風(fēng)電塔筒增加散熱軸流風(fēng)機技改對改善變頻器環(huán)境溫度的分析

Summary：安裝在風(fēng)電機組塔筒底部的變頻器作為風(fēng)電機組的重要部件之一，它的正常運行直接決定風(fēng)電機組是否能正常運行。塔筒底部相對與變頻器來說是一個相對封閉的空間，在變頻器運行的時候會產(chǎn)生大量的熱量，因此塔筒底部良好的通風(fēng)散熱性能對變頻器來說十分重要。本文結(jié)合變頻器熱損耗、通風(fēng)量和工作環(huán)境工況提出六種通風(fēng)散熱改造方案，利用流體力學(xué)分析軟件FLUENT和前處理軟件Gambit軟件建立計算模型進行模擬計算，得出在塔筒平臺下方通風(fēng)口增設(shè)軸流風(fēng)機的最優(yōu)方案，使變頻器環(huán)境溫度有效降低，大幅提高了變頻器運行穩(wěn)定性。Keys：變頻器；功率模塊；散熱改造；風(fēng)冷變頻器。一、塔筒散熱通風(fēng)情況存在的隱患與不足風(fēng)電變頻器內(nèi)部為大功率的電子原件，極易收到工作溫度影響，產(chǎn)品一般要求為0-55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用前應(yīng)考慮留有余地，最好控制在40℃以下，四川南部某風(fēng)電場位于干熱河谷地帶，夏季日照強烈，環(huán)境溫度高，每年4、5月份環(huán)境溫度達到38度以上，由于塔筒通風(fēng)散熱效果不足，造成變頻器運行產(chǎn)生的大量熱量使無法擴散，使風(fēng)機滿負荷運行期間頻繁出現(xiàn)降功率運行甚至故障停機，造成不必要的電量和備件損失。1.1因塔筒通風(fēng)量不足造成機艙艙內(nèi)溫度過高，加速機艙電氣設(shè)備老化，電氣設(shè)備故障頻發(fā)；1.2變頻器運行環(huán)境溫度過高，導(dǎo)致變頻器功率模塊頻繁燒毀；1.3每年4、5月份大風(fēng)天氣時段變頻器運行環(huán)境溫度過高（變頻器環(huán)境溫度45℃以上每升高1度降2%功率，50℃停機）導(dǎo)致降功率運行或停機。二、原設(shè)計采取的措施和不足2.1使變頻器環(huán)境溫度平均溫升達到18℃，變頻器環(huán)境溫度超過設(shè)定運行溫度范圍限值降功率運行或停機（變頻器環(huán)境溫度45℃以上每升高1度降2%功率，50℃停機），同時過高的環(huán)境溫度使頻繁燒毀功率模塊。2.2造成風(fēng)機艙內(nèi)平均溫升達到12℃，機艙電氣設(shè)備故障頻發(fā)；三、塔筒散熱改造方案的確認3.1對塔筒底部散熱統(tǒng)計分析計算采用數(shù)值模擬方法進行，采用計算流體力學(xué)分析軟件FLUENT完成，前處理軟件采用Gambit。將變頻器分為三個柜體，分別是：并網(wǎng)柜、配電柜和功率柜，運行時三個柜體的熱損耗和散熱通風(fēng)量見下表所示。按照實際塔筒門散熱通風(fēng)量為5500m3/h，假定從塔筒門進入塔筒的相對冷空氣對變頻器的熱損耗進行充分散熱冷卻，則理論上的熱平衡溫度為：T=+T0=×1000+35≈45.2℃[1]假定外界環(huán)境溫度為35℃，空氣密度為1.14kg/m^3，空氣的比熱容為1.0x10^3j/kg.°C。3.2建立計算模型塔筒模型包括下部兩段塔筒及相應(yīng)平臺，以及底部平臺和變頻器，不包括電纜和導(dǎo)電軌，也不包括爬梯等部件。該模型塔筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，特別是底部平臺變頻器區(qū)域，為此塔筒內(nèi)部及塔筒壁采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，塔筒外部區(qū)域結(jié)構(gòu)簡單，為此塔筒外部主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。