林锦华
摘 要：兆瓦级风力发电机变流器的散热一般采用空气冷却和水冷却两种方式。水冷有体积小、散热效率高和各器件易更换等优势，一般大兆瓦变流器都采用水冷方式。文章以某1.5MW风力发电机组为例，根据水冷系统运行出现的问题进行优化设计，并阐述了设备的优化选型思路，最后对关键问题的验证手段进行了分析。
关键词：变流器；水冷系统；优化设计
前言
目前，在1.5MW和2MW机型上，约有65%的风机变流器使用水冷。在大兆瓦机型上，几乎全部采用水冷。从2005年开始，国内大多数风电整机厂家开始引进国外兆瓦级风力发电技术，而国内厂家直接采用进口水冷产品与进口变流器进行配套使用。由于国内风电整机厂家并未对水冷给予足够的关注，同时进口水冷产品厂家没有充分考虑国内、外使用环境的差异性，直接套用国外经验和产品，以致运行期间出现温度调节功能失效、温度压力突变等问题，基于此对系统进行设计优化和选型优化。
1 水冷系统出现的问题及优化设计研究
1.1 针对温度调节功能失效问题的优化设计
国外主流产品通常在水泵进口处设置温控阀，该温控阀是机械式自励调节。随着温度的逐步上升开始逐步导通水-风冷却器循环回路，使得其中一部分水直接回水泵，另一部分水则进入水-风冷却器进行循环；随着温度的升高，通过水-风冷却器的流量逐渐增加，直接回水泵的流量减少，直至最后冷却介质全部通过水-风冷却器循环。由于系统温升（降）波动大，机械式的温度调节速度无法与电动调节的方式配比，而且由于内部结构的限制，机械式温控阀往往容易出现受异物堵塞的问题。
针对上述现象，优化设计的思路是在与空气换热器的进口管路连接的循环管路上设置一电动三通阀，且该电动三通阀的一支路与和空气换热器出口管路连接的循环管路连通，从而控制流经空气换热器回路的流量。根据水温的变化，三通阀在一定温度范围内自动调节阀门工作角度从而控制流经换热器的流量比列，当水温过低时，使一部分从被冷却器件中过来的热水不经过空气换热器降温，直接回到主循环泵的入口，从而使循环水温回升。优化后的工艺流程图详见图1。
1.2 针对温度、压力突变问题的优化设计
国外主流产品通过隔膜式膨胀罐、安全阀的组合作为缓冲单元，罐内预充一定气体压力，通过膨胀罐把液压能转化成弹性势能储存起来并维持泵出口压力的稳定。当泵出口压力出现波动时，膨胀罐释放或储存能量参与系统的调节，当系统压力过高时安全阀动作排出部分冷却水来维持系统的正常压力。由于内部冷却介质的不断排出，此设计会带来系统补水维护周期过短的问题。隔膜式膨胀罐的选用，由于罐身与冷却介质直接接触从而会造成冷却液污染的问题。
针对此问题，优化设计措施是采用气泵、电磁阀和气囊式膨胀罐组合成为系统的缓冲单元，吸收和释放密闭系统内冷却水随温度变化时产生的体积变化引起的压力波动。压力高时电磁阀动作排气释放压力，压力低时气泵启动提升系统压力，系统能满足随风速变化、风机负载和波动幅度大对系统压力产生的波动性。
此设计能有效防止水冷系统失压所造成的补压维护周期过短的问题；气囊式膨胀罐能很好的实现水汽分离，水储存在气囊内部不与罐体有接触。
2 空气散热器翅片的优化选型
空气散热器翅片形状根据流体性能和设计使用条件等选定，考虑风力发电风场所在地区空气中含有固体悬浮物，为避免流道堵塞而影响散热能力，空气流道应选用平直型翅片，而不是锯齿形翅片。虽然在同等面积下锯齿形翅片相对于平直型翅片换热性能略优，但由于其为交错排列，极容易受风沙、柳絮等异物堵塞通道，因此宁可增大换热面积而选用不易堵塞的平直型散热器翅片。
3 关键问题验证
3.1 散热能力验证
为避免水冷系统出现换热能力不足的问题，水-风换热设备需进行热负荷测试验证。热负荷系统工艺流程图如图2所示。
系统内为要求的冷却介质，在对应流量及投入功率下，待其相对稳定后，记录各进、出水温度值，进、出风温度值，从而可以计算出对数平均温差、传热系数及冷却容量等参数。当冷却容量大于等于额定冷却容量时，可以确定散热器符合设计要求，同时还可以测量散热器的噪音、风量等数据。
3.2 软管高低温耐水压验证
风力发电水冷系统设备间的连接多数选用橡膠软管连接，因此软管的密封性能尤为重要。国内很多水冷厂家未能有效的解决软管低温渗漏的问题，因此对软管高低温耐水压进行验证十分重要，验证条件和内容主要包括：（1）软管必须在常压0.8MPa下，通过-40℃～55℃，72小时高、低温交变试验验证。（2）软管必须通过2倍工作压力的耐压试验验证。（3）软管必须通过70%爆破试验压力的渗漏试验验证。（4）软管必须通过4倍工作压力的爆破试验验证。（5）高低温、耐压和渗漏试验中不应出现渗漏或其它密封失效，爆破试验压力值不低于最小爆破压力。
4 结束语
近年来国内兆瓦级风力发电机技术已跃居国际风力发电的先进水平，本文对目前主流兆瓦级风力发电水冷系统出现的问题进行了设计优化，并对关键问题的验证手段进行了分析，对今后进一步开展大功率风力发电水冷系统的研究具有一定的借鉴意义。
