风电机组冷却技术研究综述

风电机组冷却技术研究综述

林安

大唐（福州）新能源有限公司 福建省福州市 350000

摘要：现如今，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，风电机组因高温导致的故障停机和安全隐患已经成为制约当前风电行业发展的重要因素。为全面认识风电机组的热管理解决方案，从当前风电机组大型化、规模化、智能化和多元化的发展需求出发，从风冷和液冷的工作原理、技术特点及适应场合等角度全面回顾了风电机组冷却技术的国内外研究现状。在此基础上，借鉴现有电子器件的高效冷却技术，分析讨论了新型冷却技术在风电机组热管理领域应用的可行性，并展望了新一代风电机组冷却技术的未来发展方向。有望为我国发展未来风电机组的新型高效冷却技术提供素材，并可启迪新一代风电机组的热管理技术革新。

关键词：风电机组；冷却；风冷；液冷；回路

引言

冷却液是风电机组变流器冷却系统的唯一传热介质，其流经变流器、外部换热器等重要部件，具有冷却、防腐、防垢以及防冻等作用。冷却液由水、防冻剂和各种添加剂组成 ，尽管添加的缓蚀剂会对与冷却液接触的金属材质起到防腐作用，但不同品牌冷却液对接液金属材质的防腐性能却各不相同。近年来频发风电机组变流器内部散热模块漏液或外部换热器芯体漏液，其原因多数与冷却液防腐性能相关。目前应用于风电行业的冷却液品类繁多，各个品牌冷却液对风电机组变流器冷却系统接液材质的防腐性能是值得研究的问题。为全面认识风电机组的热管理解决方案，本文全面回顾了风电机组风冷和液冷技术的国内外研究现状。 在此基础上，分析讨论了新型冷却技术在风电机组热控领域应用的可行性，并展望了新一代风电机组冷却技术的未来发展方向，进而为未来风电机组的热管理技术革新提供素材和借鉴。

1水冷系统组成与工作原理

水冷系统由热交换设备、电动三通阀、主循环泵、电加热器、膨胀罐、脱气罐、压力温度传感器及电气控制单元等组成，主要有冷却循环系统、测量控制系统。冷却循环系统以主循环泵为动力源。冷却液由循环泵升压后流经空气散热器，经冷却后进入变流器将热量带出，再回到主循环泵，密闭式往复循环。循环管路设置电动三通阀，电动三通阀根据冷却介质温度自动调节经过空气散热器冷却的介质比例。空气散热器将冷却介质带出的热量交换出去。高澜水冷系统选用电动三通阀。电动三通阀分流开度由控制系统开度算法决定：当进阀水温大于２５℃时，且水温有上升趋势，６ｓ前后检测进阀温度差值（６ｓ后进阀温度检测值减去６ｓ前进阀温度检测值），若温差大于０．１℃，则电动三通阀打开１次，直到电动三通阀全开；当进阀水温小于２３℃时，且水温有下降趋势，６ｓ前后检测进阀温度差值，若温差小于－０．１℃，则电动三通阀关闭１次，直到电动三通阀全关。当进阀水温低于１８℃时，电动三通阀处于关闭状态，冷却液通过内循环进行散热，当进阀水温大于２５℃时，若进阀水温有上升趋势，则电动三通阀开始开启，冷却液既通过内循环散热，又通过外部散热器散热；若进水阀温度保持不变，则电动三通阀保持现有开闭状态，当进阀水温为３５℃时，电动三通阀必须全开，冷却液均通过散热器进行散热，同时３个散热扇轮流交替工作以强制散热；若进阀水温小于２３℃，且水温有下降趋势，则电动三通阀开始关闭。水冷系统进入变流器的混合液温度由进阀温度传感器采集，并传递给主控系统。主控程序根据设定的温度值以脉冲形式控制电动三通阀电机动作，使得电动三通阀缓慢打开或关闭，从而精确控制水冷系统温度。

