兆瓦級風電機組高溫氣候應對技術及應用

文 | 劉敏 劉豪 董紅云 龍澤彥

兆瓦級風電機組高溫氣候應對技術及應用

文 | 劉敏 劉豪 董紅云 龍澤彥

由于風力發電設備所處的環境大多是高溫、高原、沙塵等復雜惡劣的環境，設備運行時間越長，各個獨立單元所暴露出來的問題也越多，特別是在高溫、沙塵等復雜環境下，風電機組部件過溫問題越來越嚴重，散熱效果明顯下降，設備可利用率越來越不可觀。所以，解決風電機組部件過溫問題，提升散熱效率，改善散熱系統結構，選擇最佳的冷卻方式顯得尤為重要。

風電機組常用的冷卻方式

一、水-空冷卻

由于水的比熱容大，水冷系統具有換熱效率高、散熱快的特點，成為現在大功率變流器和雙饋式發電機主流的應用技術。系統組成為：驅動液體循環的水泵、水－空冷卻器、連接管件、檢測儀表及冷卻液。原理圖（被冷卻部件為變流器）如圖1所示。

水泵工作后，冷卻水經變頻器、冷卻器組成冷卻水循環回路。水溫低于25℃時，三通溫控閥未打開，冷卻水流經發電機、變頻器和其它換熱管路后，不經過外部冷卻板直接流回泵單元。水溫低于25℃時冷卻介質不通過冷卻板，當冷卻水溫度上升高于25℃溫控閥逐漸打開，水溫超過30℃時溫控閥完全打開，直至最后全部通過冷卻板進行循環回路。

水泵出口設有壓力罐，預充一定氮氣壓力，作用相當于隔膜式蓄能器，正常情況下通過壓力罐把液壓能轉化成彈性勢能儲存起來并維持泵出口壓力的穩定，當系統瞬時需要大流量或泵出口壓力出現波動時候，此時壓力罐釋放之前所儲存的能量參與系統的調節。

水泵集成，是整個系統的動力單元，由電機和水泵組成。水泵入口和出口都設有銅熱電阻PT100，入口處用于檢測發電機和變流器的回水溫度，出口處用于檢測水泵出口的冷卻水溫度。水泵出口設有壓力表，用于實時測量泵出口的壓力值。水泵出口設有壓力繼電器，當冷卻水壓力低于一定值時，壓力繼電器發出低壓報警信號。

水泵出口設有自動排氣閥，當系統中存在氣體時，自動排氣閥會自動排出系統氣體。水泵出口還設有安全閥，當冷卻水壓力超過設定值3 bar 時，安全閥動作，用以維持系統壓力的穩定。水泵出口設有充水球閥，系統正常工作時為常閉，當系統需加注冷卻介質時把球閥打開，連接到外部動力單元往系統管路添加冷卻介質，為系統提供充足的壓力，保證系統長期穩定運行。

測壓接頭，便于測量系統回流的壓力大小，即泵的進口壓力值。

泄壓閥，當系統壓力超過正常工作壓力，達到一個定值時，泄壓閥自動對外釋放，以保護整個系統。水泵集成系統圖見圖2。

二、空－空冷卻系統（圖3）

圖1 變流器水冷卻系統原理圖

空－空冷卻方式是指利用空氣與風電機組設備直接進行熱交換達到冷卻效果，冷卻介質為空氣。空空冷卻器內部軸流風扇電機外觀和發電機軸流式空空冷卻器見圖4和圖5。

空－空冷卻器不需要添加冷卻液，利用空氣換熱，無需考慮冷卻液變質和金屬產生化學反映，結構緊湊、節省材料，制造工藝性好，運行可靠以及安裝、檢修方便等優點。但空氣換熱效率較低，且受環境的影響較大，如空氣溫度變化、雨水沙塵侵蝕等情況，往往需增加一臺甚至多臺軸流風扇提高散熱功率。

風電機組常見的關鍵部件過溫故障問題分析

一、部件限功基本原理

當齒輪箱軸承溫度、齒輪箱油溫、發電機繞組溫度、發電機軸承溫度、發電機側電抗溫度、變流器IGBT溫度中的任一溫度超過其對應的限功溫度時，限功標志為1，同時限功積分開始。積分周期為5ms。超限越多，功率限功積分值就越大，當然這個值目前限制在額定功率的1/4，也就是說限功運行的最小值為額定功率的25%。在限功率運行過程中，溫度仍然呈上升趨勢，那么就會導致停機保護。

