基于熱流密度的配網柔直換流器散熱設計

翁凌云，戴 偉，連建陽，孟 佳，顧志斌，李 林

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

“雙碳目標”的提出極大地促進了新能源產業的發展，太陽能發電、風電的規模化接入，對城市配電網的接入就地消納能力提出了新的要求。為了加快“能源轉型，綠色發展”，采用全控型開關器件，能夠友好高效地接入新能源，并能靈活控制潮流分配的配網柔直換流器逐漸受到關注與發展[1-2]。

受限于城市土地資源，配電網設備的大小以及占地面積越來越小。然而在系統容量不變甚至容量需求不斷增大的條件下，配網柔直換流器的散熱問題越來越凸顯，成為制約開發小型化、模塊化的配網柔直換流器主要的問題之一。

本文基于AC10 kV/DC10 kV配網柔直換流器，對其功率閥進行散熱設計，并通過仿真進行驗證。

1 配網柔直換流器方案介紹

配網柔直換流器采用模塊化多電平換流器拓撲結構[3]，擁有6個橋臂，每個橋臂由若干個子模塊串聯而成，配網柔直換流器拓撲結構如圖1所示。

圖1 配網柔直換流器系統圖

配網柔直換流器使用柜式結構，包含電抗器柜、啟動柜、交流開關柜、功率柜和直流開關柜。其中若干臺功率柜并柜組成功率閥，柜內將6個橋臂中上橋臂三相與下橋臂三相背靠背布置，使得功率柜能夠180°旋轉對稱，功率柜并柜組裝不需要過多考慮柜前柜后，從而提高了屏柜并柜安裝的效率。配網柔直換流器并柜示意圖如圖2所示。

圖2 配網柔直換流器并柜示意圖

2 功率閥散熱方式選擇

2.1 子模塊散熱方式選擇

配網柔直換流器每一個子模塊內包含IGBT等器件，子模塊的損耗主要為IGBT通態損耗，其損耗計算公式為[4]：

式（1）中：Pm為單個IGBT功率損耗；im為流過IGBT的電流；Um為IGBT的電壓偏置；rm為IGBT的通態電阻；m為子模塊內部IGBT的數量，m=1，2。

單個子模塊可以看作一個封閉機箱，內部的器件在這個機箱內部工作，對于機箱冷卻方式的選擇可以通過熱流密度與溫升的關系確定。

單個子模塊熱流密度計算公式為[5-6]：

式（2）中：qn為子模塊的熱流密度；Pn為單個子模塊的損耗；Sn為子模塊的表面積；n為子模塊數量，n=1，2，3，…。

通過熱流密度和溫升選擇所需的冷卻方法，其選擇如圖3所示。

圖3 冷卻方法選擇圖

當配網柔直換流器使用全橋模塊，通過公式（1）可以得出，單個IGBT通態損耗約2 100 W，單個模塊表面積S為10 416 cm2，通過公式（2）計算出熱流密度q為0.403 2 W/cm2，在溫升要求10℃時，通過冷卻方法選擇圖，在無法實現浸沒自然對流冷卻方式的情況下，選擇水冷散熱方式。

2.2 功率柜散熱方式選擇

功率柜內部主要的發熱源為連接模組的導體通流后的發熱以及子模塊運行時的殘余熱量。

導體電阻損耗的熱量公式為：

式（3）中：I為流過導體的電流有效值；Rac為導體的交流電阻；ρ為導體溫度為20℃時的直流電阻率；αt為電阻溫度系數；θw為導體長期運行的最高溫度；S為導體的截面積；Kf為導體的集膚效應系數。

當系統長期運行電流為600A，導體材料為銅，截面選擇（50×6）mm2，此時導體損耗為147.9 W，模組殘余熱量預估為720 W，功率柜表面積為2.672×105cm2，此時電流密度為0.003 24 W/cm2，故功率柜選擇空氣自然對流散熱即可。

綜上所述，功率閥內子模塊均使用水冷散熱方式，功率閥各個功率柜使用空氣自然對流散熱。

3 功率閥散熱方案設計

功率閥由若干個功率柜并柜組成，每一面功率柜內子模塊按照上下三層布置，對應三相橋臂。同時上橋臂和下橋臂背靠背布置，按照2.1節，子模塊采用水冷散熱，故結合功率閥內模塊布置，其水冷方案布置圖如圖4所示。

圖4 水冷方案布置圖

根據流量連續性方程[7]，可以得到各支路流量關系為：

式（4）中：QA為A路水管流量；m=1，2；QB為B支路水管流量；n為功率閥模組總數量；QC為C支路水管流量。

通過公式（4）（5），可以分別得到A、B、C支路水管的直徑大小。

式（5）中：P為各水路需要帶走的熱量；ΔT為進出水的溫升；ρ為水冷系統中液體的密度；c為水冷系統中液體的比熱容；D為個水路水管直徑；v為水管內部水的流速。

當模組數量取值144臺，計算流速取值2.2 m/s，各支路相關參數如表1所示。

表1 各支路參數表

從表1中可以看到，參照計算的管路直徑，在選取合適的管徑后，各支路流速校正值均在計算流速2.2 m/s左右，滿足系統對流速的需求。此時，配網柔直換流閥水冷管路結構方案如圖5所示。

圖5 水冷管路結構方案圖

另外，按照2.2節所述，配網柔直換流器功率柜采用空氣自然對流散熱方式，故僅需要在功率柜柜門上按照常規方案布置通風孔即可。整體結構外觀如圖6所示。

圖6 功率閥外觀圖

4 仿真分析

為了進一步驗證配網柔直換流器水冷管路結構的合理性，通過仿真計算進行流速分析。當模組數量取值144臺，設置水冷系統輸入流量為297.6 L/min，A、B、C三條支路入口流速收斂圖如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 A支路速度收斂圖

圖8 B支路速度收斂圖

圖9 C支路速度收斂圖

從仿真結果看，流速基本滿足各支路流速要求。配網柔直換流器水冷管路結構比較合理。

5 結論

本文基于熱流密度，對配網柔直換流器散熱方式的選擇進行了分析，確定符合散熱需求的冷卻方式，然后根據流量連續性方程，進行配網柔直換流器水冷管路結構設計。

本文通過仿真，對配網柔直換流器水冷系統結構方案進行分析，結果表明，所設計的水冷管路布置合理，各支路流速與理論計算基本吻合。