儲能集裝箱變壓器艙散熱設計研究

潘守文，唐春秀，張海龍，米高祥，姚 寧，周力民

（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 南京211102）

風能、太陽能等清潔能源產業發展迅速，但是與傳統能源相比，其穩定性不高。在太陽能與風能具有天然互補優勢的地區，引入儲能系統能使風光合成出力更好地跟隨負荷波動，平衡兩者之間的能量差值，有效減少系統總成本，提高經濟性[1]。

儲能系統形式多樣，儲能集裝箱因其具有占地少、建設快、可移動、一體性強等特點，在中小型電站應用十分廣泛。集裝箱式儲能系統將電池系統、交直流轉換裝置、升壓裝置及監控系統集中放置在一個或多個標準尺寸的集裝箱內，多個產品整體交付給用戶，運輸方便且易于安裝[2]。

集裝箱式儲能系統具有高集成性的特點，也對系統的散熱能力提出了更高的要求。儲能集裝箱變壓器艙，艙內布置有干式變壓器，變壓器在運行過程中，由于鐵損和銅損存在，變壓器鐵芯和繞組溫度會不斷上升，運行初期溫度上升很快，但隨著變壓器本體溫度的升高，變壓器本體對周圍介質（艙內空氣）存在一定的溫度差，這時鐵芯和繞組會將一部分熱量傳遞給周圍介質，從而使周圍介質溫度升高，變壓器本身的溫升速率趨緩。變壓器本體自帶橫流風機將鐵芯、繞組發熱量散發到艙內，變壓器艙通常采用箱壁風機強迫風冷散熱，將這部分熱量轉移到艙外，在此條件下，箱壁風機的選擇及控制策略就顯得尤為重要。

常見的一種箱壁風機溫控策略是將箱壁風機與變壓器本體風機的溫度信號并聯，與變壓器本體風機同時啟停，當變壓器低壓繞組內部最熱處溫度達到設備溫升閾值tmax時，變壓器本體風機與箱壁風機同時自動啟動；當變壓器低壓繞組內部最熱處溫度降低到設備溫升閾值tmax-20℃時，變壓器本體風機與箱壁風機同時停機。該控制策略存在以下問題：儲能集裝箱中變壓器運行的時間在大部分應用場景下都比較短，此時變壓器低壓繞組內部最熱處溫度可能會低于設備溫升閾值，此時變壓器本體風機尚未啟動，但是由于變壓器熱輻射的影響，變壓器艙內溫度已經超過設計溫度tp，艙內其他設備對溫度上限有要求的情況下，無法滿足艙內其他設備正常運行的溫度要求。

另一種常見的箱壁風機溫控策略是通過溫度傳感器、溫度控制器來控制箱壁風機啟停，當變壓器艙內環境溫度高于設計溫度tp時，箱壁風機自動啟動給艙內排風降溫，當變壓器艙內環境溫度低于設計溫度（tp-10℃）時，風機停機。該控制策略存在以下問題：變壓器運行的時間較短，其發熱量小于滿載工況發熱量，多個箱壁風機全部同時啟動，增加了儲能系統的自身能耗，箱壁風機啟動后通風量達到最大，噪音高，影響集裝箱過濾器的使用壽命，同時由于箱壁風機風量大，艙內環境溫度很快會降至設計溫度（tp-10℃）以下，會造成箱壁風機的頻繁啟停。

基于上述2種常見溫控策略存在的問題，本文提出了一種全新的簡便易實施的箱壁風機溫控策略，在艙內環境溫度、變壓器低壓繞組溫度滿足設計要求的同時，實現了降低儲能系統自身能耗、降低噪聲、延長過濾器及箱壁風機使用壽命的目的。

1 變壓器艙排風風量計算

儲能系統升壓變壓器常選用干式變壓器，干式變壓器設備發熱量較大，且放置在集裝箱箱體內，對變壓器艙排風量的影響較大，因此準確確定變壓器發熱量對于通風系統設計而言顯得尤為重要[3]。本文采用詳細計算法計算變壓器艙所需排風風量。

某風電場儲能項目儲能集裝箱變壓器艙三維模型如圖1所示，箱體尺寸為3.7 m×2.4 m×2.6 m，其內部安裝有1臺2 800 kVA樹脂澆注干式變壓器（銅繞組），1套真空負荷開關熔斷器組合電器，通風方式為自然進風、機械排風，在箱壁背面設置排風口，通過軸流風機的排風作用將集裝箱內部的空氣排出箱外，同時也帶走部分熱量以此來實現集裝箱內外的氣體交換和熱交換，箱壁正面開設百葉窗自然補風，同時配套粗效慮棉滿足防水、防塵的IP54防護等級要求。

圖1 變壓器艙三維模型

室內外設計參數如下：設計送風溫度（夏季通風室外計算溫度、安徽亳州）ts為31℃；設計排風溫度（室內設計溫度）tp為45℃，變壓器廠家要求艙內溫度不高于45℃。

1.1 變壓器艙的余熱量計算

變壓器的余熱量計算公式[4]為：

式（1）中：Q變為變壓器的余熱量，kW；Pul為變壓器的空載功率損耗，kW；Plo為變壓器的負載功率損耗（也稱為短路損耗），kW。

查閱該項目干式變壓器產品規格書可知，SCB11干式變壓器容量為2 800 kVA；變壓器的空載損耗Pul=4.35 kW；變壓器的負載損耗Plo=23 kW，即Q變=Pul+Plo=27.35 kW。

