周力民，張海龍，劉博嘉，劉為群，袁元，丁勇，米高祥

（1.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

0 引言

近年我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，建立了許多示范工程[1]，應(yīng)用場(chǎng)合不斷拓展就帶來(lái)了設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的多樣性[2]，例如高溫高濕環(huán)境、高鹽霧環(huán)境等，如果設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)處理不當(dāng)，會(huì)影響設(shè)備的功能。世界各國(guó)都投入了大量人力、物力對(duì)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行研究[3]。

儲(chǔ)能變流器（PCS）是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件[4]，是將儲(chǔ)能電池接入電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[5]，其在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，優(yōu)良的散熱是保證電子設(shè)備可靠性的關(guān)鍵[6]，尤其是在一些復(fù)雜、嚴(yán)苛的環(huán)境中，其環(huán)境適應(yīng)性及散熱方案的綜合設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。本文提供了一種集成化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的箱式儲(chǔ)能變流器產(chǎn)品方案。為嚴(yán)苛環(huán)境下的大容量風(fēng)冷散熱產(chǎn)品應(yīng)用提供了一種解決方案。

1 箱式儲(chǔ)能變流器產(chǎn)品介紹

集裝箱式電力設(shè)備艙的使用可以有效地優(yōu)化平面布局，并能夠降低建筑面積、減少投資、縮短工期等[7]，近些年來(lái)越來(lái)越受到用戶的青睞。如某日本儲(chǔ)能項(xiàng)目，采用集裝箱式儲(chǔ)能變流器產(chǎn)品方案，集裝箱分為變流艙和升壓艙，變流艙主要包含儲(chǔ)能變流器、通信控制柜等設(shè)備，升壓艙內(nèi)主要包含1臺(tái)升壓變壓器、1臺(tái)輔助變壓器。該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)位于沿海地區(qū)，系鹽霧環(huán)境條件，鹽霧對(duì)金屬設(shè)備的腐蝕直接影響了設(shè)備的性能及使用壽命[8],因此設(shè)備的防鹽霧環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考量。由于變流艙內(nèi)部包含較多金屬元器件和精密設(shè)備，對(duì)環(huán)境要求更為敏感，為保證產(chǎn)品性能，變流艙采用密閉空調(diào)散熱方案。升壓艙內(nèi)主要包含2臺(tái)干式變壓器，無(wú)精密設(shè)備器件，且變壓器的絕緣耐熱等級(jí)為F級(jí)，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，因此升壓艙采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方案。

圖1 箱式儲(chǔ)能變流器產(chǎn)品方案

2 箱式儲(chǔ)能變流器產(chǎn)品方案

變流艙采用一體機(jī)空調(diào)散熱方案，內(nèi)、外通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)分別獨(dú)立，通過(guò)熱交換系統(tǒng)將艙內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到艙外，可以有效隔絕內(nèi)部?jī)?chǔ)能變流器等設(shè)備與外部鹽霧空氣環(huán)境接觸，避免產(chǎn)品、器件等受到腐蝕，同時(shí)該空調(diào)具有除濕功能，控制艙內(nèi)具有理想的溫度和濕度，保證產(chǎn)品良好的運(yùn)行環(huán)境?？照{(diào)本體防護(hù)等級(jí)為IP55，外殼體按照國(guó)標(biāo)GB/T 30790.5-2014《色漆和清漆 防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù) 第5部分:防護(hù)涂料體系》[9]，采取了相應(yīng)的表面防護(hù)涂料體系，可適用于C5-M的高腐蝕性環(huán)境等級(jí)，完全滿足此項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境應(yīng)用條件。

圖2 空調(diào)內(nèi)外循環(huán)示意圖

采用一體機(jī)空調(diào)散熱方案，如何保證艙內(nèi)散熱平衡，避免風(fēng)向亂流、紊流，是一個(gè)需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。傳熱主要有3種不同的方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射，在強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱中，一般忽略輻射和自然對(duì)流散熱的影響[10]，因此主要考慮熱傳導(dǎo)及設(shè)備本體的發(fā)熱量。

變流艙內(nèi)主要熱源為儲(chǔ)能變流器，發(fā)熱量Q1=14200 W，通信控制柜發(fā)熱量Q2=120 W；利用空調(diào)設(shè)置變流艙內(nèi)溫度Tn1=30 ℃，變壓艙內(nèi)最高環(huán)境溫度Tn2=50 ℃，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)戶外最高環(huán)境溫度TW1=40 ℃，由于艙體內(nèi)外溫差存在傳導(dǎo)熱，傳導(dǎo)熱量計(jì)算如下：

艙體側(cè)壁及艙頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)主要由外壁、巖棉、內(nèi)壁3層復(fù)合結(jié)構(gòu)組成，外壁、內(nèi)壁由鋼材制成，厚度分別為δ1=2 mm，δ2=1 mm，中間填充巖棉隔熱材料，厚度δ3=50 mm，鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)λ1=40 W/（m·K）,巖棉導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.04 W/（m·K）。

圖3 變流艙簡(jiǎn)易模型圖

即空調(diào)所需總制冷量約為15 kW，為充分保證儲(chǔ)能變流器安全可靠運(yùn)行，變流艙共選型使用2臺(tái)制冷量為15 kW的掛壁式空調(diào)一體機(jī)，一備一用方案，2臺(tái)空調(diào)的布置位置如圖1所示。

