塔底主動風‑水耦合冷卻系統的製作方法

2023-10-26 03:29:42 2

本發明涉及一種陸上大功率風力發電機組塔底冷卻系統，特別涉及一種塔底主動風-水耦合冷卻系統。

背景技術：

隨著風力發電技術的迅猛發展，陸上風力發電機組發電功率逐步增高，機組運行過程中產生的熱量也會逐步提升，其中變頻器、箱變是塔底主要發熱源。如何確保塔底熱源高效排除塔外已成為確保風機正常運行的關鍵問題之一。

對於風力發電機組，傳統塔底冷卻形式存在風冷和水冷兩種形式，對雙饋型變頻器，當容量達到2.5mw以內，全功率變頻器容量達到1.5mw以內，通常採用風冷形式對塔底熱源進行冷卻。當容量大於上述值之後，由於發熱量大，風冷形式已無法滿足散熱需求，故通常採用水冷形式。

上述傳統冷卻方式存在各自缺陷，對於風冷形式，整個變頻器都採用風冷形式，包括變頻器內部的功率模塊、電抗等，由於風冷形式的散熱能力差，而功率模塊的熱流密度大，因此隨著變頻器功率等級的提升，風冷形式將難以滿足功率模塊等器件的散熱，嚴重影響功率模塊的性能與使用壽命。因此，隨著功率等級的提升，水冷形式成為主流散熱方式，目前大功率的變頻器內部，功率模塊、電抗等大熱流密度的器件普遍採用水冷形式，水冷形式雖然可以滿足散熱需求，但可靠性較差（如夜冷系統易發生滲漏、管路易腐蝕等）、成本高和維護難度大。

目前，大容量機組已成為陸上機組的主流，對冷卻系統的要求越來越高。傳統最容易設計的風冷形式中變頻器散熱已無法完全由塔筒的煙囪效應帶走。對於大功率的變頻器，由於其發熱量大，煙囪效應難以有效的帶走塔底熱量，勢必導致塔底與變頻器過溫。而水冷本身的高成本和維護難又面臨著市場的考驗。

技術實現要素：

本發明是針對陸上大功率風電機組塔底冷卻散熱瓶頸、風電行業降本要求高的問題，提出了一種塔底主動風-水耦合冷卻系統，為散熱效果好、可靠性高、成本低的塔底冷卻系統，適用於陸上大容量風電機組。

本發明的技術方案為：塔底主動風-水耦合冷卻系統，塔底開通風孔，塔筒側壁開孔，加裝主動排風裝置形成整個系統從下向上的風冷循環，發熱器件位於高處，發熱器件帶水冷循環，風冷循環和水冷循環對發熱器件進行耦合冷卻。

所述塔底主動風-水耦合冷卻系統，變壓器和水冷櫃位於塔筒塔底，塔筒門進風口位於塔底，變頻器位於塔筒二層平臺上或以上，水冷散熱單元位於塔筒外，塔筒側壁開通風孔並加裝排風扇，塔筒塔底一層平臺下面塔底部加開通風孔；

主動風冷循環中，塔底通風孔和塔筒門進風口吸入塔外冷空氣，經變壓器自帶風扇將部分冷空氣吸入變壓器中對變壓器進行冷卻，變壓器出口處空氣與未進入變壓器中的冷空氣進行混合，混合之後的空氣被變頻器自帶風扇吸入變頻器中，對變頻器中風冷模塊進行冷卻，被加熱的空氣排出變頻器之後，再由塔筒側壁的開孔與排風扇排出室外，完成主動風冷循環；

水冷冷卻循環中，高溫冷卻液經過水冷櫃中泵站先輸送到水冷散熱單元進行冷卻，被冷卻的水冷液通過水冷櫃進入變頻器之後，對變頻器中的水冷模塊進行冷卻，被加熱的水冷液，經過泵站再次輸送到塔外水冷散熱單元進行冷卻，完成循環。

所述變頻器中大熱流密度器件位於獨立櫃體中，其他器件位於另一個櫃體中，大熱流密度器件帶水冷模塊，整個變頻器帶風冷模塊。

所述大熱流密度器件帶水冷模塊，水冷模塊為穿過大熱流密度器件內部的水管路，通過塔外水冷散熱單元與進出水管路對大熱流密度器件的進行水冷冷卻。

所述風冷模塊包括開孔和風扇，通過在變頻器兩個櫃體底部開孔，兩個櫃體上部兩邊的風扇引入外部新風通過整個變頻器內部，對變頻器內部其他器件及大熱流密度器件進行風冷冷卻，冷卻完的空氣由風扇排出。

