潘守文，唐春秀，張海龍，米高祥，姚 寧，周力民

（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，江蘇 南京211102）

風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但是與傳統(tǒng)能源相比，其穩(wěn)定性不高。在太陽(yáng)能與風(fēng)能具有天然互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)的地區(qū)，引入儲(chǔ)能系統(tǒng)能使風(fēng)光合成出力更好地跟隨負(fù)荷波動(dòng)，平衡兩者之間的能量差值，有效減少系統(tǒng)總成本，提高經(jīng)濟(jì)性[1]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)形式多樣，儲(chǔ)能集裝箱因其具有占地少、建設(shè)快、可移動(dòng)、一體性強(qiáng)等特點(diǎn)，在中小型電站應(yīng)用十分廣泛。集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)將電池系統(tǒng)、交直流轉(zhuǎn)換裝置、升壓裝置及監(jiān)控系統(tǒng)集中放置在一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的集裝箱內(nèi)，多個(gè)產(chǎn)品整體交付給用戶，運(yùn)輸方便且易于安裝[2]。

集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高集成性的特點(diǎn)，也對(duì)系統(tǒng)的散熱能力提出了更高的要求。儲(chǔ)能集裝箱變壓器艙，艙內(nèi)布置有干式變壓器，變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，由于鐵損和銅損存在，變壓器鐵芯和繞組溫度會(huì)不斷上升，運(yùn)行初期溫度上升很快，但隨著變壓器本體溫度的升高，變壓器本體對(duì)周?chē)橘|(zhì)（艙內(nèi)空氣）存在一定的溫度差，這時(shí)鐵芯和繞組會(huì)將一部分熱量傳遞給周?chē)橘|(zhì)，從而使周?chē)橘|(zhì)溫度升高，變壓器本身的溫升速率趨緩。變壓器本體自帶橫流風(fēng)機(jī)將鐵芯、繞組發(fā)熱量散發(fā)到艙內(nèi)，變壓器艙通常采用箱壁風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，將這部分熱量轉(zhuǎn)移到艙外，在此條件下，箱壁風(fēng)機(jī)的選擇及控制策略就顯得尤為重要。

常見(jiàn)的一種箱壁風(fēng)機(jī)溫控策略是將箱壁風(fēng)機(jī)與變壓器本體風(fēng)機(jī)的溫度信號(hào)并聯(lián)，與變壓器本體風(fēng)機(jī)同時(shí)啟停，當(dāng)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度達(dá)到設(shè)備溫升閾值tmax時(shí)，變壓器本體風(fēng)機(jī)與箱壁風(fēng)機(jī)同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度降低到設(shè)備溫升閾值tmax-20℃時(shí)，變壓器本體風(fēng)機(jī)與箱壁風(fēng)機(jī)同時(shí)停機(jī)。該控制策略存在以下問(wèn)題：儲(chǔ)能集裝箱中變壓器運(yùn)行的時(shí)間在大部分應(yīng)用場(chǎng)景下都比較短，此時(shí)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度可能會(huì)低于設(shè)備溫升閾值，此時(shí)變壓器本體風(fēng)機(jī)尚未啟動(dòng)，但是由于變壓器熱輻射的影響，變壓器艙內(nèi)溫度已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)溫度tp，艙內(nèi)其他設(shè)備對(duì)溫度上限有要求的情況下，無(wú)法滿足艙內(nèi)其他設(shè)備正常運(yùn)行的溫度要求。

