和風道的設計對散熱的影響至關重要。

本文以10kV/3MW SVG為例，利用ICEPAK軟件進行數(shù)值模擬，對SVG功率柜單柜在不同類型風機下的散熱狀況進行分析比較，完成功率柜的風機選型。在此基礎上，調(diào)整風道尺寸進行散熱分析，依據(jù)分析結果對風道尺寸進行優(yōu)化設計，也為柜體的尺寸調(diào)整和降成本指明方向。

1　SVG散熱系統(tǒng)模型

1.1SVG功率柜物理模型

某10kV/3MW SVG功率柜單柜的外形尺寸高×寬×深：2200mm×1400mm×1300mm，每個單柜由1臺風機、12個功率模塊和風道組成，功率模塊的尺寸為305mm×404mm×696mm。模塊中最主要的發(fā)熱元件集中在功率模塊的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）上，每個模塊中布置有一個尺寸為230mm× 310mm×90mm的風冷散熱器、兩個IGBT、電容和控制板卡等。相較于IGBT的發(fā)熱量，考慮到ICEPAK軟件運行的速度，僅對主要發(fā)熱元件IGBT進行分析。ICEPAK中具體建立的物理模型如圖1所示。

1.2換熱模型分析

SVG主要的發(fā)熱元件是IGBT，該項目采用的IGBT單個發(fā)熱量為330W，功率模塊的總的發(fā)熱量為7920W，IGBT最高允許的穩(wěn)定工作的結溫為115℃。

任何熱分析和流場分析都是依賴傳熱學和流體力學這兩大基礎理論，具體的熱傳導方式有導熱、對流換熱和輻射換熱[7-9]。

1）導熱

導熱的基本數(shù)學表達式為

式中，λ為材料的導熱系數(shù)，W/（m. K）；q′′為熱流密度，2

W/m。熱傳導主要是由材料的傳導系數(shù)決定的，而在實際計算中很難得到精確值。

2）對流換熱

對流換熱具體可以用牛頓冷卻方程來描述：

式中，h為對流換熱系數(shù)，2W/（m. K）；Tw為固體表面的溫度，K；Tf為周圍流體的溫度，K。

實際對流換熱是一個復雜的過程，受流體的物性，換熱表面的幾何條件和換熱面的邊界條件等共同影響。

3）輻射換熱

輻射換熱量可以用斯蒂芬-玻爾茲曼定律來計算：

式中，ε為發(fā)射率；σ為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，W/（m2. K4）；A1為輻射面1的面積，m2；F12為1表面對2表面的角系數(shù)；T1、T2為輻射面1、2表面的絕對溫度，K。

結合實際的工況輻射對整個散熱的影響很小，模擬中為了提高計算效率，忽略輻射帶來的影響[10-11]。

2　SVG單個功率柜熱分析

建模時，根據(jù)工程實際進行設置邊界條件，SVG單柜包括6個格柵進風口，每個功率模塊有一個進風口，一個出風口，在與功率模塊對應的風道擋板上開有相應的出風口，柜頂裝有一個風機，在整個計算過程中，忽略輻射換熱。為了保證散熱效果，發(fā)熱元件表面默認為材質(zhì)CU，散熱器的材質(zhì)為AL，邊界主要包括流體邊界和溫度場邊界，具體邊界條件參數(shù)見表1。

表1　邊界條件

2.1風機選型分析

在實際工程中，應根據(jù)實際所需的散熱量進行風機的選型，風機選型偏大，會使風機的實際運行效率下降，造成風機采購成本的增加。選擇風機偏小，則會影響整個柜體的散熱效果，使電子元件長期在一個高溫的狀態(tài)下進行工作，從而會影響電子元件的壽命。在控制設備成本的基礎上，保證設備的長期穩(wěn)定運行，選擇適當?shù)娘L機是至關重要的。根據(jù)實際的工程實踐的分析和經(jīng)驗，對比分析如圖2所示的兩種風機，進行選型。采用ICEPAK軟件，設定風道擋板距柜后290mm時，分別對風機導入如圖2所示的風機曲線，進行數(shù)值分析，兩種風機分析得到的溫度場和速度場如圖3所示。

