高效整體式的直流側支撐電容散熱方式

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(yè)內屬于大功率變流器，整機內部有IGBT、電解電容這樣的高發(fā)熱電子元器件，一臺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(fā)熱量為78.4W，16個模塊的總發(fā)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(fā)生爆炸現(xiàn)場，電解電容的爆炸會導致IGBT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(fā)生放電爆炸的情況。

為了克服現(xiàn)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(jù)高壓變頻器的開發(fā)經(jīng)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(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：在柜體中部設置有一將柜體分為前柜體和后柜體的風道擋板，功率模塊內設置有散熱通道，散熱通道連通前柜體和后柜體，在后柜體外側設置有與后柜體連通的抽風機，使得前柜體、散熱通道、后柜體在柜體內形成散熱風道，氣流從前柜體吸入變流器，經(jīng)功率模塊內的散熱通道后由后柜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，故在柜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后柜體外側的抽風機進行抽風散熱產(chǎn)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(xiàn)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(jīng)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(shù)值hc≈18.3*5.20.5=41.7W/m2.K，單個電容的發(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(huán)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?！鱐2與△T1相差3.7K，測試值優(yōu)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，在柜體中部設置有一將柜體分為前柜體和后柜體的風道擋板，功率模塊內設置有散熱通道，散熱通道連通前柜體和后柜體，在后柜體外側設置有與后柜體連通的抽風機，使得前柜體、散熱通道、后柜體在柜體內形成散熱風道，在柜體內的散熱風道不僅能夠很好的帶走功率模塊內的熱量，并能夠對疊成母排、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(xiàn)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。