另一種常見(jiàn)的箱壁風(fēng)機(jī)溫控策略是通過(guò)溫度傳感器、溫度控制器來(lái)控制箱壁風(fēng)機(jī)啟停，當(dāng)變壓器艙內(nèi)環(huán)境溫度高于設(shè)計(jì)溫度tp時(shí)，箱壁風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)給艙內(nèi)排風(fēng)降溫，當(dāng)變壓器艙內(nèi)環(huán)境溫度低于設(shè)計(jì)溫度（tp-10℃）時(shí)，風(fēng)機(jī)停機(jī)。該控制策略存在以下問(wèn)題：變壓器運(yùn)行的時(shí)間較短，其發(fā)熱量小于滿載工況發(fā)熱量，多個(gè)箱壁風(fēng)機(jī)全部同時(shí)啟動(dòng)，增加了儲(chǔ)能系統(tǒng)的自身能耗，箱壁風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后通風(fēng)量達(dá)到最大，噪音高，影響集裝箱過(guò)濾器的使用壽命，同時(shí)由于箱壁風(fēng)機(jī)風(fēng)量大，艙內(nèi)環(huán)境溫度很快會(huì)降至設(shè)計(jì)溫度（tp-10℃）以下，會(huì)造成箱壁風(fēng)機(jī)的頻繁啟停。

基于上述2種常見(jiàn)溫控策略存在的問(wèn)題，本文提出了一種全新的簡(jiǎn)便易實(shí)施的箱壁風(fēng)機(jī)溫控策略，在艙內(nèi)環(huán)境溫度、變壓器低壓繞組溫度滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了降低儲(chǔ)能系統(tǒng)自身能耗、降低噪聲、延長(zhǎng)過(guò)濾器及箱壁風(fēng)機(jī)使用壽命的目的。

1 變壓器艙排風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

儲(chǔ)能系統(tǒng)升壓變壓器常選用干式變壓器，干式變壓器設(shè)備發(fā)熱量較大，且放置在集裝箱箱體內(nèi)，對(duì)變壓器艙排風(fēng)量的影響較大，因此準(zhǔn)確確定變壓器發(fā)熱量對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言顯得尤為重要[3]。本文采用詳細(xì)計(jì)算法計(jì)算變壓器艙所需排風(fēng)風(fēng)量。

某風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目?jī)?chǔ)能集裝箱變壓器艙三維模型如圖1所示，箱體尺寸為3.7 m×2.4 m×2.6 m，其內(nèi)部安裝有1臺(tái)2 800 kVA樹(shù)脂澆注干式變壓器（銅繞組），1套真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組合電器，通風(fēng)方式為自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)，在箱壁背面設(shè)置排風(fēng)口，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)的排風(fēng)作用將集裝箱內(nèi)部的空氣排出箱外，同時(shí)也帶走部分熱量以此來(lái)實(shí)現(xiàn)集裝箱內(nèi)外的氣體交換和熱交換，箱壁正面開(kāi)設(shè)百葉窗自然補(bǔ)風(fēng)，同時(shí)配套粗效慮棉滿足防水、防塵的IP54防護(hù)等級(jí)要求。

圖1 變壓器艙三維模型

室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度（夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度、安徽亳州）ts為31℃；設(shè)計(jì)排風(fēng)溫度（室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度）tp為45℃，變壓器廠家要求艙內(nèi)溫度不高于45℃。

1.1 變壓器艙的余熱量計(jì)算

變壓器的余熱量計(jì)算公式[4]為：

式（1）中：Q變?yōu)樽儔浩鞯挠酂崃?，kW；Pul為變壓器的空載功率損耗，kW；Plo為變壓器的負(fù)載功率損耗（也稱(chēng)為短路損耗），kW。

查閱該項(xiàng)目干式變壓器產(chǎn)品規(guī)格書(shū)可知，SCB11干式變壓器容量為2 800 kVA；變壓器的空載損耗Pul=4.35 kW；變壓器的負(fù)載損耗Plo=23 kW，即Q變=Pul+Plo=27.35 kW。

查閱該項(xiàng)目真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組合電器產(chǎn)品規(guī)格書(shū)可知，每套損耗約500 W，本項(xiàng)目共1套組合電器，則其熱損失Q1=0.5 kW。