圖2　風機特性曲線

圖3　不同風機速度場和溫度場

從圖3各個速度場和溫度場可以看出，柜體的正面從上至下都有進風口，盡管受“煙囪效應”的影響，下部的熱風會向上走，但是越靠近風機的位置，風速也越大，這也導致靠近風機的位置，熱源仍能保持相對越低溫度。

經(jīng)過兩種風機對比可知，采用RH45M風機時，IGBT的溫升為37℃，最高風速為11.44m/s；采用RH50E風機時，IGBT的溫升為28.8℃，最高風速為13.54m/s。此仿真考慮環(huán)境溫度為40℃較惡劣的情況，并且在實際運行中IGBT存在一定的冗余，所以采用風機RH45M就能滿足實際工程中的散熱需要。

2.2風道分析

在風機確定的前提下，選擇合適的風道，是影響柜體散熱效果和成本的另一關鍵因素，優(yōu)化風道設計，可以使散熱效果達到最好，又簡化了柜體結構，降低了成本。

分別對柜體在RH45M風機和RH50E風機的工況下進行仿真分析，通過調(diào)整風道尺寸，來改變風道大小，對柜體進行散熱分析，得到不同風道柜內(nèi)的溫升見表2，變化趨勢如圖4所示。

表2　不同風道的溫升值

圖4　溫升曲線

在RH45M風機的工況下，風機直徑為454mm，最小風道距離設置為190mm，依次加大風道尺寸進行仿真分析，在不同的風道尺寸下，柜體的最大溫升值見表1，隨著風尺寸的變化，溫升的變化趨勢如圖3所示。在RH50E風機工況下，風機的直徑為520mm，最小風道距離設置為250mm，依次加大風道尺寸進行仿真分析，在不同的風道尺寸下，柜體的最大溫升值見表1，隨著風尺寸的變化，溫升的變化趨勢如圖4所示。

從圖4（a）可以得到，隨著風道尺寸的增大，在190mm～290mm的變化時，溫升降低速率較快，隨著風道尺寸的繼續(xù)增大，柜內(nèi)最大溫升也在逐漸降低，直至擋板距柜后距離為490mm處出現(xiàn)轉折，此時再繼續(xù)增大風道，導致柜內(nèi)的溫升增大。

從圖4（b）可以得到，風道擋板距柜后距離從250mm到610mm時，隨著風道的增大，柜內(nèi)最高溫升逐漸降低，但是從610mm處繼續(xù)增大風道的尺寸，柜內(nèi)的最高溫升將會增大。

這主要是風道的增大在一定程度上減少了風壓，從而影響了風機的風速，對散熱效果有一定的影響，從而導致柜內(nèi)溫度的升高。

3　結論

通過ICEPAK仿真軟件對單個SVG功率柜的通風散熱過程進行數(shù)值模擬分析，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，選擇RH45M風機就能夠滿足散熱的要求。

采用RH45M風機時，風道擋板距柜后490mm時，散熱效果最好，柜內(nèi)溫升達到最??；采用RH50E風機時，風道擋板距柜后610mm時，散熱效果最好，柜內(nèi)溫升達到最小。因此對比分析柜體在不同的風機下，風道尺寸調(diào)整時，柜內(nèi)最高溫升的變化，從而根據(jù)當?shù)氐膶嶋H環(huán)境和設備的溫升要求，選擇設計相對適合的風道來保證散熱。

另外，該散熱的仿真計算也為以后設計新柜體時風機的選型，風道尺寸設計等提供一個新的理論方向。同時，也可以對現(xiàn)有存在散熱問題的柜體優(yōu)化整改進行指導，從而使設備長期保持安全、穩(wěn)定運行。

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毛志云（1986-），男，河南周口人，碩士，主要從事電力設備結構設計工作。

作者簡介