高效整體式的直流側(cè)支撐電容散熱方式

• 關(guān)鍵詞： 電解電容散熱 風(fēng)電變流器
• 摘要：受國家扶助政策的影響，越來越多的風(fēng)電整機(jī)廠家推出3MW、5MW、6MW等更大功率的發(fā)電機(jī)組。但受于風(fēng)電場征地面積等影響，大功率風(fēng)電變流器仍然安裝在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)，導(dǎo)致風(fēng)電變流器的結(jié)構(gòu)緊湊，其內(nèi)部直流側(cè)支撐電容的散熱不理想。大多數(shù)變流器廠家忽略了電解電容散熱的重要性，導(dǎo)致其表皮溫度超過80℃，雖然不影響變流器整機(jī)的運(yùn)行使用，但嚴(yán)重影響了其本身的使用壽命。本文以3MW風(fēng)電變流器的工程實(shí)際設(shè)計(jì)為例，對其直流側(cè)支撐電解電容的散熱給出了一種高效、整體式、便于維護(hù)的解決方案。該設(shè)計(jì)方案不僅可以滿足3MW風(fēng)電變流器直流側(cè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用領(lǐng)域，對于新能源、分布式發(fā)電技術(shù)的國產(chǎn)化具有重要的推動作用。

1 引言

隨著風(fēng)電機(jī)組的功率不斷的增大，目前所使用的風(fēng)電變流器的功率也在不斷的增大，3MW風(fēng)電變流器在風(fēng)電行業(yè)內(nèi)屬于大功率變流器，整機(jī)內(nèi)部有IGBT、電解電容這樣的高發(fā)熱電子元器件，一臺3MW風(fēng)電變流器共有16個(gè)功率模塊，每個(gè)功率模塊內(nèi)部有16個(gè)電解電容，同時(shí)還包含一塊連接IGBT與電解電容的正負(fù)疊層母排。其中，每只電解電容的發(fā)熱量為78.4W，16個(gè)模塊的總發(fā)熱量就有20.07KW，由于變流器內(nèi)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(nèi)部，軸流風(fēng)扇強(qiáng)制對流冷卻對模塊內(nèi)部的256個(gè)電解電容的散熱效果很差，當(dāng)電解電容溫度過高時(shí)會發(fā)生爆炸現(xiàn)場，電解電容的爆炸會導(dǎo)致IGBT的相繼爆炸；此外，疊層母排在狹小的空間內(nèi)連接IGBT與電解電容，疊層母排的溫度在變流器全功率運(yùn)行時(shí)會高達(dá)近100℃，一旦散熱不充分，不僅會導(dǎo)致銅排的載流量下降，同時(shí)會導(dǎo)致正極與負(fù)極母線排之間的絕緣層老化，發(fā)生放電爆炸的情況。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文針對直流側(cè)支撐電容的散熱要求，介紹了一種具有高效整體式風(fēng)道、維護(hù)方便、可靠、安全等級高的散熱方式。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 理論散熱計(jì)算

3MW風(fēng)電變流器的直流側(cè)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(shí)可長期運(yùn)行20000小時(shí)。

根據(jù)高壓變頻器的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，電解電容的設(shè)計(jì)按50—70uF/A的容量需求是比較合理的，則3MW風(fēng)電變流器的電解電容容量應(yīng)控制在150000uF—21000uF之間。當(dāng)選擇BHC 12000uF電容時(shí)，變流器的總電容容量為12000uF*16=192000uF，電流與電解電容的關(guān)系為192000uF/3000A=64uF/A，其容量是滿足設(shè)計(jì)需求的。

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

電容總發(fā)熱量為Q=256*43.06=11.02KW，總散熱風(fēng)冷按兩倍的設(shè)計(jì)余量計(jì)算，電容強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱需要的總風(fēng)量為Qf=1.76*（11020/20）*1.7*2=3297m3/h?？紤]足夠的余量，設(shè)計(jì)選用四個(gè)355型號的風(fēng)機(jī)。其性能曲線如圖1所示。

