风电塔筒增加散热轴流风机技改对改善变频器环境温度的分析

风电塔筒增加散热轴流风机技改对改善变频器环境温度的分析

李畅

四川省能投盐边新能源开发有限公司 617112

摘要：安装在风电机组塔筒底部的变频器作为风电机组的重要部件之一，它的正常运行直接决定风电机组是否能正常运行。塔筒底部相对与变频器来说是一个相对封闭的空间，在变频器运行的时候会产生大量的热量，因此塔筒底部良好的通风散热性能对变频器来说十分重要。本文结合变频器热损耗、通风量和工作环境工况提出六种通风散热改造方案，利用流体力学分析软件FLUENT和前处理软件Gambit软件建立计算模型进行模拟计算，得出在塔筒平台下方通风口增设轴流风机的最优方案，使变频器环境温度有效降低，大幅提高了变频器运行稳定性。

关键词：变频器；功率模块；散热改造；风冷变频器。

一、塔筒散热通风情况存在的隐患与不足

风电变频器内部为大功率的电子原件，极易收到工作温度影响，产品一般要求为0-55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用前应考虑留有余地，最好控制在40℃以下，四川南部某风电场位于干热河谷地带，夏季日照强烈，环境温度高，每年4、5月份环境温度达到38度以上，由于塔筒通风散热效果不足，造成变频器运行产生的大量热量使无法扩散，使风机满负荷运行期间频繁出现降功率运行甚至故障停机，造成不必要的电量和备件损失。

1.1因塔筒通风量不足造成机舱舱内温度过高，加速机舱电气设备老化，电气设备故障频发；

1.2 变频器运行环境温度过高，导致变频器功率模块频繁烧毁；

1.3 每年4、5月份大风天气时段变频器运行环境温度过高（变频器环境温度45℃以上每升高1度降2%功率，50℃停机）导致降功率运行或停机。

二、原设计采取的措施和不足

2.1使变频器环境温度平均温升达到18℃，变频器环境温度超过设定运行温度范围限值降功率运行或停机（变频器环境温度45℃以上每升高1度降2%功率，50℃停机），同时过高的环境温度使频繁烧毁功率模块。

2.2 造成风机舱内平均温升达到12℃，机舱电气设备故障频发；

三、塔筒散热改造方案的确认

3.1对塔筒底部散热统计分析计算采用数值模拟方法进行，采用计算流体力学分析软件FLUENT完成，前处理软件采用Gambit。 将变频器分为三个柜体，分别是：并网柜、配电柜和功率柜，运行时三个柜体的热损耗和散热通风量见下表所示。

按照实际塔筒门散热通风量为5500m³/h，假定从塔筒门进入塔筒的相对冷空气对变频器的热损耗进行充分散热冷却，则理论上的热平衡温度为：

T = + T₀ = × 1000 + 35≈ 45.2℃ [1]

假定外界环境温度为 35℃，空气密度为 1.14kg/m^3，空气的比热容为1.0x10^3j/kg.°C 。

3.2 建立计算模型

塔筒模型包括下部两段塔筒及相应平台，以及底部平台和变频器，不 包括电缆和导电轨，也不包括爬梯等部件。

该模型塔筒内部结构较复杂，特别是底部平台变频器区域，为此塔筒内部及塔筒壁采用非结构化网格进行网格划分，塔筒外部区域结构简单，为此塔筒外部主要采用结构化网格进行网格划分。对计算域的网格划分结果： calls: 1573339; faces: 3423467; nodes: 437186.

3.3 数值模拟结果

对现场实际工况进行模拟分析，对提出的 6个改进方案采用环境温度为35℃进行模拟计算，模拟的实际工况和改进方案

通过模拟环境温度为35℃情况下利用软件计算得出最优方案四，即同时在塔筒门上通风口和平台下方通风孔进行通风，具体计算结果如下表所示。

四、塔筒散热改造方案的实施

4.1散热轴流风机的启停控制

利用原有塔筒平台上方的轴流风机温控回路进行启停回路控制，有效减少二次控制回路的硬件投入，安装方式简单、易操作，同时对原来设备控制回路不进行改动，提高了设备的安全可靠和稳定性

将E002Q4（4-6.3A）空开定值跟据负载进行设定，将400V预留X8端子29、30、31上端与图二中X8端子25、26、27使用短接排进行并接。轴流风机采用4*1㎜2多股铜芯线从X8端子29、30、31下端取电并接入零线与保护接地线，电缆使用硅胶沿底层平台下表面敷设至并网柜。

4.2 散热轴流风机的安装

轴流风机采用扁钢固定与通风口塔筒内侧法兰处，使用规格为600mm×40mm×4m的扁钢将轴流风机固定在通风孔法兰上，使用胶片对轴流风机和通风孔之间的缝隙进行填充，减少运行使轴流风机的晃动，最后在靠塔筒外侧一端的通风孔上加上防护用铁丝网和防护格栅板。

5. 塔筒散热改造后的效果

通过塔筒门上和塔筒底部轴流风机同步从外向里吹风，使变频器环境温度降低4℃以上，降低了高温季节变频器的工作环境温度，使变频器降功率运行和环境温度过高停机的故障基本未再出现，同时，通过该改造有效改善变频器功率模块及其驱动、控制板件的工作环境温度，大幅降低了变频器故障率，提高了风电机组的安全性和稳定性。2018年该风电场23台风机进行增加塔筒散热轴流风机技改后，全年未发生变频器降功率运行和功率模块烧坏故障，每年约减少变频器环境温度高降功率运行损失电量约4万kW.h，费用约2.4万元，同时改善了变频器工作环境温度，大幅降低了设备故障率，每年减少变频器功率模块损坏备件费用约22.2万元。

5. 风电变频器散热通风改造的建议

风电变频器作为风电机组功率转换的核心部件，其内部主要元件为大功率电力电子元件和电容，这些电气元件随着环境温度的升高极易出现过温烧毁故障，因此变频器的运行环境温度直接影响着风电机组的安全稳定运行。目前行业内普遍应用的双馈型风力发电机组主要采用风冷式变频器，随着运行时间的推移，设备逐步老化，其散热效率逐渐下降，变频器故障频发成为行业的共同问题。

由于风电机组变频器运行时会产生大量的热量，塔筒底部相对于变频器来说是一个相对封闭的空间，因此塔筒良好的散热性能对变频器来说十分重要，后期对于风电机组塔筒散热通风流量设计选型时应对变频器散热功耗及当地环境温度进行复核计算，选择通风流量合适的塔筒轴流风机以及安装位置，保障变频器设备安全稳定运行。针对运行时间较长的老旧机组，可进一步对变频器本体散热进行技改和深度维护，通过換热铝板升级铜管式散热器、散热硅脂更换与升级、功率模块扩容、电容更新等方式可进一步提供变频器散热效率，这也是今后行业内老旧风电变频器进行散热改造的发展方向。

参考文献：

1. 李渊。兆瓦级双馈式三电平风电变流器关键技术研究. 电子科技大学出版社.2018

2. 蔡旭、张建文、王晗。风电变流技术.科学出版社.2019

作者简介：

李畅（1991--），男，四川省能投盐边新能源开发有限公司、研究方向：风电场运维检修、四川省攀枝花市盐边县红格镇