風力發電變流器水冷系統的優化設計

林錦華

摘 要：兆瓦級風力發電機變流器的散熱一般采用空氣冷卻和水冷卻兩種方式。水冷有體積小、散熱效率高和各器件易更換等優勢，一般大兆瓦變流器都采用水冷方式。文章以某1.5MW風力發電機組為例，根據水冷系統運行出現的問題進行優化設計，并闡述了設備的優化選型思路，最后對關鍵問題的驗證手段進行了分析。

關鍵詞：變流器；水冷系統；優化設計

前言

目前，在1.5MW和2MW機型上，約有65%的風機變流器使用水冷。在大兆瓦機型上，幾乎全部采用水冷。從2005年開始，國內大多數風電整機廠家開始引進國外兆瓦級風力發電技術，而國內廠家直接采用進口水冷產品與進口變流器進行配套使用。由于國內風電整機廠家并未對水冷給予足夠的關注，同時進口水冷產品廠家沒有充分考慮國內、外使用環境的差異性，直接套用國外經驗和產品，以致運行期間出現溫度調節功能失效、溫度壓力突變等問題，基于此對系統進行設計優化和選型優化。

1 水冷系統出現的問題及優化設計研究

1.1 針對溫度調節功能失效問題的優化設計

國外主流產品通常在水泵進口處設置溫控閥，該溫控閥是機械式自勵調節。隨著溫度的逐步上升開始逐步導通水-風冷卻器循環回路，使得其中一部分水直接回水泵，另一部分水則進入水-風冷卻器進行循環；隨著溫度的升高，通過水-風冷卻器的流量逐漸增加，直接回水泵的流量減少，直至最后冷卻介質全部通過水-風冷卻器循環。由于系統溫升（降）波動大，機械式的溫度調節速度無法與電動調節的方式配比，而且由于內部結構的限制，機械式溫控閥往往容易出現受異物堵塞的問題。

針對上述現象，優化設計的思路是在與空氣換熱器的進口管路連接的循環管路上設置一電動三通閥，且該電動三通閥的一支路與和空氣換熱器出口管路連接的循環管路連通，從而控制流經空氣換熱器回路的流量。根據水溫的變化，三通閥在一定溫度范圍內自動調節閥門工作角度從而控制流經換熱器的流量比列，當水溫過低時，使一部分從被冷卻器件中過來的熱水不經過空氣換熱器降溫，直接回到主循環泵的入口，從而使循環水溫回升。優化后的工藝流程圖詳見圖1。

1.2 針對溫度、壓力突變問題的優化設計

國外主流產品通過隔膜式膨脹罐、安全閥的組合作為緩沖單元，罐內預充一定氣體壓力，通過膨脹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。當泵出口壓力出現波動時，膨脹罐釋放或儲存能量參與系統的調節，當系統壓力過高時安全閥動作排出部分冷卻水來維持系統的正常壓力。由于內部冷卻介質的不斷排出，此設計會帶來系統補水維護周期過短的問題。隔膜式膨脹罐的選用，由于罐身與冷卻介質直接接觸從而會造成冷卻液污染的問題。

針對此問題，優化設計措施是采用氣泵、電磁閥和氣囊式膨脹罐組合成為系統的緩沖單元，吸收和釋放密閉系統內冷卻水隨溫度變化時產生的體積變化引起的壓力波動。壓力高時電磁閥動作排氣釋放壓力，壓力低時氣泵啟動提升系統壓力，系統能滿足隨風速變化、風機負載和波動幅度大對系統壓力產生的波動性。

此設計能有效防止水冷系統失壓所造成的補壓維護周期過短的問題；氣囊式膨脹罐能很好的實現水汽分離，水儲存在氣囊內部不與罐體有接觸。

2 空氣散熱器翅片的優化選型

空氣散熱器翅片形狀根據流體性能和設計使用條件等選定，考慮風力發電風場所在地區空氣中含有固體懸浮物，為避免流道堵塞而影響散熱能力，空氣流道應選用平直型翅片，而不是鋸齒形翅片。雖然在同等面積下鋸齒形翅片相對于平直型翅片換熱性能略優，但由于其為交錯排列，極容易受風沙、柳絮等異物堵塞通道，因此寧可增大換熱面積而選用不易堵塞的平直型散熱器翅片。

3 關鍵問題驗證

3.1 散熱能力驗證

為避免水冷系統出現換熱能力不足的問題，水-風換熱設備需進行熱負荷測試驗證。熱負荷系統工藝流程圖如圖2所示。

系統內為要求的冷卻介質，在對應流量及投入功率下，待其相對穩定后，記錄各進、出水溫度值，進、出風溫度值，從而可以計算出對數平均溫差、傳熱系數及冷卻容量等參數。當冷卻容量大于等于額定冷卻容量時，可以確定散熱器符合設計要求，同時還可以測量散熱器的噪音、風量等數據。

3.2 軟管高低溫耐水壓驗證

風力發電水冷系統設備間的連接多數選用橡膠軟管連接，因此軟管的密封性能尤為重要。國內很多水冷廠家未能有效的解決軟管低溫滲漏的問題，因此對軟管高低溫耐水壓進行驗證十分重要，驗證條件和內容主要包括：（1）軟管必須在常壓0.8MPa下，通過-40℃～55℃，72小時高、低溫交變試驗驗證。（2）軟管必須通過2倍工作壓力的耐壓試驗驗證。（3）軟管必須通過70%爆破試驗壓力的滲漏試驗驗證。（4）軟管必須通過4倍工作壓力的爆破試驗驗證。（5）高低溫、耐壓和滲漏試驗中不應出現滲漏或其它密封失效，爆破試驗壓力值不低于最小爆破壓力。

4 結束語

近年來國內兆瓦級風力發電機技術已躍居國際風力發電的先進水平，本文對目前主流兆瓦級風力發電水冷系統出現的問題進行了設計優化，并對關鍵問題的驗證手段進行了分析，對今后進一步開展大功率風力發電水冷系統的研究具有一定的借鑒意義。