研究风力发电变流器水冷系统的优化设计

研究风力发电变流器水冷系统的优化设计

陈晓冰

中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司  河南省 郑州市  450000

摘要：为解决风电变流器水冷系统由于突然失电而导致变流器不能正常运行的问题，本文在介绍水冷系统基本特征的基础上，提出具体的系统优化设计方案，并经分析与实践验证了该优化设计系统的合理性、可行性与有效性，以期为相关人员提供参考，保证风电变流器水冷系统运行可靠性。

关键词：风力发电；变流器；水冷系统；系统优化设计

    在风电变流器运行过程中，需采用水冷系统进行冷却，但水冷系统会由于不同方面因素的影响而产生一些问题，这就需要在实际工作中在明确系统基本特征的基础上，制定合理可行的优化设计方案，并对该方案予以严格执行，从而保证方案的实施效果，使系统始终处在良好运行状态。

1水冷系统概述

首先需要简述风力发电系统中变流器的重要作用，以及变流器正常工作中发热量大的问题，正常要配置冷却系统，以及冷却系统如果无法正常运行及时冷却变流器，将使得变流器超温等各种情况。

水冷系统主要包含以下几个组成部分：主泵、空冷器、电加热器、电动三通阀、膨胀罐与脱气罐，该系统基本工作原理：变流器的水冷系统中低温冷却水吸收变流器工作产生的热量后，冷却水温度升高，后由主循环泵驱动高温冷却水通过系统管道进入空气冷却器进行冷却换热，完成降温后冷却水再次参与到变流器的冷却过程中，以此往复循环，实现循环冷却目标[1]。

在冷却介质循环过程中，以主泵为动力源，同时也是系统运行的重要基础。空冷器采用大功率风扇冷却从空冷器翅片上流过的冷却介质，以此降低介质温度。为避免冬季温度过低等外界因素对变流器运行造成影响，系统应配备电加热器，以此对冷却介质温度进行有效控制，此外还配备电动三通阀，对进入到变流器当中的冷却介质流量予以有效调节。

为了使冷却回路的压力和流量保持稳定，主泵冷却水的进口部位应配置囊式膨胀罐与脱气罐。在膨胀罐当中预充适当压力，可通过改变囊的形状缓冲介质体积发生的变化。脱气罐和膨胀罐之间采用软管相连，使冷却回路当中存在的冷却介质能够快速脱气，最终使系统运行始终保持在稳定状态。

2系统优化设计

（1）风电场与光伏电站都对低电压穿越提出了明确要求，即便并网点电压产生明显波动时，变流器依旧应确保正常连续并网运行。对于低电压穿越，其要求包括：风电场中的变流器具有在并网点电压跌至20%额定电压时可保持并网运行625ms的低电压穿越能力；风电场并网点电压在发生跌落后2s之内可恢复至额定电压90%时，变流器可以在不脱网的情况下实现连续运行。

如果电网产生波动，则变流器应依然保持正常工作，同时要求变流器冷却系统能够正常运行。因为冷却系统的电源来自主电网，所以电网一旦产生低电压穿越，将无法对冷却系统主泵供电，水冷系统将长期停运，如此将使变流器超温，影响变流器的正常运行[2]。

在水冷控制系统当中，接触器线圈由AC230V进行供电，吸合电压在额定电压的0.8-1.1倍范围内，而释放电压在额定电压的0.3-0.6倍范围内，如果发生低电压穿越，则会使接触器释放，导致设备断路。控制系统的供电从AC220V转为DC24V，其电源模块实际输入电压保持在AC100-240V范围内，如果发生低电压穿越，则会使控制系统因失电而发生停机。

