高海拔風力發電變流器水冷系統的設計

林錦華

摘要：隨著內陸、沿海等地方優良風資源的不斷開發，普通海拔可用的優良風資源越來越少，為尋求風機的持續發展，將風機從普通海拔轉移到風速相對好的高海拔上，是未來風場開發的思路。海拔1km以上的土地面積占全國陸地面積60%左右，海拔2 km以上的面積約占30%，可供大規模開發利用的風能資源巨大，因此，設計應用于高海拔的風力發電變流器水冷系統是市場的需求。

1高海拔環境對水冷系統影響分析

隨著海拔逐漸升高，大氣壓力和空氣密度也會隨之降低。在溫度相同的前提下，空氣密度與氣壓成正比。空氣密度會隨海拔增高而減小，高原空氣密度只有平原地區的75%～80%。而風能密度和空氣密度是線性關系，所以在同樣風速下，風能密度也隨海拔增高而減小。

1.1空氣密度降低對水冷系統散熱設計的影響

空氣密度降低，散熱系統的散熱效果也會降低，因此要依照特殊標準設計。高海拔地區日照時間普遍較長，空氣密度較小又導致散熱能力下降，故以自然對流、強迫風冷或空氣自然散熱為主要散熱方式的產品溫升會增高。

一般情況下，在海拔0-5000 m范圍內，氣壓每降低12%（相當于海拔增高1000m），電工產品溫升就增高3%～10%，因此水冷系統的水泵、二次換熱的空氣散熱器、電控系統的散熱就需要重新計算。

1.2氣溫日較差大對系統穩定性的影響

高海拔地區氣溫的日較差普遍較大，尤其是西藏地區，平均日較差可達20℃以上。當氣壓與氣溫變化時，空氣密度會隨之變化。一般溫度每變化±10℃，相應的空氣密度就變化±4%。因此，較大的溫度變化會使水冷系統的性能不穩定。

1.3氣壓降低對電氣元件絕緣特性的影響

隨著氣壓降低，電工產品的電暈（起始及消失電暈）電壓減小，外絕緣電氣強度也降低。在海拔0～5 000m范圍內，氣壓每降低12%，電工產品電暈電壓和外絕緣電氣強度就降低8%-13%，材料也會加速老化失效。

1.4太陽輻射和低溫環境對設備材料的影響

地理緯度決定了太陽輻射強度，而在同一地理緯度下，海拔高度每增加1 km，太陽直接輻射強度就增加約60W/ms。太陽輻射的主要危害是引起產品發熱和老化，減短產品壽命。在這特別指出的是風電水冷系統設備間連接水路常用到的橡膠軟管。

溫度隨著海拔高度的升高而降低，因此水冷系統各設備和材料需具備低溫性能。

2水冷系統使用環境的要求

為滿足高海拔的使用，風電機組對水冷系統提出的一般要求為：儲存環境溫度為-45℃-60℃；室外運行環境溫度為-40℃-40℃；水冷柜工作環境溫度為-40℃-50℃；海拔高度≤4000m；濕度為85%；鹽霧環境等級為C3-H。

3水冷系統設備的改進措施

3.1主循環泵

提供密閉循環流體所需動力，為高速離心葉片泵。泵體采用機械密封，接液材質為304不銹鋼。采用抗低溫潤滑油脂及低溫密封墊，可在-40度的環境溫度下正常運行。水泵電機帶電加熱器，當水泵停運時啟動加熱器，防止水泵突然啟動后繞組凝露。

海拔高度在1000m以上時，每升高100m所需的環境溫度降低補償值規定按溫升極限的1%折算。若最高環境溫度的降低值不足以補償由于海拔高度提高所造成的冷卻效果的降低，應對電動機的額定輸出功率進行修正。

功率降低值的關系式如式（1）所示。

ANe=[（h-1000）△i-（40-tm）]Ne/100 （1）

式中h為海拔高度，m；△i為海拔高度1000-4000之間時，每提高100m所需要的最高環境溫度補償值，取△i=0.01×電機溫升極限/100，℃/m；tm為使用地點的最高環境溫度，℃。

因此，海拔高度為4000m，電機的溫升極限為105℃，因此功率降低值△Ne為0.945kW。

3.2電加熱器

當冬季變流器低負荷或停運時，為防止進入變流器水溫較低，在主回路上設置電加熱器，當供水溫度較低時，啟動電加熱器，防止進入變流器的水溫過低。為保證連接可靠，加熱器采用法蘭、螺栓連接。

3.3電動三通閥

置于主循環冷卻水回路變流器進水側，可調節流經室外空氣散熱器的冷卻水流量，用于冬天溫度低及變流器低負荷運行時的冷卻水溫度調節，避免冷卻水溫度過低。

電動三通閥由電動執行器和三通閥組成。其作用原理為通過供水溫度的變化調節電動三通閥閥位，改變進入空氣散熱器的流量，從而實現精確控制水溫的目的。電動執行器采用低溫潤滑油脂，可滿足-40℃低溫環境下的使用要求。

3.4穩壓系統

本系統采用膨脹罐進行穩壓。當系統溫度降低或有少量介質滲漏時，膨脹罐頂部空氣將介質壓入系統，保持系統壓力的恒定。當壓力繼續降低時，可通過補氣泵對系統進行補氣，防止系統壓力過低。

當溫差較大使溫度升高時，系統壓力增大，膨脹罐內有足夠的空氣進行收縮，使壓力控制在設計值內；當壓力超過臨界值時，由排氣電磁閥向大氣進行泄壓，防止因壓力過高對變流器造成影響。

為防止空氣對膨脹罐內介質造成影響，在介質內添加防腐劑，在空氣壓縮泵出口添加高精度的過濾器等措施。

3.5外冷電機

海拔高度對空氣散熱器的影響主要有風機電機功率及由于空氣密度的變化從而引起散熱能力的變化，需重新核算。西門子電機給出的海拔高度及環境溫度變化對照的功率變化詳見表1。

例如：在溫度范圍30-40℃，海拔高度為4000m時，對應功率的系數是0.77，原電機功率為1.5kW，因此需重新選用3kW才能滿足電機功率的變化。

3.6外冷風葉

風機風葉的輪轂及葉片選用能耐-60℃低溫的鋁合金風葉，高海拔對風機的風量、風壓、功率及效率都有影響，圖1是某一風機葉片在滿足低溫下在海拔4000m與海拔2000m其風量、風壓、功率及效率曲線對比：

3.7電氣元件對地耐壓值的修正

高于2000m的設備，工頻耐壓電壓值和沖擊耐受電壓值應符合常規型產品標準的要求，在產品使用地點海拔和試驗地點海拔不同時，試驗電壓值應乘以修正系數，修正系數值參考標準GB/T20645-2006的要求。

工頻試驗電壓UH與海拔高度的關系如式（2）和式（3）。

UH=U₀×K_a（2）

Ka=1/（1.I-H/10000）（3）

式中：u。為標準額定試驗電壓；Ka為海拔修正系數；H為設備安裝海拔高度。

4結語

隨著海拔升高，大氣環境也會相應發生很大變化，在這種氣候條件下風力發電變流器的水冷系統就會受到一定的影響。本文闡述了高海拔環境對水冷系統的具體影響，并提出了主循環泵、電加熱器、電動三通閥、穩壓系統、外冷電機、外冷風葉和電氣元件等設備在高海波地區使用的改進措施，保證風電機組的正常運行。