王 超 漫自強(qiáng) 徐 峰 蔡 恒

水冷靜止變頻器的研究與設(shè)計(jì)

王 超1漫自強(qiáng)2徐 峰2蔡 恒1

（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）

通過(guò)分析靜止變頻器的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出水冷型靜止變頻器的應(yīng)用需求。該靜止變頻器核心設(shè)計(jì)包括緊湊型閥組和水冷系統(tǒng)兩部分，文中首先介紹了緊湊型閥組設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，其次介紹應(yīng)用于靜止變頻器的水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后通過(guò)仿真對(duì)散熱器流量進(jìn)行匹配計(jì)算，保證各元器件的可靠運(yùn)行。

靜止變頻器；閥組；水冷系統(tǒng)；散熱

0 引言

抽蓄電站在保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。為實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組平穩(wěn)起動(dòng)，一般采用靜止變頻器（static frequency converter, SFC）[1]。它通過(guò)調(diào)節(jié)自身頻率帶動(dòng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)并使機(jī)組達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)[2]。站內(nèi)采用的SFC可分為風(fēng)冷和水冷兩種。相較于風(fēng)冷SFC，水冷SFC晶閘管散熱器散熱效率更高，具有容量大、體積小的特點(diǎn)，便于SFC屏柜室的布置與現(xiàn)場(chǎng)施工。其水冷散熱方式在避免大功率風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲的同時(shí)，可將擴(kuò)散到機(jī)柜室內(nèi)的熱量控制在5%～10%以?xún)?nèi)，利于機(jī)柜室內(nèi)溫度控制，大大優(yōu)化了工作環(huán)境。然而目前在運(yùn)行的抽蓄電站中，水冷SFC均為國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，存在價(jià)格昂貴、檢修維護(hù)困難、技術(shù)服務(wù)不便等弊端，不利于站內(nèi)運(yùn)維。因此，研制國(guó)產(chǎn)化的水冷SFC十分必要。

1 水冷型SFC工作原理

1.1 SFC工作原理

靜止變頻器根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以逐漸升高的頻率交替向發(fā)電機(jī)定子某兩相通入電流，產(chǎn)生超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用生成加速力矩將轉(zhuǎn)子加速到指定轉(zhuǎn)速[3]。如圖1所示，控制機(jī)側(cè)變流器晶閘管的順序?qū)ê蛽Q向，保證在定子兩相繞組中流通的直流電流d產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)s總是超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)f。作為一種自控式同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確觀測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置作為逆變橋換相依據(jù)[4]。與此同時(shí)，由于晶閘管是半控型器件，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，同步電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)無(wú)法滿(mǎn)足晶閘管關(guān)斷需求，需采用脈沖換相方式[5]。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于10%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)幅值升高，可采用負(fù)載換相方式[6]。

圖1 SFC基本工作原理

1.2 水冷系統(tǒng)原理

靜止變頻器運(yùn)行過(guò)程中，晶閘管產(chǎn)生大量熱量，通過(guò)水冷散熱方式，可高效、快速地帶出熱量，水冷系統(tǒng)流程圖如圖2所示，水冷系統(tǒng)包含內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩個(gè)回路[7]。在內(nèi)循環(huán)回路中，主循環(huán)泵提供適當(dāng)壓力，使冷卻介質(zhì)流經(jīng)晶閘管散熱器件，并將晶閘管中的熱量帶走[8]。經(jīng)過(guò)板式換熱器，內(nèi)循環(huán)回路中的冷卻介質(zhì)熱量傳遞到外循環(huán)回路冷卻介質(zhì)中。內(nèi)循環(huán)回路中的冷卻介質(zhì)溫度降低再次流入晶閘管散熱器中，形成閉式循環(huán)[9]。在外循環(huán)回路中，板式換熱器的熱量通過(guò)冷卻介質(zhì)回流到抽蓄電站水源，由于水源體量巨大，自然冷卻即可實(shí)現(xiàn)外循環(huán)冷卻介質(zhì)重復(fù)利用。此外，為了保證冷卻系統(tǒng)容量穩(wěn)定、保護(hù)靜止變頻器的冷卻管路以及滿(mǎn)足電氣運(yùn)行要求，在內(nèi)、外循環(huán)回路中均需要加入過(guò)濾器、去離子支路、穩(wěn)壓支路等[10]，提高冷卻介質(zhì)質(zhì)量。

圖2 水冷系統(tǒng)原理圖

2 水冷型SFC緊湊型閥組設(shè)計(jì)

本次提供的緊湊型閥組以12-6脈動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)依據(jù)，在外形尺寸、檢修維護(hù)及可靠性方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，目的是應(yīng)對(duì)小空間、設(shè)備改造、定期維護(hù)等需求。