（2）在明确低电压穿越可能对系统造成的不利影响基础上，现在较为主流的厂家大多在进线电源上实施优化，通过采用UPS电源或引入稳定电源从根本上解决停机方面的问题。但这两种方法都存在缺陷，一方面，新增电源体积相对较大，很难在控制柜当中安装，装置的运行和维护都需要投入很高成本，并且该电源还应与供电回路串联，在这种情况下一旦电源发生故障，将使系统失电，降低可靠性。另一方面，在风电场当中很难找到其它外部稳定电源，而且引入的电源无法知晓其安全性。如果由于外部设备发生故障导致电压出现明显的波动，则会给控制系统带来很大危害。对此，需在综合考虑系统技术要求和运行维护成本的情况下，以试验为基础给出具体优化设计方案[3]。

在优化方案当中，进线电源也取自于交流母线，无需增设电源或从外部引入电源，这样能显著降低运维方面的成本，减小系统自身复杂程度。另外，为避免低电压穿越使系统发生停机故障，可考虑配备电源缓冲器，同时并联至配电回路当中。通过这样的操作，如果进线电源发生失电，则控制系统仍然可以保持一段时间的带电，从而避免受到低电压穿越的影响，防止系统因为失电而停机。在系统的实际运行过程中，即便缓冲器发生故障，也不会对系统正常运行造成影响，系统自身运行可靠性得到大幅提升[4]。

（3）在上述优化方案当中，对于电源缓冲器，其失电保持时间主要由负载电流决定，所以需要以上述控制系统配置情况为依据，对电源缓冲器配置情况进行阐述。以西门子Smart系列PLC与其I/O模块为例进行分析，其水冷控制系统在硬件方面配置1套包含通信模块在内的CPU、12路DI、18路DO、5路AI、15个线圈（其中5个为接触器线圈，另外10个为继电器线圈）、12个辅助触点与5个采样传感器。在该控制回路当中，主要元器件的负载电流如表1所示。

表1  主要元器件负载电流

从表1数据可以看出，控制回路中主要元器件总负载电流在1700mA左右，这就要求电源缓冲器的总负载电流也需要打动1700mA。此外，在考虑低电压穿越需要的时间基础上，预留适当余量时间，要求在控制系统进线电源发生失电的情况下电源缓冲器可保证控制系统继续带电运行至少4s。将以上两项主要参数作为基础，选择并配置系统的电源缓冲器[5]。针对不同负载电流，相应的缓冲时间如表2所示。

表2  负载电流与缓冲时间对照

从表2数据可以看出，负载电流和缓冲时间之间的关系为线性关系，同时以控制回路总负载电流为依据可知，缓冲时间在4700ms左右，完全可以满足上述基本要求。另外，如果总负载电流相对较大，同时对时间提出的要求较为苛刻，则该优化方案可采用并联多个缓冲器的方式满足实际运行需求，这样能极大的提升系统配置方便性与合理性[6]。

3结语

    综上所述，在风电变流器当中，水冷系统是一个重要辅助系统，其运行稳定性决定了变流器能否安全稳定的运行。通过对以上优化方案的实施，能使系统在并网点产生低电压穿越的情况下依然保持至少4700ms的时间不失电。就目前来看，该优化方案已经在很多风电场中实现成功应用，结果均表明能确保风电变流器处于稳定运行状态。

参考文献：

[1]蒙元楷,洪春凤,刘建伟,武双兵,符夏颖,罗毅强.水冷系统热交换器户外电源盒可靠性提升及优化[J].山东化工,2019,48(06):92-94.

[2]何贻春,喻秋敏,陈少敏.1.5MW风机水冷变流器机侧IGBT过温故障分析及解决措施[J].自动化应用,2017(03):85-86.

[3]张春玲,吴永智,田红.WT2000双馈异步发电机变流器温升分析及控制方法[J].中国新技术新产品,2016(21):34.

[4]张恩龙,文玉良,冷明全,梁柏友.采用冷水机组辅助冷却的变流器水冷系统试验研究[J].大功率变流技术,2014(05):24-27.

[5]邹档兵,荣智林,翁星方,刘大.TGA16型动车组主变流器水冷系统的设计[J].机车电传动,2014(05):42-45.

[6]姜海涛,李艳丰,李鹤.关于高澜水冷稳压系统的分析与优化设计[J].内蒙古科技与经济,2013(07):87-88+90.