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供稿︰廣東明陽龍源電力電子有限公司 2017/6/22 15:31:53

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  • 關鍵詞︰ 電解電容散熱 風電變流器
  • 摘要︰受國家扶助政策的影響,越來越多的風電整機廠家推出3MW、5MW、6MW等更大功率的發電機組。但受于風電場征地面積等影響,大功率風電變流器仍然安裝在風機塔筒內,導致風電變流器的結構緊湊,其內部直流側支撐電容的散熱不理想。大多數變流器廠家忽略了電解電容散熱的重要性,導致其表皮溫度超過80℃,雖然不影響變流器整機的運行使用,但嚴重影響了其本身的使用壽命。本文以3MW風電變流器的工程實際設計為例,對其直流側支撐電解電容的散熱給出了一種高效、整體式、便于維護的解決方案。該設計方案不僅可以滿足3MW風電變流器直流側支撐電解電容的散熱要求,還可以拓展到未來5MW、6MW等更大功率風力發電機組的應用領域,對于新能源、分布式發電技術的國產化具有重要的推動作用。

1 引言

隨著風電機組的功率不斷的增大,目前所使用的風電變流器的功率也在不斷的增大,3MW風電變流器在風電行業內屬于大功率變流器,整機內部有IGBT、電解電容這樣的高發熱電子元器件,一台3MW風電變流器共有16個功率模塊,每個功率模塊內部有16個電解電容,同時還包含一塊連接IGBT與電解電容的正負疊層母排。其中,每只電解電容的發熱量為78.4W,16個模塊的總發熱量就有20.07KW,由于變流器內部空氣流動空間狹小、局部阻力過大,電解電容分散安裝在各自的模塊內部,軸流風扇強制對流冷卻對模塊內部的256個電解電容的散熱效果很差,當電解電容溫度過高時會發生爆炸現。 緗獾縟蕕謀  岬賈GBT的相繼爆炸;此外,疊層母排在狹小的空間內連接IGBT與電解電容,疊層母排的溫度在變流器全功率運行時會高達近100℃,一旦散熱不充分,不僅會導致銅排的載流量下降,同時會導致正極與負極母線排之間的絕緣層老化,發生放電爆炸的情況。

為了克服現有技術的不足,本文針對直流側支撐電容的散熱要求,介紹了一種具有高效整體式風道、維護方便、可靠、安全等級高的散熱方式。

2 設計方案

2.1 理論散熱計算

3MW風電變流器的直流側支持電容選用英國BHC電容,為ALS32/33系列。電壓等級為350VDC,額定容量12000uf,紋波電流32A(120Hz,85℃),在表皮溫度85℃時可長期運行20000小時。

根據高壓變頻器的開發經驗,電解電容的設計按50—70uF/A的容量需求是比較合理的,則3MW風電變流器的電解電容容量應控制在150000uF—21000uF之間。當選擇BHC 12000uF電容時,變流器的總電容容量為12000uF*16=192000uF,電流與電解電容的關系為192000uF/3000A=64uF/A,其容量是滿足設計需求的。

電解電容在不同條件下的最大紋波承受能力=基準值*溫度系數*頻率系數。因此,按照環境極限溫度50℃、2KHz的條件下為32A*1.4*1.9=85A,根據電解電容廠家提供到的數據得到,單個電容損耗=85A*85A*5.96MΩ=43.061W。

電容總發熱量為Q=256*43.06=11.02KW,總散熱風冷按兩倍的設計余量計算,電容強迫風冷散熱需要的總風量為Qf=1.76*(11020/20)*1.7*2=3297m3/h。考慮足夠的余量,設計選用四個355型號的風機。其性能曲線如圖1所示。

2.2散熱仿真計算

電解電容的整體散熱方案為︰在櫃體中部設置有一將櫃體分為前櫃體和後櫃體的風道擋板,功率模塊內設置有散熱通道,散熱通道連通前櫃體和後櫃體,在後櫃體外側設置有與後櫃體連通的抽風機,使得前櫃體、散熱通道、後櫃體在櫃體內形成散熱風道,氣流從前櫃體吸入變流器,經功率模塊內的散熱通道後由後櫃體的抽風機送出變流器,能夠很好的帶走功率模塊內的熱量,散熱通道的模塊出風口與變流器內的連接銅排對應,且散熱通道還配置有與疊成母排對應的疊成母排出風口,故在櫃體內的散熱風道不僅能夠很好的帶走功率模塊內的熱量,對功率模塊內進行散熱,且能夠對疊成母排、連接銅排進行散熱,整機的風道布置合理高效,散熱效果好。如圖2所示。

進一步,變流器采用多個設置在後櫃體外側的抽風機進行抽風散熱產生對流,無需在功率模塊內單獨配置散熱風扇,維護方便,減少成本,且當部分抽風機出現故障時,剩下的抽風機仍能保證變流器內散熱風道的正常運作,變流器內的溫度不會短時間升高,提供足夠的預警或報警時間,減少風機失效而造成的風險,可靠性高。

 

如圖3和4所示為仿真結果。流經電解電容的平均風速處不低于V=5.2m/s,每一層電容散熱需要的風速比較均勻。對流換熱系數值hc 18.3*5.20.5=41.7W/m2.K,單個電容的發熱量為Q1=43.06W,電容的有效散熱面積為A=0.06m2,可以計算出直流側電解電容的溫升為

△T1=43.06/(41.7*0.06)=17.2K。

2.3溫升測試結果

在變流器全功率測試中,集裝箱內部環境溫度為36℃,電解電容實際溫度如下圖曲線所示,測試得到電容最高溫度為49.5℃,溫升△T2=49.5℃-36℃=13.5K。如圖5所示。

理論設計計算出的電容的溫升為△T1=43.06/(41.7*0.06)=17.2K,測試得到電容溫升為△T2=49.5℃-36℃=13.5K。△T2與△T1相差3.7K,測試值優于理論計算值。在對電解電容進行風速測試時,測試得到的風速處于V=5.4m/s左右,偏大于理論設計值5.2m/s,風速的差異導致溫升上3.7℃的差異。

3 結論

通過本文闡述的一種高效整體式的電解電容散熱方式,在櫃體中部設置有一將櫃體分為前櫃體和後櫃體的風道擋板,功率模塊內設置有散熱通道,散熱通道連通前櫃體和後櫃體,在後櫃體外側設置有與後櫃體連通的抽風機,使得前櫃體、散熱通道、後櫃體在櫃體內形成散熱風道,在櫃體內的散熱風道不僅能夠很好的帶走功率模塊內的熱量,並能夠對疊成母排、連接銅排進行散熱,整機的風道布置合理高效,散熱效果好,且維護方便、成本低,當部分抽風機出現故障時,剩下的抽風機仍能保證變流器內散熱風道的正常運作,變流器內的溫度不會短時間升高,減少風機失效而造成的風險,可靠性高。通過樣機試驗及工程實踐,充分驗證了本文設計方案的合理性。

審核編輯(王靜)
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