2.1 整體布局概述

如圖3所示，本方案從左至右依次為控制柜及水冷柜、網(wǎng)橋柜、直流電抗器柜、機(jī)橋柜。進(jìn)線(xiàn)電纜從網(wǎng)橋柜底部接入，通過(guò)銅排轉(zhuǎn)接至直流電抗器柜和機(jī)橋柜。布局中，控制柜及水冷柜背靠背布置，可節(jié)省橫向尺寸、并使柜體寬度保持一致。

圖3 SFC整體平面布局圖

按照該布局，設(shè)備整體二次控制部分集中在控制柜內(nèi)，與功率器件部分間隔遠(yuǎn)，提高了操作的安全性。網(wǎng)橋柜、直流電抗器柜與機(jī)橋柜為三聯(lián)柜，柜間接線(xiàn)及水路預(yù)先安裝，減少現(xiàn)場(chǎng)工作。

2.2 閥組布置及緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體布局中，閥組的尺寸及出線(xiàn)位置決定了網(wǎng)橋柜與機(jī)橋柜的走線(xiàn)方式。在滿(mǎn)足檢修、維護(hù)的基礎(chǔ)上，減小閥組尺寸、合理布置閥組高度可增大柜內(nèi)走線(xiàn)空間，提高電氣安全裕度。閥組在機(jī)橋柜與網(wǎng)橋柜內(nèi)均為三層布置，分別對(duì)應(yīng)A、B、C三相。

單個(gè)閥組包括晶閘管、散熱器、晶閘管控制單元、電阻、電容、加壓裝置及其他輔助結(jié)構(gòu)件。閥組作為完整模塊可進(jìn)行單獨(dú)安裝和拆卸。如圖4所示，閥組為三層結(jié)構(gòu)。晶閘管、散熱器、加壓裝置與輔助結(jié)構(gòu)件構(gòu)成的硅堆位于閥組中層，電阻及電容布置在閥組上層。根據(jù)各器件在現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)頻次及難度，將需要水冷卻的電阻布置在閥組前側(cè)，電容布置在后側(cè)，便于電阻年檢及水接頭更換。電阻與硅堆高度方向預(yù)留90mm的空間，便于拆裝電阻底部的固定螺釘。晶閘管控制單元布置在閥組下層，通過(guò)硅堆的散熱器翅片固定并取晶閘管陰極電位。晶閘管控制單元光纖插口朝外，接線(xiàn)端朝內(nèi)，方便光纖的現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)。晶閘管壓接力135kN，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1972—2016選取承載力、剛度較大的A系列碟簧，計(jì)算單片碟簧工作狀態(tài)壓縮量為2.35mm。為確保檢修時(shí)有足夠空間取出晶閘管定位銷(xiāo)，須確保加壓機(jī)構(gòu)加壓前后約有10mm的伸縮量，故碟簧片數(shù)定為4片，此時(shí)伸縮量為9.4mm。電阻、電容固定用安裝板采用環(huán)氧玻璃布層壓板，具有較低的吸濕性和較高強(qiáng)度，防止晶閘管級(jí)間爬距在濕度較大環(huán)境失效。電阻外表面包覆PVDF外殼，絕緣能力強(qiáng)。各級(jí)電容之間的安裝板上開(kāi)槽，增大電容間 爬距。

圖4 硅堆及閥組布置圖

2.3 閥組水路設(shè)計(jì)

水冷型SFC采用純水對(duì)散熱器冷卻的方式間接冷卻晶閘管和電阻。每個(gè)散熱器均設(shè)置有一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口。圖4中，閥組前方橫向安裝一根進(jìn)水管和一根回水管，并根據(jù)散熱器位置開(kāi)設(shè)有水嘴。進(jìn)水管水嘴通過(guò)四氟管連接到散熱器進(jìn)水口，回水管水嘴連接到散熱器出水口，形成散熱器水路循環(huán)。為減小水路流阻，確保電阻散熱效果，電阻與散熱器水路采用并聯(lián)方式。進(jìn)水管、回水管單獨(dú)開(kāi)設(shè)水嘴對(duì)應(yīng)電阻，通過(guò)四氟管連接到電阻進(jìn)、出水口，形成電阻水路循環(huán)。

網(wǎng)橋柜、機(jī)橋柜中，閥組按照A、B、C三相對(duì)應(yīng)關(guān)系布置在同一高度、同一深度。該特點(diǎn)使柜內(nèi)主水管彎頭減少、布局精簡(jiǎn)。為降低閥組水路最高點(diǎn)，避免水管對(duì)水冷系統(tǒng)形成負(fù)壓導(dǎo)致氣體聚集，主水管均從柜體底部接入閥組，頂部閥組支路水管即為設(shè)備水位最高點(diǎn)。