其余設(shè)備熱損失忽略不計(jì)，則變壓器艙總余熱量為Q=Q變+Q1=27.85 kW。

1.2 變壓器艙的通風(fēng)量計(jì)算

采用全面排風(fēng)方式消除艙內(nèi)余熱，變壓器艙的通風(fēng)量可按下式計(jì)算：

式（2）中：L為變壓器艙的通風(fēng)量，m3/h；Q為室內(nèi)顯熱余熱量，Q=27.85 kW；ρ為進(jìn)排風(fēng)平均密度，ρ=1.13 kg/m3；Cp為空氣比熱容，取Cp=1.005 kJ/（kg·℃）；Δt為進(jìn)排風(fēng)溫度差，Δt不應(yīng)超過(guò)15℃。

1.3 變壓器艙箱壁風(fēng)機(jī)選擇

某型號(hào)軸流風(fēng)機(jī)曲線如圖2所示，先按照風(fēng)機(jī)靜壓100 Pa，風(fēng)機(jī)風(fēng)量1 680 m3/h選型計(jì)算，則風(fēng)機(jī)數(shù)量為：

圖2 風(fēng)機(jī)曲線

本項(xiàng)目所選干式變壓器本體自帶6個(gè)橫流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1 300 m3/h，共計(jì)7 800 m3/h。綜合考慮箱壁風(fēng)機(jī)與本體風(fēng)機(jī)風(fēng)量的匹配性及一定的設(shè)計(jì)裕度，本項(xiàng)目選用5臺(tái)箱壁風(fēng)機(jī)。

1.4 進(jìn)風(fēng)百葉窗面積確認(rèn)

壓力損失與風(fēng)速關(guān)系式如下：

式（3）（4）中：Δp1為百葉窗壓力損失，考慮濾棉在使用過(guò)程中風(fēng)阻會(huì)逐漸增大，百葉窗壓損取100 Pa；k為阻力系數(shù)，經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試，反推計(jì)算，k=88.75；ρ為空氣密度，取ρ=1.13 kg/m3。

2 變壓器艙風(fēng)機(jī)溫控策略優(yōu)化

變壓器本體風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制：通過(guò)預(yù)埋在低壓繞組溫度最高處的PT100熱敏測(cè)溫電阻測(cè)量溫度。變壓器負(fù)荷增大，運(yùn)行溫度升高，當(dāng)?shù)蛪豪@組溫度達(dá)100℃時(shí)，溫控系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻；當(dāng)?shù)蛪豪@組溫度降至80℃時(shí)，溫控系統(tǒng)自動(dòng)停止風(fēng)機(jī)。