對計算域的網(wǎng)格劃分結(jié)果：calls:1573339;faces:3423467;nodes:437186.3.3數(shù)值模擬結(jié)果對現(xiàn)場實際工況進行模擬分析，對提出的6個改進方案采用環(huán)境溫度為35℃進行模擬計算，模擬的實際工況和改進方案通過模擬環(huán)境溫度為35℃情況下利用軟件計算得出最優(yōu)方案四，即同時在塔筒門上通風(fēng)口和平臺下方通風(fēng)孔進行通風(fēng)，具體計算結(jié)果如下表所示。四、塔筒散熱改造方案的實施4.1散熱軸流風(fēng)機的啟停控制利用原有塔筒平臺上方的軸流風(fēng)機溫控回路進行啟?；芈房刂疲行p少二次控制回路的硬件投入，安裝方式簡單、易操作，同時對原來設(shè)備控制回路不進行改動，提高了設(shè)備的安全可靠和穩(wěn)定性將E002Q4（4-6.3A）空開定值跟據(jù)負載進行設(shè)定，將400V預(yù)留X8端子29、30、31上端與圖二中X8端子25、26、27使用短接排進行并接。軸流風(fēng)機采用4*1㎜2多股銅芯線從X8端子29、30、31下端取電并接入零線與保護接地線，電纜使用硅膠沿底層平臺下表面敷設(shè)至并網(wǎng)柜。4.2散熱軸流風(fēng)機的安裝軸流風(fēng)機采用扁鋼固定與通風(fēng)口塔筒內(nèi)側(cè)法蘭處，使用規(guī)格為600mm×40mm×4m的扁鋼將軸流風(fēng)機固定在通風(fēng)孔法蘭上，使用膠片對軸流風(fēng)機和通風(fēng)孔之間的縫隙進行填充，減少運行使軸流風(fēng)機的晃動，最后在靠塔筒外側(cè)一端的通風(fēng)孔上加上防護用鐵絲網(wǎng)和防護格柵板。塔筒散熱改造后的效果通過塔筒門上和塔筒底部軸流風(fēng)機同步從外向里吹風(fēng)，使變頻器環(huán)境溫度降低4℃以上，降低了高溫季節(jié)變頻器的工作環(huán)境溫度，使變頻器降功率運行和環(huán)境溫度過高停機的故障基本未再出現(xiàn)，同時，通過該改造有效改善變頻器功率模塊及其驅(qū)動、控制板件的工作環(huán)境溫度，大幅降低了變頻器故障率，提高了風(fēng)電機組的安全性和穩(wěn)定性。2018年該風(fēng)電場23臺風(fēng)機進行增加塔筒散熱軸流風(fēng)機技改后，全年未發(fā)生變頻器降功率運行和功率模塊燒壞故障，每年約減少變頻器環(huán)境溫度高降功率運行損失電量約4萬kW.h，費用約2.4萬元，同時改善了變頻器工作環(huán)境溫度，大幅降低了設(shè)備故障率，每年減少變頻器功率模塊損壞備件費用約22.2萬元。風(fēng)電變頻器散熱通風(fēng)改造的建議風(fēng)電變頻器作為風(fēng)電機組功率轉(zhuǎn)換的核心部件，其內(nèi)部主要元件為大功率電力電子元件和電容，這些電氣元件隨著環(huán)境溫度的升高極易出現(xiàn)過溫?zé)龤Ч收?，因此變頻器的運行環(huán)境溫度直接影響著風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行。目前行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組主要采用風(fēng)冷式變頻器，隨著運行時間的推移，設(shè)備逐步老化，其散熱效率逐漸下降，變頻器故障頻發(fā)成為行業(yè)的共同問題。由于風(fēng)電機組變頻器運行時會產(chǎn)生大量的熱量，塔筒底部相對于變頻器來說是一個相對封閉的空間，因此塔筒良好的散熱性能對變頻器來說十分重要，后期對于風(fēng)電機組塔筒散熱通風(fēng)流量設(shè)計選型時應(yīng)對變頻器散熱功耗及當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度進行復(fù)核計算，選擇通風(fēng)流量合適的塔筒軸流風(fēng)機以及安裝位置，保障變頻器設(shè)備安全穩(wěn)定運行。針對運行時間較長的老舊機組，可進一步對變頻器本體散熱進行技改和深度維護，通過換熱鋁板升級銅管式散熱器、散熱硅脂更換與升級、功率模塊擴容、電容更新等方式可進一步提供變頻器散熱效率，這也是今后行業(yè)內(nèi)老舊風(fēng)電變頻器進行散熱改造的發(fā)展方向。Refe