3 水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力電子裝置在工作中所產(chǎn)生的熱量，將導(dǎo)致大功率半導(dǎo)體器件溫度逐漸升高[11]，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)纳岽胧涂赡苁勾蠊β拾雽?dǎo)體器件的溫度超過(guò)所允許的最高結(jié)溫，從而導(dǎo)致其性能惡化以致?lián)p壞。為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，需要安裝各種形式的散熱器，如型材散熱器、熱管散熱器及水冷散熱器等，將半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速帶走。

3.1 靜止變頻器散熱技術(shù)現(xiàn)狀

目前靜止變頻器主要采用風(fēng)冷對(duì)發(fā)熱電子器件進(jìn)行冷卻。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，風(fēng)冷室內(nèi)散熱對(duì)周?chē)h(huán)境溫度影響大、暖通要求高；同時(shí)風(fēng)冷開(kāi)放式散熱結(jié)構(gòu)不利于柜體對(duì)粉塵、水汽防護(hù)；此外，風(fēng)冷的散熱效率較低，風(fēng)冷型SFC產(chǎn)品屏柜尺寸較大，對(duì)地下廠房布置空間要求較高。相較于風(fēng)冷散熱，水冷散熱具有噪聲小、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，在大容量靜止變頻器的工程實(shí)施中備受青睞。

3.2 運(yùn)用于水冷型SFC的冷卻系統(tǒng)特點(diǎn)概述

由于SFC間歇起動(dòng)的特點(diǎn)，采用水冷方式散熱需控制冷卻介質(zhì)的電導(dǎo)率及防止器件凝露，避免器件放電、短路引起的嚴(yán)重危害。水冷型SFC設(shè)備通過(guò)對(duì)內(nèi)水冷系統(tǒng)定時(shí)起動(dòng)方式，解決靜止變頻器電導(dǎo)率高及凝露問(wèn)題，確保靜止變頻器在短時(shí)工作制下滿(mǎn)足隨起隨用的要求。定時(shí)起動(dòng)通過(guò)定時(shí)起動(dòng)內(nèi)循環(huán)水泵，監(jiān)測(cè)整個(gè)內(nèi)循環(huán)冷卻水中的電導(dǎo)率及溫度。監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率作為去離子支路起動(dòng)判據(jù)，監(jiān)測(cè)水溫作為內(nèi)水冷加熱器及外水冷三通閥工作判據(jù)，確保靜止變頻器電導(dǎo)率及水溫始終滿(mǎn)足運(yùn)行需求，達(dá)到靜止變頻器可以隨時(shí)起動(dòng)機(jī)組的目的。

3.3 運(yùn)用于水冷型SFC的冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

按照冷卻系統(tǒng)工作特點(diǎn)，在達(dá)到定時(shí)起動(dòng)條件時(shí)，其工作過(guò)程如圖5所示。系統(tǒng)每隔一段時(shí)間起動(dòng)主循環(huán)泵并根據(jù)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率和水溫進(jìn)行動(dòng)作。電導(dǎo)率高則起動(dòng)去離子支路，水溫低則起動(dòng)電加熱器并減小三通閥開(kāi)度，直到冷卻水的電導(dǎo)率及水溫回到正常值。此時(shí)，關(guān)閉去離子支路和電加熱器，主循環(huán)泵停止。

如圖6所示，在靜止變頻器出水端設(shè)置電導(dǎo)率變送器，靜止變頻器的出水端和進(jìn)水端均設(shè)置溫度變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率和水溫并上傳至水冷控制柜。出水端的溫度變送器監(jiān)測(cè)出水溫度，溫度過(guò)高時(shí)，說(shuō)明靜止變頻器內(nèi)功率器件或管路發(fā)生異常，系統(tǒng)報(bào)警并停止工作。出水端電導(dǎo)率變送器監(jiān)測(cè)冷卻液流經(jīng)散熱器后的電導(dǎo)率，當(dāng)達(dá)到水冷控制柜設(shè)置的定值時(shí)，控制柜發(fā)出信號(hào)起動(dòng)去離子支路，在冷卻液再次循環(huán)入散熱器前去離子。靜止變頻器內(nèi)冷卻液的溫度最低點(diǎn)位于進(jìn)水端，即該位置易發(fā)生凝露。故設(shè)置入水端溫度變送器監(jiān)測(cè)并上傳水冷控制柜。當(dāng)溫度低于定值時(shí)，控制柜發(fā)出信號(hào)控制三通閥開(kāi)度以減小板式換熱器換熱效率并打開(kāi)電加熱器，使冷卻液進(jìn)水溫度高于凝露點(diǎn)。