查閱該項目真空負荷開關熔斷器組合電器產品規格書可知，每套損耗約500 W，本項目共1套組合電器，則其熱損失Q1=0.5 kW。

其余設備熱損失忽略不計，則變壓器艙總余熱量為Q=Q變+Q1=27.85 kW。

1.2 變壓器艙的通風量計算

采用全面排風方式消除艙內余熱，變壓器艙的通風量可按下式計算：

式（2）中：L為變壓器艙的通風量，m3/h；Q為室內顯熱余熱量，Q=27.85 kW；ρ為進排風平均密度，ρ=1.13 kg/m3；Cp為空氣比熱容，取Cp=1.005 kJ/（kg·℃）；Δt為進排風溫度差，Δt不應超過15℃。

1.3 變壓器艙箱壁風機選擇

某型號軸流風機曲線如圖2所示，先按照風機靜壓100 Pa，風機風量1 680 m3/h選型計算，則風機數量為：

圖2 風機曲線

本項目所選干式變壓器本體自帶6個橫流風機，風機風量為1 300 m3/h，共計7 800 m3/h。綜合考慮箱壁風機與本體風機風量的匹配性及一定的設計裕度，本項目選用5臺箱壁風機。

1.4 進風百葉窗面積確認

壓力損失與風速關系式如下：

式（3）（4）中：Δp1為百葉窗壓力損失，考慮濾棉在使用過程中風阻會逐漸增大，百葉窗壓損取100 Pa；k為阻力系數，經風洞試驗測試，反推計算，k=88.75；ρ為空氣密度，取ρ=1.13 kg/m3。

2 變壓器艙風機溫控策略優化

變壓器本體風機的自動控制：通過預埋在低壓繞組溫度最高處的PT100熱敏測溫電阻測量溫度。變壓器負荷增大，運行溫度升高，當低壓繞組溫度達100℃時，溫控系統自動啟動風機進行冷卻；當低壓繞組溫度降至80℃時，溫控系統自動停止風機。

本項目綜合考慮變壓器本體溫升閾值及變壓器艙內環境溫度要求，提出了一種簡便、易實施的箱壁風機溫控方案，該方案主要組成包含溫度控制器、溫度傳感器、箱壁散熱風機。溫度控制器是溫度控制的主要器件，溫度傳感器為采集變壓器艙內環境溫度的主要器件，箱壁風機為散熱通風設備，可以單臺或者多臺箱壁風機并聯。當變壓器發熱量較大，使用多臺箱壁風機并聯散熱時，可將箱壁風機分為多組，第一組箱壁風機通過溫控器1控制啟停，當艙內環境溫度升高到閾值t1時，風機啟動，當艙內環境溫度降低到閾值t1-5℃時，風機停機；第二組箱壁風機通過溫控器2控制啟停，當艙內環境溫度升高到閾值t2時，風機啟動，當艙內環境溫度降低到閾值t2-5℃時，風機停機；以此類推，最后一組箱壁風機通過變壓器自身的溫控系統控制啟停，當變壓器低壓繞組內部最熱處溫度達到設備溫升閾值tmax時，最后一組箱壁風機啟動，當變壓器低壓繞組內部最熱處溫度降低到設備溫升閾值tmax-20℃時，最后一組箱壁風機停機，滿足變壓器本體的散熱需求。通常情況下儲能系統變壓器滿載長期運行的工況較少，一般情況下依靠集裝箱內溫控器控制箱壁風機即可滿足散熱需求；即使在變壓器滿載長期運行的工況下，箱壁風機全部啟動，仍可以滿足變壓器的散熱需求。當箱內使用單臺箱壁風機散熱時，可同時通過艙內溫控器和變壓器溫控器共同控制箱壁風機的啟停。當艙內環境溫度達到啟動閾值時，箱壁風機啟動，或者當變壓器低壓繞組內部最熱處溫度達到設備溫升閾值tmax時，箱壁風機啟動；當艙內環境溫度降低到啟動閾值-5℃時，箱壁風機停機，或者當變壓器低壓繞組內部最熱處溫度降低到設備溫升閾值-20℃時，箱壁風機停機。

以本項目為例，變壓器發熱量較大，使用5臺箱壁風機并聯散熱，可將箱壁風機分為3組，如圖3所示。第一組箱壁風機通過溫控器1控制啟停，當艙內環境溫度升高到閾值t1=35℃時，溫度傳感器1輸出溫度信號至溫控器1，第一組箱壁風機啟動，當艙內環境溫度降低到閾值t1=30℃時，溫度傳感器1輸出溫度信號至溫控器1，第一組箱壁風機停機；第二組箱壁風機通過溫控器2控制啟停，當艙內環境溫度升高到閾值t2=45℃時，溫度傳感器2輸出溫度信號至溫控器2，第二組箱壁風機啟動，當艙內環境溫度降低到閾值t2=40℃時，溫度傳感器2輸出溫度信號至溫控器2，第二組箱壁風機停機；最后一組箱壁風機通過變壓器自身的溫控系統控制啟停，當變壓器低壓繞組內部最熱處溫度達到設備溫升閾值tmax=100℃時，最后一組箱壁風機啟動，滿足變壓器本體滿載運行時的散熱需求，當變壓器低壓繞組內部最熱處溫度達到設備溫升閾值tmax=80℃時，最后一組箱壁風機停機。

圖3 溫控策略示意圖

3 結論

本文對儲能集裝箱變壓器艙的排風系統進行設計說明并對排風風量進行計算，對排風箱壁風機控制策略進行優化設計，形成了完善的箱壁風機溫控方案，既能保證變壓器艙內溫度低于45℃的室內設計溫度要求，還可以保證變壓器繞組的溫度低于設備溫升閾值100℃；通過溫控器階梯性控制箱壁風機啟停，可以降低系統的自身能耗，降低噪聲；減小散熱風量，有效延長過濾器的使用壽命。