风力发电机组变流器散热
摘 要：变流器是风力发电系统中的核心部件之一，其运行对整个风力发电机组的运行有着显著的影响。变流器的结构和散热设计是风力发电的关键技术之一。本文将基于风电变流器的基本原理和特点对几种散热方案进行简单的阐述，希望可以为实际风电项目的运行提供一定的参考借鉴。
关键词：风力发电;变流器;散热
DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.323
基金项目：内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目“风力发电机组变流器散热改造技术”（项目编号：NJZY20350）。
在生态环境污染日益严重的背景下，新能源发电受到了越来越多的重视，风力发电是其中的主要类型之一。作为一种新型能源，風能具有可再生、无污染等优点，风电也成为我国继火电和水电之后的第三大能源。风力发电机组中所使用的大型变流器在运行的过程中会产生大量的热损耗，若是不能针对性的采取散热措施，会导致变流器所处的局部空间温度大幅度提高，进而影响到变流器的正常运行。因此对风电机组变流器散热进行研究具有积极意义。
1 风电变流器简述
风电变流器多见于双馈风力发电机中，其主要功能是在发电机转子的转速发生变化时，通过控制励磁幅值、相位以及频率的方式使定子侧能够向电网输入恒频电，它可以根据需要进行有功和无功的独立解耦控制。通过变流器的应用可以是双馈风力发电机组能够实现软并网，确保并网时产生的冲击电流不会对电机以及电网产生负面影响。以现今的技术发展水平，变流器通常具备多种通信接口，用户可以通过这些接口将变流器和系统控制器以及风电场的远程监控系统进行连接，建构集成控制体系。除此之外，变流器配电系统还提供雷击、过流、过压、过温保护以及运行状态实时监控等功能。
变流器属于整流逆变装置，具有结构简单、谐波含量少等优势，在风力发电机组的转子侧，变流器可以实现定子磁场的定向矢量控制，电网侧的变流器则可以实现电网电压定向矢量控制。
和普通的逆变器或是变流器相比，风电变流器具有四项特点，一是功率密度大，直流侧电压高。二是使用环境恶劣，我国风电场多分布于东北、华北、西北以及沿海地区，其中东北华北气温低且温差大，西北多风沙，沿海空气湿度大。三是连续工作时间长。在多风的季节，风电变流器一般都需要连续几个月运行，且始终处于满负荷运行状态。四是在运行过程中可能会遭遇阵风、台风等恶劣天气。恶劣的运行环境使得风电变流器的设计要求很高，稍有不慎就可能出现问题，影响到风电机组的正常运行。
近几年来，环保意识的提升以及对于可再生能源的需求使得风电技术获得了广泛的关注。随着功率密度的不断增加，散热技术成为一个急需改革的领域，以现有的技术来看，变流器散热需求远不能得到满足。
2 几种风电机组变流器散热方案介绍
2.1 一种风能变流器散热装置和系统
在风电项目中，变流器的热设计属于关键技术之一，当前阶段大部分项目的热设计都是从充分散热、降低热阻或是降低功率器件升温的角度切入，很少有考虑到风电变流器中功率器件的使用寿命，这取决于温度周次，即温度超出预设正常波动范围的频次。简单来讲，风电变流器运行的过程中，其功率器件温度超出预设正常波动范围的频次越高，其寿命周期也就相对越短。单方面考虑散热会对变流器功率器件的寿命造成严重的影响。本段所介绍的风电变流器散热方法、装置以及系统实现对风电变流器中功率器件运行中温度周次的充分考虑，确保了功率器件的寿命。