4 晶閘管水冷散熱仿真

閥組采用晶閘管散熱器、電阻相互并聯(lián)的水路對(duì)發(fā)熱器件散熱。在并聯(lián)水路中，各并聯(lián)支路的流阻相等、流量不同，即兩種水路的流量存在匹配關(guān)系。水路流量匹配關(guān)系不合理會(huì)造成一項(xiàng)水路流量滿(mǎn)足散熱需求時(shí)，另一項(xiàng)水路流量嚴(yán)重偏離散熱需求，最終造成水冷總流量的不足或過(guò)剩。通過(guò)仿真計(jì)算，調(diào)整散熱器與水電阻的流阻，可使水路流量關(guān)系達(dá)到合理范圍。

圖5 定時(shí)起動(dòng)流程圖

圖6 靜止變頻器水冷原理圖

4.1 初始條件設(shè)定

電阻為定型產(chǎn)品，按照發(fā)熱功率及進(jìn)水溫度，可查知電阻冷卻流量不低于3.5L/min，流阻為55kPa。

散熱器分低流量型和高流量型兩種，兩種散熱器外形相同。低流量型散熱器內(nèi)部流道截面尺寸4mm×4mm，高流量型散熱器內(nèi)部流道截面尺寸7mm×7mm。散熱器的進(jìn)散熱器水溫50℃，換熱量為2kW，按進(jìn)出水溫升10K確定散熱器設(shè)計(jì)流量為14L/min，其接觸情況如圖7所示。

圖7 散熱器與發(fā)熱元件接觸示意圖

4.2 仿真計(jì)算

圖8、圖9所示分別為低流量型散熱器和高流量型散熱器壓力分布云圖。在流量為14L/min時(shí)，低流量型散熱器流道的進(jìn)出水口壓差為183kPa，高流量型散熱器流道的進(jìn)出水口壓差為58.6kPa。

圖8 低流量型散熱器流道壓力分布云圖

圖9 高流量型散熱器流道壓力分布云圖

該結(jié)果中低流量型散熱器的進(jìn)出口壓差高于水電阻的3倍。若低流量型散熱器與電阻并聯(lián)使用，在散熱器流量達(dá)到14L/min時(shí)，水電組流量遠(yuǎn)高于3.5L/min，將造成流量浪費(fèi)。此時(shí)高流量型散熱器與水電阻的壓差相近，流量匹配情況良好，因此選用高流量型散熱器。

圖10所示為高流量型散熱器表面溫度分布云圖。在流量為14L/min時(shí)，散熱器表面溫度最高點(diǎn)為散熱器中心，溫度值為68.6℃。

圖10 高流量型散熱器表面溫度分布云圖

4.3 仿真小結(jié)

根據(jù)仿真結(jié)果，高流量型晶閘管散熱器與電阻的流阻接近，兩種水路的流量匹配關(guān)系合理。在該匹配關(guān)系下正常使用，晶閘管運(yùn)行溫度滿(mǎn)足使用要求，因此選用高流量型散熱器。

5 結(jié)論

本文介紹了水冷型SFC的設(shè)計(jì)方案及仿真，包括緊湊型閥組及水冷系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)與方案。該水冷型SFC結(jié)構(gòu)緊湊、容量大、維護(hù)方便，符合靜止變頻器的主流發(fā)展和需求，具有廣闊應(yīng)用前景。水冷型SFC的國(guó)產(chǎn)化，可提升抽蓄電站的運(yùn)行容量、優(yōu)化電站運(yùn)維環(huán)境，為風(fēng)冷SFC及國(guó)外水冷型SFC的擴(kuò)容及改造提供了可行方案。

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Research and design of water-cooled static frequency converter

WANG Chao1MAN Ziqiang2XU Feng2CAI Heng1

(1. NR Electric Power Electronics Co., Ltd, Changzhou, Jiangsu 213025; 2. NR Electric Power Electronic Co., Ltd, Nanjing 211102)

By analyzing the application status of static frequency converter, the application requirements of the water-cooled static frequency converter are put forward.The core design of water-cooled static frequency converter includes two parts: compact valve group and water cooling system. Firstly, this paper introduces the design and characteristics of compact valve group. Secondly, the design points of water cooling system applied in SFC are introduced. Finally, the flow of radiator is calculated to ensure the reliable operation of all components through simulation.

static frequency converter; valve; water cooling system; heat radiation

2020-05-22

2020-06-28

王 超（1990—），男，江蘇省蘇州市人，碩士，工程師，主要從事電力設(shè)備設(shè)計(jì)工作。