各單元溫度保護值如下（以某型號雙饋風電機組為例）：

齒輪箱軸承保護溫度 95度

齒輪箱油保護溫度 80度

發電機繞組保護溫度 155度

發電機軸承保護溫度 110度

發電機側電抗保護溫度 155度

變流器IGBT保護溫度 100度

二、過溫故障原因分析

過溫故障主要原因為變頻控制柜內溫度過高，熱量無法及時散出導致故障報發。而冷卻變流控制柜、導出控制柜內溫度的水冷卻系統就成了研究對象。影響水冷卻系統冷卻性能的因素可能有：水冷卻系統系統內部預充壓力不足，循環流量不能達到設計要求；水冷卻系統管道系統部分堵塞；水冷卻系統冷卻介質——防凍液變質；水－空冷卻器表面積灰影響冷卻能力。

三、過溫解決通用的方案

根據原因分析，采取如下方案進行處理，并已通過實踐證明可行。

（一）減少系統阻力，加大變流器單元的冷卻介質流量。

圖2 水泵集成系統

圖3 發電機空-空冷卻系統

圖4 空空冷卻器內部軸流風扇電機外觀

圖5 發電機軸流式空空冷卻器

（二）定期清洗冷卻系統管道單元，并做好相關防腐化措施；更換全新冷卻介質，確保有良好的散熱效果。

（三）優化散熱系統結構：增大集成水泵功率、提高系統內部循環壓力、改變介質流通管道直徑從而達到增加流量的目的。

（四）增加過濾和防塵系統，因為系統會存在雜質，散熱器容易被沙塵堵塞從而影響散熱效果。

（五）定期清洗空冷部分散熱器，保證良好的散熱效果，使流通到空冷散熱器的冷卻介質能以最快速度冷卻，從而保證流向各散熱單元的冷卻介質有更好的散熱功能，吸收更多的熱量，從而提高散熱效率。

（六）定檢檢測各散熱器風量是否正常，檢查風扇啟動電容容量是否達到，風扇電機是否有卡死現象，對存在問題的電容和電機進行更新處理。

采用新型冷卻方式徹底解決過溫故障

一、半導體制冷的物理基礎

半導體制冷是建立于塞貝克效應、帕爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應、傅立葉效應共五種熱電效應基礎上的制冷新技術。其中，塞貝克效應、帕耳帖效應和湯姆遜效應三種效應表明電和熱能相互轉換是直接可逆的，而焦耳效應和傅立葉效應是熱的不可逆效應。

（一）帕爾貼效應

法國物理學家，帕爾帖在1834年發現，當有外加直流電流流過由兩種不同金屬組成的閉合回路時，在兩接頭之一會有熱量Q的吸收，而在另一接頭上會有熱量Q的放出"這種吸收或放出的熱量稱為帕爾帖熱，帕爾帖效應的示意圖，如圖6所示。

接通電源之后，冷端的熱量被移到熱端，導致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的帕爾帖效應，這個現象直到近代隨著半導體的發展才有了實際的應用，也就是半導體制冷器（圖7）的發明。

半導體制冷在技術應用上具有以下特點：

不需要任何制冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。結構簡單，部件少，維修方便；

半導體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大于1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和制冷系統；

半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統；

半導體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差；

半導體制冷片的反向使用就是溫差發電，半導體制冷片一般適用于中低溫區發電；

半導體制冷片的單個制冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯的方法組合成制冷系統的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。

（二） 半導體制冷器（圖8）

半導體制冷器目前已得到廣泛應用，如電腦CPU散熱、車載冰箱、帶制冷功能的飲水機、紅外探頭激光器等等。

1 空－空冷卻系統與半導體致冷相結合（圖9）

2 水冷卻系統與半導體致冷相結合（圖10）

圖6 帕爾帖效應的示意圖

圖7 半導體致冷器示意圖

結語

將傳統散熱方式與新型半導體制冷相結合，能在有限的安裝空間內大大降低部件運行溫度，因此現場整改具有可行性，可以徹底解決風電機組由于散熱不良造成的過溫問題。

圖8 半導體制冷器

圖9 空空冷卻發電機結合半導體制冷設備

圖10 水冷卻系統結合半導體致冷設備

(作者單位：南車株洲電力機車研究所有限公司)