2风电机组冷却技术研究综述

2.1液冷技术

与传统风冷技术相比，液冷技术在散热能力和响应速度上具有显著优势。而且，由于对流换热效能提升，液冷系统的结构更为紧凑，能有效缓解当前风电机组有限机舱空间与日益增长的功耗之间的矛盾。此外，液冷技术允许风电机舱设计为密闭空间，可避免灰尘、颗粒以及盐雾对风电机组（特别是海上风电机组）侵蚀造成的使用寿命和可靠性下降风险。因而，国内外学者针对风电机组液冷技术已开展大量研究。一般而言，液冷技术可分为单相液冷技术和气液相变冷却技术。单相液冷技术在风电机组热管理领域较为常用。发电机、变频器、控制柜以及齿轮箱是风电机组的大功耗部件，因而成为风电机组热管理的重点研究对象。发电机是风电机组的核心部件，除了采用表面风冷散热外，还可以通过空心导体单相液冷进行散热。发电机定子外围的钢壳设计为空心结构，液体通过循环泵进入发电机钢壳中的通道带走发电机产生的热量。此后，高温工质通过外置换热器将热量排散到周围环境中。与外界热交换后，工质降温后再次进入发电机，开始新一轮循环。变频器以及控制柜中大功耗电子器件数量众多且呈非均匀分布特征，因而通常采用液冷板方式进行散热。在变频器、控制柜的电子器件上布置液冷板，同样利用泵驱循环系统将液冷板带走的热量与外循环回路通过板式换热器进行热交换，最终经过机舱外侧的换热器将热量散发到外界环境。需注意的是，单相液冷技术要解决好各液冷板的流量分配、优化设计以及整个液冷系统的流体调控问题。针对同样存在高温风险的齿轮箱，鉴于齿轮箱齿轮机械转动的液体润滑需求，基于润滑油的冷却系统方案应运而生。有趣的是，齿轮箱内含有大量润滑油，因而可以驱动润滑油循环并借助舱内空气进行换热。目前已发展出结合液冷技术以及润滑油循环系统的高效能风电机组冷却方案。

2.2试片材质选择

按照SH/T0085—91及SH/T0088—91的规定，6种典型的冷却液玻璃器皿腐蚀用金属试片为钢试片、黄铜试片、铜试片、铸铁试片、焊锡试片、铸铝试片，涵盖了发动机冷却系统主要材质。风电行业水冷系统流经变流器、外部板翅式换热器、不锈钢管路和泵等重要部件。其中变流器冷板一般采用6063铝合金，板翅式换热器接液材质包含翅片材质3003铝合金、隔板材质4104铝合金、封头材质5052铝合金3种，泵和管路接液材质为316L不锈钢和304不锈钢，传感器接液材质会含有少量铜，若膨胀罐发生破损后冷却液也会与膨胀罐壁面的碳钢材质发生接触，接液材质为碳钢。

2.3概念设计

研究以8X．X型号叶片为例，叶片固化完成后，产品和模具温度达到80℃左右，模具作为定量热源存在，需要冷却降温至55℃以下再进行下一操作工序。冷却系统作为组合体成型，包含动力源、控制系统、冷却通道、后处理器四部分。①在模具内部设计冷却风道，通过传导冷风带走模具热量，达到降低温度目的;②设计轴流风机将冷空气输送至模具冷却通道，保证其循环流动畅通;③在通道出口处设计消音器，对从模具内部排出的空气进行减速和降低噪声处理;④通过温感探头监测各部分温度，集成反馈给控制系统处理，协调风机启停和变频，促使整个系统正常运转。

结语

1）风电机组热管理由“传统化”向“多元化”转变。现有风电机组冷却技术，风冷和液冷技术依然为主流设计，缺乏新型高效冷却技术的主动引入机制。更重要的是，风电机组内部器件种类繁多，其对应的热特性也各不相同，笼统地采取相同冷却方案难以保障器件运行的长期可靠性。这就迫使新一代风电机组的冷却技术研发将根据器件自身热特性，设计“多元化”的冷却方案并进行综合管理。2）风电机组热管理由“散热导向”向“综合热利用”转变。现有风电机组的热设计单纯是为了将风电机组的功耗排散到外界环境中。然而，“十四五”规划指出，为提高能源体系的利用效率，综合能源利用模式是未来能源体系的主流。因而，新一代风电机组的热管理技术将发展风储一体化，利用固液相变储热技术将风电机组的散热转化为可利用的热能，达到节能减排效果。

参考文献

[1]胡青.风电变频器水冷系统的一种流量设计方案[J].水电与新能源，2012，103（4）：68-71.

[2]胡林智.大功率变频器散热控制方法的研究与设计[D].青岛：中国石油大学（华东），2017.