2.2散熱仿真計(jì)算

電解電容的整體散熱方案為：在柜體中部設(shè)置有一將柜體分為前柜體和后柜體的風(fēng)道擋板，功率模塊內(nèi)設(shè)置有散熱通道，散熱通道連通前柜體和后柜體，在后柜體外側(cè)設(shè)置有與后柜體連通的抽風(fēng)機(jī)，使得前柜體、散熱通道、后柜體在柜體內(nèi)形成散熱風(fēng)道，氣流從前柜體吸入變流器，經(jīng)功率模塊內(nèi)的散熱通道后由后柜體的抽風(fēng)機(jī)送出變流器，能夠很好的帶走功率模塊內(nèi)的熱量，散熱通道的模塊出風(fēng)口與變流器內(nèi)的連接銅排對應(yīng)，且散熱通道還配置有與疊成母排對應(yīng)的疊成母排出風(fēng)口，故在柜體內(nèi)的散熱風(fēng)道不僅能夠很好的帶走功率模塊內(nèi)的熱量，對功率模塊內(nèi)進(jìn)行散熱，且能夠?qū)ΟB成母排、連接銅排進(jìn)行散熱，整機(jī)的風(fēng)道布置合理高效，散熱效果好。如圖2所示。

進(jìn)一步，變流器采用多個(gè)設(shè)置在后柜體外側(cè)的抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)散熱產(chǎn)生對流，無需在功率模塊內(nèi)單獨(dú)配置散熱風(fēng)扇，維護(hù)方便，減少成本，且當(dāng)部分抽風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，剩下的抽風(fēng)機(jī)仍能保證變流器內(nèi)散熱風(fēng)道的正常運(yùn)作，變流器內(nèi)的溫度不會短時(shí)間升高，提供足夠的預(yù)警或報(bào)警時(shí)間，減少風(fēng)機(jī)失效而造成的風(fēng)險(xiǎn)，可靠性高。

如圖3和4所示為仿真結(jié)果。流經(jīng)電解電容的平均風(fēng)速處不低于V=5.2m/s，每一層電容散熱需要的風(fēng)速比較均勻。對流換熱系數(shù)值hc≈18.3*5.20.5=41.7W/m2.K，單個(gè)電容的發(fā)熱量為Q1=43.06W，電容的有效散熱面積為A=0.06m2，可以計(jì)算出直流側(cè)電解電容的溫升為

△T1=43.06/（41.7*0.06）=17.2K。

2.3溫升測試結(jié)果

在變流器全功率測試中，集裝箱內(nèi)部環(huán)境溫度為36℃，電解電容實(shí)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(shè)計(jì)計(jì)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?！鱐2與△T1相差3.7K，測試值優(yōu)于理論計(jì)算值。在對電解電容進(jìn)行風(fēng)速測試時(shí)，測試得到的風(fēng)速處于V=5.4m/s左右，偏大于理論設(shè)計(jì)值5.2m/s，風(fēng)速的差異導(dǎo)致溫升上3.7℃的差異。

3 結(jié)論

通過本文闡述的一種高效整體式的電解電容散熱方式，在柜體中部設(shè)置有一將柜體分為前柜體和后柜體的風(fēng)道擋板，功率模塊內(nèi)設(shè)置有散熱通道，散熱通道連通前柜體和后柜體，在后柜體外側(cè)設(shè)置有與后柜體連通的抽風(fēng)機(jī)，使得前柜體、散熱通道、后柜體在柜體內(nèi)形成散熱風(fēng)道，在柜體內(nèi)的散熱風(fēng)道不僅能夠很好的帶走功率模塊內(nèi)的熱量，并能夠?qū)ΟB成母排、連接銅排進(jìn)行散熱，整機(jī)的風(fēng)道布置合理高效，散熱效果好，且維護(hù)方便、成本低，當(dāng)部分抽風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，剩下的抽風(fēng)機(jī)仍能保證變流器內(nèi)散熱風(fēng)道的正常運(yùn)作，變流器內(nèi)的溫度不會短時(shí)間升高，減少風(fēng)機(jī)失效而造成的風(fēng)險(xiǎn)，可靠性高。通過樣機(jī)試驗(yàn)及工程實(shí)踐，充分驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方案的合理性。