成都理工大学工程技术学院的研究人员王佰川，在2017年第10期《电气技术》杂志上撰文，介绍了北欧某项目变流器水冷系统的重要参数的计算过程，包括空气散热器的芯体散热面积的计算、散热电动机选型、膨胀罐选型、冷却液选型、风机导风筒选型、芯体集水盒内的加热器选型。通过阐述风电变流器水冷系统的运行原理为大功率风电变流器的水冷系统的设计提供了参考。
2014年东方电气2.5ＭＷ直驱永磁风力发电机组批量化地打入欧洲市场。项目年结冰期5个月，低于零下20°C的时间300小时，低于零下25°C的时间42小时[1]。最好的风力在冬季，为了有效利用结冰期的风资源，东方电气对变流器水冷系统做了特殊设计。
该地区高寒高湿，凡是机组和外界空气能接触的任何死角都有大量结冰，具体见图1：
图1 北欧某风场
1 变流器水冷系统的工作原理
图2 变流器水冷系统的工艺流程图
从图2可以看出工作原理：冷却液流经变流器带走热量，冷却液由循环泵的进口经室外空气散热器与冷空气进行热交换，散热后再进入变流器。在水冷系统室内管路和室外管路之间设置电动三通阀，由变流器控制系统检测当前冷却液温度自动控制电动三通阀，从而调节进入空气散热器的流量来实现温度调节。
冷却模式：当变流器工作产生热量时，冷却液带走热量，根据设定的启停温度依次起动散热电动机实现冷却液的热交换。
加热模式：当环境温度太低时，为防止变流器柜内的凝露，根据设定的启停温度起动电加热器对冷却液加热。电加热器与散热电动机互锁，不能且不会同时起动。
2 重要参数计算
变流器水冷系统的重要参数见表1。
表1 系统重要参数表
2.1 空气散热器的芯体散热面积
外冷系统为板翅式空气散热器，工作原理：采用风冷实现冷却液的散热，热水被输入空气散热器，流过铝质冷却板腔，水的热量传给冷却板翅，在空气侧，由冷却风机将空气吸入，使之流过板翅间，热量传给空气排出。冷水由空气散热器流出送至变流器，从而保证变流器在允许的温度下运行[2]。
1）稳态传热方程
2）传热系数
3）边界条件计算
2.2 散热电动机选型
2.3 膨胀罐选型
在主循环管路上串联有压缩空气稳压单元，由膨胀罐、手动排气阀、自动排气阀等组成。膨胀罐充有稳定压力的压缩空气，当系统压力损失时，压缩空气自动扩张，把冷却水压入循环管路，以保持管路的压力恒定和冷却水的充满。
整个系统冷却液总容量V为200L,冷却液的热膨胀系数α经查表为0.0735，P2为冷却液进变流器最大压力4bar，P1为膨胀罐预充空气压力1.2bar，膨胀罐的容积C的计算：
（9）
按选大不选小原则，该品牌系列产品中最接近的是24L，所以选24L的膨胀罐。
3 防冻设计
严酷的冰雪环境对变流器水冷系统影响很大，空气散热器需要防冻设计；另外，考虑到风电机组的起动时间限制需要对水冷的加热系统重新设计。
3.1 冷却液选型
防冻液的作用：防腐保护、防止水垢、带走热量。冷却液中丙二醇的浓度越高则冷却液的比热容越小会导致散热效果越差，浓度越低则冷却液的冰点越高。用试验得出该项目冷却液各成份比例（体积比）：53%的蒸馏水、46.5%的丙二醇、0.5%的防腐剂。
乙二醇和丙二醇都是工业冷冻行业中常用的低温载冷剂。丙二醇虽然昂贵但却具有无毒、冰点低等优点。介于极寒天气和苛刻的欧盟环保要求，该项目选择了丙二醇。两者物性对比见表2。
表2 乙二醇与丙二醇物性对比表
3.2 风机导风筒
水冷本体及相关部分安装在塔筒内平台上，水冷本体与空气散热器通过不锈钢管道和软管连接。塔筒外壁安装了悬空支架平台，空气散热器水平安装在该支架上，即空气散热器的进风与地平面垂直。
如图3，在空气散热器出风口增加导风筒，防止雨雪进入散热器而结冰。另外，为防止电动机叶片表面结冰和电动机润滑油冰冻，在三个风筒上增加三个空气加热带，加热带与散热电动机互锁，电动机停止时加热带同时起动。
图3 空气散热器
90°风道会增加空气散热器通风风阻，从而在选型风机时提高风压或选型芯体时降低风阻。风管内空气流动的阻力有两种，一种是由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，为摩擦阻力；另一种是空气流经风管中的管件及设备时，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失，为局部阻力。局部阻力的公式：Z=ξν2ρ/2。
矩形风道：
空气散热器总风量54000m3/h（即单个风筒风量为18000m3/h），矩形风道截面h为2.8m、宽度b为0.8m。ξ—局部阻力系数，查表3得到：ξ=0.2；ν—风管内空气的平均流速，m/s；ρ—空气的密度，1.396Kg/m3。矩形风道截面见图4。
图4 矩形风道截面示意图
表3 90°矩形弯道局部阻力系数表
风管内平均风速:增加矩形通风管道后增加局部阻力0.695Pa。风量54000m3/h条件下，空气散热器芯体风阻130Pa。
风机风压=160Pa>130+0.695=130.695Pa，满足要求，且裕量非常大。圆形风道：圆形风道截面示意图见图5：
图5 圆形风道截面示意图
圆形弯道局部阻力系数的计算：总风阻=27.1+130Pa=157.1Pa＜160Pa
满足要求，但是裕量非常小，散热效果肯定不如矩形风筒。
综合以上得出增加矩形导风筒是合理的。
3.3 芯体集水盒内的加热器
风雪可以不留任何死角的粘在空气散热器的四周，即使是进风的空气散热器底部。为了避免冰冻引发堵塞，将细长型加热棒安装到散热器芯体集水盒内，开启加热棒和水冷自带加热器，能快速将散热器表面的冰雪融化。
整个系统总水量200L，冷却介质的密度为1030kg/m3，冷却介质在-30℃的比热约为3.5kJ/(kg×K)，需要30min内将冷却液由-30℃加热至5℃，加热功率为：
水冷系统自带4KW电加热器，因此加热棒为10kW。
4 风场冷却效果验证
在最热的7月和最冷的3月对变流器的冷却效果进行分析。现场使用风电机组的SCADA系统记录每天60min数据，然后在办公软件office Excel中将数据合成为整月的图形，详情见图6、图7。
图6 7月冷却系统与变流器温度曲线
从图6看出变流器的冷却效果良好，各项指标均在正常范围内，具体情况：入变流器冷却水温度最大值基本稳定在30℃,网侧/机侧模块温度最大值基本稳定在70℃,入变流器冷却水压力最小值大约是3.8bar,出变流器冷却水压力最小值基本稳定在1.1bar。
图7 3月冷却系统与变流器温度曲线
从图7看出变流器冷却系统的防冻措施足以保障机组在严酷的极寒天气中稳健运行。
5 结论
该项目变流器水冷系统的设计严格依据选型计算书且满足CE认证和欧盟环保要求。通过风场的运行数据得知冷却效果良好，希望本文能给同行以借鉴。
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