空調(diào)內(nèi)循環(huán)進(jìn)風(fēng)口位于空調(diào)中部，出風(fēng)口位于空調(diào)上部，如圖2所示，儲(chǔ)能變流器進(jìn)風(fēng)口位于柜體下部，出風(fēng)口位于柜體頂部?？照{(diào)與儲(chǔ)能變流器的進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)存在一定的相互干擾、亂流問(wèn)題，影響散熱效果。為了解決這一問(wèn)題，在空調(diào)出風(fēng)口設(shè)計(jì)導(dǎo)流風(fēng)道結(jié)構(gòu)，將空調(diào)出風(fēng)（冷風(fēng)）直接導(dǎo)向儲(chǔ)能變流器背面，便于變流器背面進(jìn)風(fēng)口吸收冷風(fēng)散熱，同時(shí)在儲(chǔ)能變流器頂部出風(fēng)口設(shè)計(jì)導(dǎo)流板，將儲(chǔ)能變流器的出風(fēng)（熱風(fēng)）導(dǎo)向空調(diào)的進(jìn)風(fēng)口，此種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)方案，可以有效避免風(fēng)向亂流、紊流問(wèn)題的發(fā)生，保證產(chǎn)品散熱效果。

圖4 空調(diào)與儲(chǔ)能變流器進(jìn)出風(fēng)口示意圖

圖5 變流艙內(nèi)設(shè)備導(dǎo)流散熱方案

為進(jìn)一步驗(yàn)證變流艙散熱效果，利用仿真軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行散熱仿真分析。首先建立產(chǎn)品仿真模型，根據(jù)產(chǎn)品運(yùn)行工況，對(duì)發(fā)熱器件、發(fā)熱設(shè)備賦予相應(yīng)熱功耗，根據(jù)空調(diào)性能參數(shù)賦予相應(yīng)冷風(fēng)風(fēng)量值、送風(fēng)溫度等，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)最高環(huán)溫不超過(guò)40 ℃，以此溫度設(shè)置為仿真環(huán)溫，2臺(tái)空調(diào)輪換開(kāi)機(jī)1臺(tái)。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，空調(diào)1開(kāi)時(shí)，冷風(fēng)幾乎均被儲(chǔ)能變流器吸收，變流器最高溫度點(diǎn)約為78 ℃，溫升38 ℃左右，滿足產(chǎn)品運(yùn)行性 能 要求?？照{(diào)2開(kāi)時(shí)，多數(shù)冷風(fēng)被儲(chǔ)能變流器吸收，部分冷風(fēng)直接回流至空調(diào)進(jìn)風(fēng)口，變流器最高溫度點(diǎn)約為83 ℃，溫升43 ℃左右，滿足產(chǎn)品運(yùn)行性能要求。

圖6 整體產(chǎn)品仿真模型

圖7 空調(diào)1開(kāi)時(shí)變流艙氣流軌跡圖

圖8 空調(diào)1開(kāi)時(shí)變流艙溫度云圖

圖9 空調(diào)2開(kāi)時(shí)變流艙氣流軌跡圖

圖10 空調(diào)2開(kāi)時(shí)變流艙溫度云圖

升壓艙內(nèi)主要包含2臺(tái)干式變壓器、1臺(tái)主回路升壓變壓器、1臺(tái)輔助供電變壓器，升壓艙內(nèi)無(wú)精密設(shè)備、器件，變壓器絕緣耐熱等級(jí)均為F級(jí)，絕緣耐熱系統(tǒng)溫度為155 ℃，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，因此升壓艙采用高壓頭離心風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方案。同時(shí)為保證升壓艙進(jìn)風(fēng)空氣質(zhì)量，在進(jìn)風(fēng)口處加裝鹽霧過(guò)濾器，通過(guò)不同密度抗水型玻璃纖維濾紙濾網(wǎng)、點(diǎn)狀分隔或熱熔膠分隔技術(shù)，將不同粒徑的氯離子捕捉并攔阻到濾網(wǎng)上[11]，可有效阻止鹽霧環(huán)境對(duì)升壓艙內(nèi)部設(shè)備的影響。

為進(jìn)一步驗(yàn)證升壓艙散熱效果，利用仿真軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行散熱仿真分析。根據(jù)下述仿真結(jié)果可以知，外部冷風(fēng)進(jìn)入艙體，流經(jīng)變壓器時(shí)仍能保持2 ～3 m/s 左右的風(fēng)速，變壓器最高溫度點(diǎn)約為122℃，完全滿足產(chǎn)品運(yùn)行性能要求。

3 結(jié)論

通過(guò)上述方案設(shè)計(jì)、分析可知，大容量風(fēng)冷電力設(shè)備艙，應(yīng)用于沿海高鹽霧地區(qū)、沙塵較嚴(yán)重地區(qū)，當(dāng)艙內(nèi)包含精密設(shè)備、精密器件時(shí)，對(duì)環(huán)境要求更為敏感，為保證產(chǎn)品的散熱性能、防護(hù)性能，密閉空調(diào)散熱是一種較好的解決方案，但需要分析、優(yōu)化空調(diào)進(jìn)出風(fēng)口與設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)向流動(dòng)問(wèn)題，盡量避免風(fēng)向亂流、紊流，充分保證產(chǎn)品的散熱效果。當(dāng)艙內(nèi)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)時(shí)，可考慮采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方案，針對(duì)高鹽霧地區(qū)，可在進(jìn)風(fēng)口處采用鹽霧過(guò)濾器技術(shù)，針對(duì)高沙塵地區(qū)，可在進(jìn)風(fēng)口處采用初效濾棉除塵技術(shù)，保證進(jìn)風(fēng)空氣質(zhì)量，保證產(chǎn)品性能。

圖11 變壓艙空氣流速圖

圖12 變壓艙溫度云圖