风力发电机组变流器散热装置的设计与研究.pdfVIP

摘要 风电变流器是风力发电机组中的核心设备，其性能的优劣、可靠性的高低是影响风 电系统发电质量的重要因素。但是随着大容量风电机组的发展，变流器中的功率器件承 受的电压和电流冲击越来越大，导致功率器件的温度也越来越高，较高的温度将影响风 电机组变流器中电器元件的使用寿命，尤其是变流器中绝缘栅双极型晶体管 （Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT ）模块。散热问题已经成为影响大功率风电机组发展中急 需解决的关键问题，本文针对新疆 2.5MW 直驱永磁式风力发电机组变流器的散热问题 进行研究，主要研究内容及结果如下： 1.对风电机组变流器中主要热源部件的现场调查和研究分析。通过对达坂城风电场 的实际调查发现变流器中的关键功率器件IGBT 模块和电抗器存在温度较高的问题，提 取监控平台的监控数据，通过数据处理工具对二者的温度变化情况进行数据分析，发现 风电机组正常运行时，IGBT 模块温度、电抗器温度与环境温度的温度差分别在 40 ℃左 右和 50 ℃左右，因此，对风电变流器散热装置的改进空间较大。 2.通过对目前风电机组变流器散热装置所使用的散热方案进行分析，并通过实际调 查发现：现有的水冷装置对进入变流器的过冷水不能及时进行分离，同时也不能及时对 加热后的过冷水进行检测。本文通过在入口处增加三通阀、改变两处温度传感器的位置， 解决了水冷散热装置存在的问题，通过对水冷装置改进前后的流程图对比分析，证明了 对水冷装置进行改进设计的可行性，提高了散热装置的安全性、可靠性以及检测的准确 性。 3.本文针对风电变流器中 IGBT 模块和电抗器所使用的水冷板分别进行了研究，并 通过有限元模拟仿真对比的方法探讨影响水冷板散热性能的因素。通过对 IGBT 模块水 冷板的设计仿真发现：流速相同的条件下多层流道具有较高的传热性能；流道相同的条 件下，选择合适的入口流速不仅有助于提高水冷板的散热性能，还能有效地降低系统的 运行功耗，延长其使用寿命。通过电抗器水冷板的设计仿真发现：与 O 型流道与 U 型 流道的水冷板相比，S 型流道水冷板具有内部无高温差，冷却液流速较高的特点，散热 效果更好。 4.根据对电抗器水冷板散热性能仿真分析结果，开展了影响电抗器水冷板散热性能 因素的相关实验。本文通过实验检验不同流道水冷板的散热性能，以验证研究结果的准 确性。通过实验证明同一时间 S 型流道水冷板最大温度为 29.5 ℃比 U 型流道水冷板和 O 型流道水冷板分别低了 4.4 ℃和 2.7 ℃，S 型流道水冷板可以较快地使得水冷板的整 体温度处于较低且可控的范围。 关键词：风电机组；散热装置；仿真分析；水冷板 ；IGBT I Abstact The wind power converter is the core equipment in the wind turbine, and its performance and reliability are important factors that affect the quality of the wind power system. However, with the development of large-capacity wind turbines, the voltage and current impacts of power devices in the converter are getting larger and larger, resulting in higher and higher temperatures of the power devices. The service life of the middle electrical components, especially the insulated gate bipolar transistor module (IGBT)in the converter. The problem of heat dissipation has become a critical issue that needs to be solved urge