風電塔筒增加散熱軸流風機技改對改善變頻器環境溫度的分析

Summary：安裝在風電機組塔筒底部的變頻器作為風電機組的重要部件之一，它的正常運行直接決定風電機組是否能正常運行。塔筒底部相對與變頻器來說是一個相對封閉的空間，在變頻器運行的時候會產生大量的熱量，因此塔筒底部良好的通風散熱性能對變頻器來說十分重要。本文結合變頻器熱損耗、通風量和工作環境工況提出六種通風散熱改造方案，利用流體力學分析軟件FLUENT和前處理軟件Gambit軟件建立計算模型進行模擬計算，得出在塔筒平臺下方通風口增設軸流風機的最優方案，使變頻器環境溫度有效降低，大幅提高了變頻器運行穩定性。Keys：變頻器；功率模塊；散熱改造；風冷變頻器。一、塔筒散熱通風情況存在的隱患與不足風電變頻器內部為大功率的電子原件，極易收到工作溫度影響，產品一般要求為0-55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用前應考慮留有余地，最好控制在40℃以下，四川南部某風電場位于干熱河谷地帶，夏季日照強烈，環境溫度高，每年4、5月份環境溫度達到38度以上，由于塔筒通風散熱效果不足，造成變頻器運行產生的大量熱量使無法擴散，使風機滿負荷運行期間頻繁出現降功率運行甚至故障停機，造成不必要的電量和備件損失。1.1因塔筒通風量不足造成機艙艙內溫度過高，加速機艙電氣設備老化，電氣設備故障頻發；1.2變頻器運行環境溫度過高，導致變頻器功率模塊頻繁燒毀；1.3每年4、5月份大風天氣時段變頻器運行環境溫度過高（變頻器環境溫度45℃以上每升高1度降2%功率，50℃停機）導致降功率運行或停機。二、原設計采取的措施和不足2.1使變頻器環境溫度平均溫升達到18℃，變頻器環境溫度超過設定運行溫度范圍限值降功率運行或停機（變頻器環境溫度45℃以上每升高1度降2%功率，50℃停機），同時過高的環境溫度使頻繁燒毀功率模塊。2.2造成風機艙內平均溫升達到12℃，機艙電氣設備故障頻發；三、塔筒散熱改造方案的確認3.1對塔筒底部散熱統計分析計算采用數值模擬方法進行，采用計算流體力學分析軟件FLUENT完成，前處理軟件采用Gambit。將變頻器分為三個柜體，分別是：并網柜、配電柜和功率柜，運行時三個柜體的熱損耗和散熱通風量見下表所示。按照實際塔筒門散熱通風量為5500m3/h，假定從塔筒門進入塔筒的相對冷空氣對變頻器的熱損耗進行充分散熱冷卻，則理論上的熱平衡溫度為：T=+T0=×1000+35≈45.2℃[1]假定外界環境溫度為35℃，空氣密度為1.14kg/m^3，空氣的比熱容為1.0x10^3j/kg.°C。3.2建立計算模型塔筒模型包括下部兩段塔筒及相應平臺，以及底部平臺和變頻器，不包括電纜和導電軌，也不包括爬梯等部件。該模型塔筒內部結構較復雜，特別是底部平臺變頻器區域，為此塔筒內部及塔筒壁采用非結構化網格進行網格劃分，塔筒外部區域結構簡單，為此塔筒外部主要采用結構化網格進行網格劃分。對計算域的網格劃分結果：calls:1573339;faces:3423467;nodes:437186.3.3數值模擬結果對現場實際工況進行模擬分析，對提出的6個改進方案采用環境溫度為35℃進行模擬計算，模擬的實際工況和改進方案通過模擬環境溫度為35℃情況下利用軟件計算得出最優方案四，即同時在塔筒門上通風口和平臺下方通風孔進行通風，具體計算結果如下表所示。四、塔筒散熱改造方案的實施4.1散熱軸流風機的啟停控制利用原有塔筒平臺上方的軸流風機溫控回路進行啟停回路控制，有效減少二次控制回路的硬件投入，安裝方式簡單、易操作，同時對原來設備控制回路不進行改動，提高了設備的安全可靠和穩定性將E002Q4（4-6.3A）空開定值跟據負載進行設定，將400V預留X8端子29、30、31上端與圖二中X8端子25、26、27使用短接排進行并接。軸流風機采用4*1㎜2多股銅芯線從X8端子29、30、31下端取電并接入零線與保護接地線，電纜使用硅膠沿底層平臺下表面敷設至并網柜。4.2散熱軸流風機的安裝軸流風機采用扁鋼固定與通風口塔筒內側法蘭處，使用規格為600mm×40mm×4m的扁鋼將軸流風機固定在通風孔法蘭上，使用膠片對軸流風機和通風孔之間的縫隙進行填充，減少運行使軸流風機的晃動，最后在靠塔筒外側一端的通風孔上加上防護用鐵絲網和防護格柵板。塔筒散熱改造后的效果通過塔筒門上和塔筒底部軸流風機同步從外向里吹風，使變頻器環境溫度降低4℃以上，降低了高溫季節變頻器的工作環境溫度，使變頻器降功率運行和環境溫度過高停機的故障基本未再出現，同時，通過該改造有效改善變頻器功率模塊及其驅動、控制板件的工作環境溫度，大幅降低了變頻器故障率，提高了風電機組的安全性和穩定性。2018年該風電場23臺風機進行增加塔筒散熱軸流風機技改后，全年未發生變頻器降功率運行和功率模塊燒壞故障，每年約減少變頻器環境溫度高降功率運行損失電量約4萬kW.h，費用約2.4萬元，同時改善了變頻器工作環境溫度，大幅降低了設備故障率，每年減少變頻器功率模塊損壞備件費用約22.2萬元。風電變頻器散熱通風改造的建議風電變頻器作為風電機組功率轉換的核心部件，其內部主要元件為大功率電力電子元件和電容，這些電氣元件隨著環境溫度的升高極易出現過溫燒毀故障，因此變頻器的運行環境溫度直接影響著風電機組的安全穩定運行。目前行業內普遍應用的雙饋型風力發電機組主要采用風冷式變頻器，隨著運行時間的推移，設備逐步老化，其散熱效率逐漸下降，變頻器故障頻發成為行業的共同問題。由于風電機組變頻器運行時會產生大量的熱量，塔筒底部相對于變頻器來說是一個相對封閉的空間，因此塔筒良好的散熱性能對變頻器來說十分重要，后期對于風電機組塔筒散熱通風流量設計選型時應對變頻器散熱功耗及當地環境溫度進行復核計算，選擇通風流量合適的塔筒軸流風機以及安裝位置，保障變頻器設備安全穩定運行。針對運行時間較長的老舊機組，可進一步對變頻器本體散熱進行技改和深度維護，通過換熱鋁板升級銅管式散熱器、散熱硅脂更換與升級、功率模塊擴容、電容更新等方式可進一步提供變頻器散熱效率，這也是今后行業內老舊風電變頻器進行散熱改造的發展方向。Refe