電力電子裝置兩種冷卻方式的節能研究

盧志敏， 文玉良， 汪廣武， 陳建業， 劉重強

(1. 廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663；2. 清華大學 電機工程與應用電子技術系，北京 100084)

0 概述

隨著電力電子器件的發展，其熱流密度越來越大[1]，電力電子裝置也越來越大，其自身的散熱器也從最早的自冷式散熱器發展為強迫風冷式散熱器、熱管散熱器、液冷(主要是水冷)式散熱器和集成式水冷散熱器[2，3]。電力電子裝置產生的熱基本上以廢熱的形式散走，其中涉及到更多的是把這些廢熱輸送出室外的能耗[4]。這些散熱方式各有各的優點，研究的方法一般是對比熱工的方式。至今沒有人將電力電子裝置的冷卻效率系統的表達出來。暖通空調一般同時具備制冷和制熱的能力[5]，行業內為了區分這兩種能效比，分別采用制冷能效比和制熱能效比來區分[6]。本文以暖通空調的能效比的概念進行類比，提出冷卻系統的冷卻能效比，針對兩種類似的SVC設備的冷卻裝置進行試驗比較，對比采用閉式水冷卻系統的方式與采用熱管+空調方式節能效果。

1 兩種冷卻系統的工作原理

大功率電力電子裝置有很多案例，其中高壓直流輸電換流閥是大型電力電子裝置代表[7]。目前發展的電力電子裝置主要有SVC(無功補償裝置)、可控串補、HVDC換流閥等[8～10]，冷卻方式最常見的有純水冷卻和熱管冷卻[11]。

1.1 純水冷卻的電力電子裝置

SVC用純水冷卻設備采用的是閉式循環水冷系統[12]。密閉式循環水冷卻設備一般置于室內，其提供恒定壓力和流速的冷卻水源源不斷流經被主冷卻器件(晶閘管散熱器)，帶走熱量，升溫的水流經外循環換熱器(室外)與空氣進行熱交換，換熱后回至高壓循環泵的進口。根據供水溫度的變化，水冷控制器自動調節外循環冷卻水的流量，從而達到系統精確控制溫度的要求。純水冷卻的電力電子裝置SVC系統原理示意圖如圖1所示。

圖1 閉式循環水冷的SVC冷卻系統原理圖

1.2 熱管+空調冷卻的電力電子裝置

熱管+空調冷卻方式是SVC位于密閉的房間內，SVC工作時，把廢熱散失到房間內，配備工業空調對房間內空氣及SVC進行降溫，帶走SVC產生的熱量，保證SVC安全、正常運行[13]。熱管冷卻系統原理示意圖如圖2所示。

圖2 熱管冷卻的SVC冷卻系統原理圖

1.3 冷卻能效比

暖通空調器的制冷性能系數，稱為制冷能效比[14]，EER=Qc/W；其中Qc指單位時間內的空調器名義制冷量，單位kW，W為單位時間內空調器所消耗的功率；因此在上述電力電子系統中冷卻能效比CER(Cooling Efficiency Ratio)也可以定為

(1)

節能率η可定義為：

(2)

式中：Wk為原設備參考功耗，Wc為設備更改后功耗。

2 系統的兩種冷卻裝置

2.1 純水冷卻的電力裝置

本文以某企業SVC(120 MVar)為例進行節能測試，主要耗能設備包括主循環冷卻回路、去離子水處理回路、氮氣穩壓系統、絕緣輸配水管路、外循環水回路，主要設備見表1；冷卻對象為室內放置三相分立的晶閘管SVC集成模塊，純水冷卻系統示意圖見圖3。

表1 純水冷卻系統主要耗能設備一覽表

圖3 純水冷卻系統示意圖

除純水冷卻系統外，閥廳內還有2臺長期運行的分體熱泵型落地式房間空調，型號KFR-70LW/E，最大輸入功率3 400 W。

2.2 熱管+空調冷卻的電力裝置

該冷卻系統主要設備為4臺工業空調， 規格型號LF128 N，額定功率54.4 kW，3開1備，冷卻對象也為室內放置三相分立的晶閘管SVC集成模塊，現場提供的熱管+空調冷卻系統示意圖見圖4。