本發明的有益效果在於：本發明塔底主動風-水耦合冷卻系統，通過在塔筒底部加裝主動風冷裝置，實現塔筒底部主動風冷循環，通過塔底水冷循環實現水路循環。主動風冷裝置用於實現對塔底箱變、變頻器等部分熱源的溫度控制，水冷循環用於對變頻器等中大發熱量部件溫度進行控制，風-水耦合冷卻循環相互結合實現對塔底環境溫度與溼度的精確控制。塔底風-水耦合冷卻系統充分利用風冷系統運行穩定、成本低，水冷系統冷卻效果好的優點，將二者有效結合，該系統對於提升陸上大功率風力發電機組運行可靠性、降低成本有著十分重大的意義。

附圖說明

圖1為本發明塔底主動風-水耦合冷卻系統工作原理圖；

圖2為本發明變頻器內部冷卻系統結構示意圖；

圖3為本發明變頻器俯視圖。

具體實施方式

塔底主動風-水耦合冷卻系統包括主動風冷冷卻循環，水冷冷卻循環構成，塔底箱變採用主動風冷進行冷卻，變頻器由主動風冷與塔外水冷進行耦合冷卻。通過塔底環境溫度控制主動風冷風扇的啟停，來實現對箱變、變頻器和塔底環境溫度的控制。

圖1所示為塔底風-水耦合冷卻系統的原理圖，變壓器2和水冷櫃3位於塔筒塔底一層平臺上，塔筒門進風口7位於塔筒底部，變頻器4位於塔筒二層平臺上或以上，水冷散熱單元6位於塔筒外，塔筒側壁開通風孔並加裝排風扇5，塔筒塔底一層平臺下面塔底部加開通風孔1。

主動風冷循環中，塔底通風孔1和塔筒門進風口7吸入塔外冷空氣，經變壓器2自帶風扇將部分冷空氣吸入變壓器2中對變壓器2進行冷卻，變壓器2出口處空氣與未進入變壓器2中的冷空氣進行混合，混合之後的空氣被變頻器4自帶風扇吸入變頻器4中，對變頻器4中風冷模塊進行冷卻，被加熱的空氣排出變頻器4之後，再由塔筒側壁的開孔與排風扇5排出室外，完成整個主動風冷循環。

水冷冷卻循環中，高溫冷卻液經過水冷櫃3中泵站先輸送到水冷散熱單元6進行冷卻，被冷卻的水冷液通過水冷櫃3進入變頻器4之後，對變頻器4中的水冷模塊進行冷卻，被加熱的水冷液，經過泵站再次輸送到塔外水冷散熱單元6進行冷卻，完成循環。

圖2所示變頻器內部冷卻系統示意圖，包括風冷模塊和水冷模塊。功率模塊濾波器件發熱量佔總發熱量的80%以上，且體積小，熱流密度大，稱之為大熱流密度器件，大熱流密度器件8位於獨立櫃體中，其他器件位於另一個櫃體中，由於熱流密度大，大熱流密度器件8主要採用水冷形式，水冷模塊為穿過大熱流密度器件8內部的水管路，通過塔外水冷散熱單元6與進出水管路12對大熱流密度器件8的進行水冷冷卻。

餘下發熱部件採用風冷形式，風冷模塊包括開孔11和風扇10，通過在變頻器兩個櫃體底部開孔11，兩個櫃體上部兩邊的風扇10引入外部新風通過整個變頻器內部，如圖3所示變頻器俯視圖，對變頻器內部餘下發熱部件9及大熱流密度器件8進行風冷冷卻，冷卻完的空氣由風扇10排出。

塔底主動風-水耦合冷卻系統將現有單一的變頻器4冷卻方式由單一冷卻形式（風冷或水冷）改為主動風-水耦合冷卻形式，變頻器4中功率套件由水冷循環進行冷卻，其餘熱源由主動風冷循環進行冷卻，因為有兩種散熱方式，可以結合控制，針對不同溫度進行散熱的組合利用，降低散熱方式所用器件會在高負荷下工作，大大降低了器件的維修率。另僅在變頻器4功率套件8中使用水冷散熱，散熱器件結構設計難度降低，並且維護難度同時降低。

塔筒側壁排風扇5啟停由變頻器4的進風溫度決定。當變頻器進風溫度達到45℃時，排風扇5啟，低於40℃時排風扇5停。