摘 要：變流器是風力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件之一，其運行對整個風力發(fā)電機組的運行有著顯著的影響。變流器的結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計是風力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵詞：風力發(fā)電;變流器;散熱

DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.323

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W技術(shù)研究項目“風力發(fā)電機組變流器散熱改造技術(shù)”（項目編號：NJZY20350）。

在生態(tài)環(huán)境污染日益嚴重的背景下，新能源發(fā)電受到了越來越多的重視，風力發(fā)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(yōu)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(fā)電機組中所使用的大型變流器在運行的過程中會產(chǎn)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(fā)電機中，其主要功能是在發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)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(cè)能夠向電網(wǎng)輸入恒頻電，它可以根據(jù)需要進行有功和無功的獨立解耦控制。通過變流器的應(yīng)用可以是雙饋風力發(fā)電機組能夠?qū)崿F(xiàn)軟并網(wǎng)，確保并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流不會對電機以及電網(wǎng)產(chǎn)生負面影響。以現(xiàn)今的技術(shù)發(fā)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(tǒng)控制器以及風電場的遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行連接，建構(gòu)集成控制體系。除此之外，變流器配電系統(tǒng)還提供雷擊、過流、過壓、過溫保護以及運行狀態(tài)實時監(jiān)控等功能。

變流器屬于整流逆變裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少等優(yōu)勢，在風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子側(cè)，變流器可以實現(xiàn)定子磁場的定向矢量控制，電網(wǎng)側(cè)的變流器則可以實現(xiàn)電網(wǎng)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(cè)電壓高。二是使用環(huán)境惡劣，我國風電場多分布于東北、華北、西北以及沿海地區(qū)，其中東北華北氣溫低且溫差大，西北多風沙，沿?？諝鉂穸却?。三是連續(xù)工作時間長。在多風的季節(jié)，風電變流器一般都需要連續(xù)幾個月運行，且始終處于滿負荷運行狀態(tài)。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(huán)境使得風電變流器的設(shè)計要求很高，稍有不慎就可能出現(xiàn)問題，影響到風電機組的正常運行。

近幾年來，環(huán)保意識的提升以及對于可再生能源的需求使得風電技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注。隨著功率密度的不斷增加，散熱技術(shù)成為一個急需改革的領(lǐng)域，以現(xiàn)有的技術(shù)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(tǒng)

在風電項目中，變流器的熱設(shè)計屬于關(guān)鍵技術(shù)之一，當前階段大部分項目的熱設(shè)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(shè)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(shè)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(tǒng)實現(xiàn)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(fā)電功率進行預測;確定風電變流器功率器件在該發(fā)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(fā)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(tǒng)的效率進行調(diào)節(jié)，直至其實際運行溫度穩(wěn)定在溫度允許波動范圍之內(nèi)。若采用水冷散熱系統(tǒng)，則系統(tǒng)散熱效率調(diào)節(jié)的方法有四種，一是控制散熱系統(tǒng)中外部散熱器風扇的啟停，二是調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)中水循環(huán)泵的工作頻率，三是調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)中外循環(huán)向內(nèi)循環(huán)切換的水路三通比例閥的開度，四是控制散熱系統(tǒng)中水加熱器的啟停。若采用的風冷散熱系統(tǒng)，則系統(tǒng)散熱頻率的調(diào)節(jié)則是通過控制系統(tǒng)風扇的工作頻率來實現(xiàn)的。

風電變流器的散熱裝置則有四部分構(gòu)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(fā)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(tǒng)調(diào)節(jié)散熱頻率，若否則繼續(xù)運行。

2.2 一種風電變流器機組散熱裝置

近些年來，風電產(chǎn)業(yè)一直保持著迅猛發(fā)展的趨勢，一些大型風電機組的單機功率已經(jīng)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(tǒng)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?；诖?，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(jié)合的方式對變流器進行冷卻，使其運行中產(chǎn)生的熱量能夠及時散發(fā)出去，通過設(shè)置多臺冷卻風扇提高散熱效率。

根據(jù)技術(shù)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(gòu)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(shè)置有多個導風孔，每個風孔內(nèi)都安裝有一個風機組件。在導風罩的一側(cè)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(tǒng)

對于海上設(shè)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(tǒng)，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(jù)技術(shù)方案，該散熱系統(tǒng)主要由散熱箱、分流管、雙開門等部件構(gòu)成。散熱箱內(nèi)部為中空狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置有散熱片，箱體右側(cè)設(shè)置有固定的抽水箱，抽水箱內(nèi)部設(shè)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(jié)合實際運行效果來看，該散熱系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)形狀相吻合的蓄水槽，能夠使低溫海水和變流器系統(tǒng)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(huán)，可以持續(xù)不斷的對變流器進行降溫。

3 結(jié)語

綜上所述，風力發(fā)電是未來我國電力領(lǐng)域發(fā)展的主要內(nèi)容，我國風電裝機容量將呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，為了更好的適應(yīng)大功率運行，針對風電變流器運行高溫，應(yīng)針對性的采取散熱方案措施，提高風電運行的穩(wěn)定性。

參考文獻

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作者簡介

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