本項(xiàng)目綜合考慮變壓器本體溫升閾值及變壓器艙內(nèi)環(huán)境溫度要求，提出了一種簡(jiǎn)便、易實(shí)施的箱壁風(fēng)機(jī)溫控方案，該方案主要組成包含溫度控制器、溫度傳感器、箱壁散熱風(fēng)機(jī)。溫度控制器是溫度控制的主要器件，溫度傳感器為采集變壓器艙內(nèi)環(huán)境溫度的主要器件，箱壁風(fēng)機(jī)為散熱通風(fēng)設(shè)備，可以單臺(tái)或者多臺(tái)箱壁風(fēng)機(jī)并聯(lián)。當(dāng)變壓器發(fā)熱量較大，使用多臺(tái)箱壁風(fēng)機(jī)并聯(lián)散熱時(shí)，可將箱壁風(fēng)機(jī)分為多組，第一組箱壁風(fēng)機(jī)通過(guò)溫控器1控制啟停，當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度升高到閾值t1時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度降低到閾值t1-5℃時(shí)，風(fēng)機(jī)停機(jī)；第二組箱壁風(fēng)機(jī)通過(guò)溫控器2控制啟停，當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度升高到閾值t2時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度降低到閾值t2-5℃時(shí)，風(fēng)機(jī)停機(jī)；以此類(lèi)推，最后一組箱壁風(fēng)機(jī)通過(guò)變壓器自身的溫控系統(tǒng)控制啟停，當(dāng)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度達(dá)到設(shè)備溫升閾值tmax時(shí)，最后一組箱壁風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度降低到設(shè)備溫升閾值tmax-20℃時(shí)，最后一組箱壁風(fēng)機(jī)停機(jī)，滿足變壓器本體的散熱需求。通常情況下儲(chǔ)能系統(tǒng)變壓器滿載長(zhǎng)期運(yùn)行的工況較少，一般情況下依靠集裝箱內(nèi)溫控器控制箱壁風(fēng)機(jī)即可滿足散熱需求；即使在變壓器滿載長(zhǎng)期運(yùn)行的工況下，箱壁風(fēng)機(jī)全部啟動(dòng)，仍可以滿足變壓器的散熱需求。當(dāng)箱內(nèi)使用單臺(tái)箱壁風(fēng)機(jī)散熱時(shí)，可同時(shí)通過(guò)艙內(nèi)溫控器和變壓器溫控器共同控制箱壁風(fēng)機(jī)的啟停。當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到啟動(dòng)閾值時(shí)，箱壁風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，或者當(dāng)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度達(dá)到設(shè)備溫升閾值tmax時(shí)，箱壁風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度降低到啟動(dòng)閾值-5℃時(shí)，箱壁風(fēng)機(jī)停機(jī)，或者當(dāng)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度降低到設(shè)備溫升閾值-20℃時(shí)，箱壁風(fēng)機(jī)停機(jī)。

以本項(xiàng)目為例，變壓器發(fā)熱量較大，使用5臺(tái)箱壁風(fēng)機(jī)并聯(lián)散熱，可將箱壁風(fēng)機(jī)分為3組，如圖3所示。第一組箱壁風(fēng)機(jī)通過(guò)溫控器1控制啟停，當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度升高到閾值t1=35℃時(shí)，溫度傳感器1輸出溫度信號(hào)至溫控器1，第一組箱壁風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度降低到閾值t1=30℃時(shí)，溫度傳感器1輸出溫度信號(hào)至溫控器1，第一組箱壁風(fēng)機(jī)停機(jī)；第二組箱壁風(fēng)機(jī)通過(guò)溫控器2控制啟停，當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度升高到閾值t2=45℃時(shí)，溫度傳感器2輸出溫度信號(hào)至溫控器2，第二組箱壁風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)艙內(nèi)環(huán)境溫度降低到閾值t2=40℃時(shí)，溫度傳感器2輸出溫度信號(hào)至溫控器2，第二組箱壁風(fēng)機(jī)停機(jī)；最后一組箱壁風(fēng)機(jī)通過(guò)變壓器自身的溫控系統(tǒng)控制啟停，當(dāng)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度達(dá)到設(shè)備溫升閾值tmax=100℃時(shí)，最后一組箱壁風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，滿足變壓器本體滿載運(yùn)行時(shí)的散熱需求，當(dāng)變壓器低壓繞組內(nèi)部最熱處溫度達(dá)到設(shè)備溫升閾值tmax=80℃時(shí)，最后一組箱壁風(fēng)機(jī)停機(jī)。

圖3 溫控策略示意圖

3 結(jié)論

本文對(duì)儲(chǔ)能集裝箱變壓器艙的排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明并對(duì)排風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)排風(fēng)箱壁風(fēng)機(jī)控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了完善的箱壁風(fēng)機(jī)溫控方案，既能保證變壓器艙內(nèi)溫度低于45℃的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求，還可以保證變壓器繞組的溫度低于設(shè)備溫升閾值100℃；通過(guò)溫控器階梯性控制箱壁風(fēng)機(jī)啟停，可以降低系統(tǒng)的自身能耗，降低噪聲；減小散熱風(fēng)量，有效延長(zhǎng)過(guò)濾器的使用壽命。