圖4 熱管+空調冷卻系統現場提供的示意圖

3 兩種系統的性能測試

3.1 運行狀況和測試參數

戶外環境：環境溫度15.0 ℃，相對濕度19%。測試的室內環境參數見表2。熱管空調冷卻方式的閥廳和設備間在同一間房間，SVC在正常運行環境條件下運行。測試期間SVC連接點的負荷用電穩定，SVC對應輸電系統電壓、電流等參數見表3。

表2 室內環境參數表

表3 SVC連接點的系統情況表

純水冷卻系統和熱管空調冷卻系統對應SVC的母線電流變化趨勢圖見圖5和圖6。純水冷卻系統對應SVC的母線電流變化趨于穩定，而熱管空調冷卻系統對應SVC的母線電流變化不穩定，會發生突變。

圖5 純水冷卻系統對應SVC的母線電流變化趨勢圖

注：A、B、C表示三相電的相位圖6 熱管空調冷卻系統對應SVC的母線電流變化趨勢圖

測試得到純水冷卻SVC晶閘管表面溫度為40.5 ℃，而熱管空調冷卻SVC晶閘管表面溫度不低于52.0 ℃，見圖7和圖8。測試得到純水冷卻SVC晶閘管表面最高溫度為40.5℃，而熱管空調冷卻SVC晶閘管表面最高溫度為79.1℃。

圖7 純水冷卻系統晶閘管紅外圖

圖8 熱管空調冷卻系統晶閘管紅外圖

SVC冷卻系統運行狀況，相關系統參數(取平均值)分別為冷卻水流量12.60 kg/s，供水溫度45.6 ℃，回水溫度49.8 ℃。

換熱量計算公式如下[15]

(3)

經計算，Q=221 kW。

3.2 SVC冷卻系統能耗分析

表4是SVC冷卻系統能耗，因分體式空調未能單獨計量，故其能耗按每臺最大功率3 400 W計算，純水冷卻系統的副冷卻水為工廠生產用循環冷卻水的一部分。

表4 SVC密閉式純水冷卻系統能耗

SVC熱管空調冷卻系統能耗見表5，備注：3#空調處于常開狀態，1#、2#空調根據回風溫度自動控制運行狀態(一般為一備一用)。

由測試數據及基礎資料可知：

表5 SVC熱管空調冷卻系統能耗

(1)兩套SVC均為TCR型，最大動態調節容量均可達到120 MVar，測試期間均正常運行；

(2)兩套SVC對應負荷母線電壓正、負偏差的絕對值之和未超過標稱電壓(35 kV)的10%；

(3)兩套SVC對應的冷卻系統均在正常工作狀態下運行；

(4)從對晶閘管表面溫度測試結果看，純水冷卻系統的冷卻效果比熱管空調冷卻系統的冷卻效果好。

(6)在以上狀態下，對兩種冷卻系統的能耗進行對比，由表4和表5知，純水冷卻系統能耗Pc=15.58 kW，熱管空調冷卻系統能耗Pk=47.9 kW，則純水冷卻系統相對熱管空調冷卻系統節能率為：η=(Wk-Wc)/Wk×100%=(Pk-Pc)/Pk×100%=67.5%。

4 結論

從以上分析可得出如下結論：首先，電力電子裝置的密閉式純水冷卻設備相對于熱管+空調冷卻設備而言較為節能；其次，從設備運行來看，純水冷卻的電力電子裝置運行時負荷用電穩定，而熱管+空調冷卻有間歇式煉鋼負荷，電流波動較大；再次，采用純水冷卻時SVC晶閘管表面溫度為40.1 ℃，冷卻效率達到14.2，而采用熱管+空調冷卻時SVC晶閘管表面溫度不低于52.0 ℃，冷卻效率(也是空調的EER)為4.6。最后通過節能計算，純水冷卻系統相對熱管空調冷卻系統能夠節能67.5%，具有明顯的節能效果。總之，通過實驗測試可知，從運行的穩定性、冷卻效果、節能效果分析來看，電力電子裝置純水冷卻的效果要明顯優于空調+熱管的冷卻效果。

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