其散热方法如下：对变流器所在风电机组的发电功率进行预测;确定风电变流器功率器件在该发电功率下的预期运行温度，预期温度的取值为风电变流器中功率器件在发电功率下预期运行温度的平均值;获得风电变流器功率器件的实际运行温度;判断其实际运行温度是否超出允许的波动范围，若超出，则对风电变流器中散热系统的效率进行调节，直至其实际运行温度稳定在温度允许波动范围之内。若采用水冷散热系统，则系统散热效率调节的方法有四种，一是控制散热系统中外部散热器风扇的启停，二是调节散热系统中水循环泵的工作频率，三是调节散热系统中外循环向内循环切换的水路三通比例阀的开度，四是控制散热系统中水加热器的启停。若采用的风冷散热系统，则系统散热频率的调节则是通过控制系统风扇的工作频率来实现的。
风电变流器的散热装置则有四部分构成，一是风功率预测模块，主要用于预测风电变流器所处风电机组的发电功率。二是运行温度预测模块，用于确定风电变流器功率器件的预期运行温度。三是运行温度获取模块，对风电变流器功率器件的市集运行温度进行测定。四是控制模块，用于判断功率器件的实际运行温度是否超出允许波动范围，若是则控制散热系统调节散热频率，若否则继续运行。
2.2 一种风电变流器机组散热装置
近些年来，风电产业一直保持着迅猛发展的趋势，一些大型风电机组的单机功率已经突破6兆瓦，变流器的运行负荷大幅度提升。而目前被普遍采用的变流器散热系统多存在散热效率低的问题，很难有效的满足大功率工作的需求。基于此，提出了一种全新的风电变流器散热装置，通过将水冷和风冷相结合的方式对变流器进行冷却，使其运行中产生的热量能够及时散发出去，通过设置多台冷却风扇提高散热效率。
根据技术方案，该风电变流器散热装置主要由冷却器、导风组件两部分构成，风机的组件包括固定于冷却器的板翅式冷却芯体表面的导风罩，该导风罩上沿着其长度的方向设置有多个导风孔，每个风孔内都安装有一个风机组件。在导风罩的一侧安装有一个固定接线盒，用于所有风机组件的电缆连接，同时风机组件的电缆表面需要套装波纹管予以保护。
2.3 一种海上风电变流器的水冷散热系统
对于海上设置的风场，所处地方的水资源十分丰富，因此多采用水冷的方式对变流器进行散热。就目前来看，我国海上风能的桩基容量在总风能装机容量中所占的比例较小。而市场上的风电变流器虽然具有过温保护功能，但针对变流器运行中的高温并不具备针对性的解决方案，因此人们研究并提出了一种海上的风电变流器散热系统，主要用于解决风电变流器运行中过高温损害使用寿命的问题。
根据技术方案，该散热系统主要由散热箱、分流管、双开门等部件构成。散热箱内部为中空状结构，设置有散热片，箱体右侧设置有固定的抽水箱，抽水箱内部设置有水泵，输泵与高压水管以及输水管相连接。而分流管则与此输水管的下端相连接，分流管下端则与排水管相连接。结合实际运行效果来看，该散热系统所取得的效益有三方面，一是高压水管和输水管的连接可以借助低温度海水提高散热系统的效能，对海上风电变流器进行有效降温。二是采用和变流器系统形状相吻合的蓄水槽，能够使低温海水和变流器系统充分接触，有效解决了散热不均匀的问题。三是四个蓄水槽不断循环，可以持续不断的对变流器进行降温。
3 结语
综上所述，风力发电是未来我国电力领域发展的主要内容，我国风电装机容量将呈现出持续增长的趋势，为了更好的适应大功率运行，针对风电变流器运行高温，应针对性的采取散热方案措施，提高风电运行的稳定性。
参考文献
[1]孟建岭.风力发电机组变流器散热装置的设计与研究[D].石河子大学，2020.
[2]陈燕平，蒋云富，忻兰苑.风电变流器功率组件技术及发展趋势[J].大功率变流技术，2017（06）：1-9.
[3]白杰.关于风电变流器的技术现状分析与发展探讨[J].科技展望，2016，26（33）：51.
作者简介
王炳艳（1975-），女，河北景县人，本科，教授，现任教于包头职业技术学院，研究方向电气工程。
