電力電子裝置兩種冷卻方式的節(jié)能研究

盧志敏， 文玉良， 汪廣武， 陳建業(yè)， 劉重強

(1. 廣州高瀾節(jié)能技術(shù)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(shù)系，北京 100084)

0 概述

隨著電力電子器件的發(fā)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(fā)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(chǎn)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(yōu)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(tǒng)的表達出來。暖通空調(diào)一般同時具備制冷和制熱的能力[5]，行業(yè)內(nèi)為了區(qū)分這兩種能效比，分別采用制冷能效比和制熱能效比來區(qū)分[6]。本文以暖通空調(diào)的能效比的概念進行類比，提出冷卻系統(tǒng)的冷卻能效比，針對兩種類似的SVC設(shè)備的冷卻裝置進行試驗比較，對比采用閉式水冷卻系統(tǒng)的方式與采用熱管+空調(diào)方式節(jié)能效果。

1 兩種冷卻系統(tǒng)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(fā)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(shè)備采用的是閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)[12]。密閉式循環(huán)水冷卻設(shè)備一般置于室內(nèi)，其提供恒定壓力和流速的冷卻水源源不斷流經(jīng)被主冷卻器件(晶閘管散熱器)，帶走熱量，升溫的水流經(jīng)外循環(huán)換熱器(室外)與空氣進行熱交換，換熱后回至高壓循環(huán)泵的進口。根據(jù)供水溫度的變化，水冷控制器自動調(diào)節(jié)外循環(huán)冷卻水的流量，從而達到系統(tǒng)精確控制溫度的要求。純水冷卻的電力電子裝置SVC系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

圖1 閉式循環(huán)水冷的SVC冷卻系統(tǒng)原理圖

1.2 熱管+空調(diào)冷卻的電力電子裝置

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

圖2 熱管冷卻的SVC冷卻系統(tǒng)原理圖

1.3 冷卻能效比

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

(1)

節(jié)能率η可定義為：

(2)

式中：Wk為原設(shè)備參考功耗，Wc為設(shè)備更改后功耗。

2 系統(tǒng)的兩種冷卻裝置

2.1 純水冷卻的電力裝置

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

表1 純水冷卻系統(tǒng)主要耗能設(shè)備一覽表

圖3 純水冷卻系統(tǒng)示意圖

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

2.2 熱管+空調(diào)冷卻的電力裝置

該冷卻系統(tǒng)主要設(shè)備為4臺工業(yè)空調(diào)， 規(guī)格型號LF128 N，額定功率54.4 kW，3開1備，冷卻對象也為室內(nèi)放置三相分立的晶閘管SVC集成模塊，現(xiàn)場提供的熱管+空調(diào)冷卻系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 熱管+空調(diào)冷卻系統(tǒng)現(xiàn)場提供的示意圖

3 兩種系統(tǒng)的性能測試

3.1 運行狀況和測試參數(shù)

戶外環(huán)境：環(huán)境溫度15.0 ℃，相對濕度19%。測試的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)見表2。熱管空調(diào)冷卻方式的閥廳和設(shè)備間在同一間房間，SVC在正常運行環(huán)境條件下運行。測試期間SVC連接點的負荷用電穩(wěn)定，SVC對應輸電系統(tǒng)電壓、電流等參數(shù)見表3。

表2 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)表

表3 SVC連接點的系統(tǒng)情況表

純水冷卻系統(tǒng)和熱管空調(diào)冷卻系統(tǒng)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(tǒng)對應SVC的母線電流變化趨于穩(wěn)定，而熱管空調(diào)冷卻系統(tǒng)對應SVC的母線電流變化不穩(wěn)定，會發(fā)生突變。

圖5 純水冷卻系統(tǒng)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(diào)冷卻系統(tǒng)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(diào)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(diào)冷卻SVC晶閘管表面最高溫度為79.1℃。

圖7 純水冷卻系統(tǒng)晶閘管紅外圖

圖8 熱管空調(diào)冷卻系統(tǒng)晶閘管紅外圖

SVC冷卻系統(tǒng)運行狀況，相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)(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(jīng)計算，Q=221 kW。

3.2 SVC冷卻系統(tǒng)能耗分析

表4是SVC冷卻系統(tǒng)能耗，因分體式空調(diào)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(tǒng)的副冷卻水為工廠生產(chǎn)用循環(huán)冷卻水的一部分。

表4 SVC密閉式純水冷卻系統(tǒng)能耗

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

由測試數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)資料可知：

表5 SVC熱管空調(diào)冷卻系統(tǒng)能耗

(1)兩套SVC均為TCR型，最大動態(tài)調(diào)節(jié)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(tǒng)均在正常工作狀態(tài)下運行；

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

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

4 結(jié)論

從以上分析可得出如下結(jié)論：首先，電力電子裝置的密閉式純水冷卻設(shè)備相對于熱管+空調(diào)冷卻設(shè)備而言較為節(jié)能；其次，從設(shè)備運行來看，純水冷卻的電力電子裝置運行時負荷用電穩(wěn)定，而熱管+空調(diào)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(diào)冷卻時SVC晶閘管表面溫度不低于52.0 ℃，冷卻效率(也是空調(diào)的EER)為4.6。最后通過節(jié)能計算，純水冷卻系統(tǒng)相對熱管空調(diào)冷卻系統(tǒng)能夠節(jié)能67.5%，具有明顯的節(jié)能效果。總之，通過實驗測試可知，從運行的穩(wěn)定性、冷卻效果、節(jié)能效果分析來看，電力電子裝置純水冷卻的效果要明顯優(yōu)于空調(diào)+熱管的冷卻效果。

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