兆瓦级风力发电机组高温气候应对技术及应用

兆瓦级风力发电机组高温气候应对技术及应用刘豪、刘敏、董红云南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南，株洲，412000摘要：在新疆地区，尤其是接近吐鲁番一带，年最高气温接近50度，当风机处于极端高温环境下运行时，机舱壳体吸收日照热量，加之齿轮箱、发电机运行时产生热量，机舱内部温度接近60度，电气柜内温度将会更高。发电机绕组温度每提高10度，其寿命就会减半；齿轮箱内部油温高，齿轮油容易变质，齿轮的磨损也加据；变频器内部IGBT会过温限功，影响风机使用率，如果工作温度进一步升高接近甚至超过100度，可能造成IGBT模块短路爆裂。如何让风机能从容应对如期而至的高温天气，成为我们将要思考和解决的问题。关键字：极高空气温度、IGBT、半导体致冷HighpowerMWwindturbinetechnologyandapplicationofhightemperatureclimateAbstract:Operatingintheregion,especiallytowardtheTurpanarea,annualmaximumtemperaturescloseto50degrees,whenthefanwhenrunningunderhighairtemperatures,cabinshellduetoprolongedexposuretotheSun,combinedwiththegearbox,powergeneratesheatduringoperation.Internaltemperatureofabout60degrees,thetemperatureinsidetheelectricalcabinetwouldbeevenhigher.Ifthefanlongtimetoruninsuchanenvironment,thegeneratorwindingtemperatureby10degrees,itslifewillbecutinhalf,insidethegearboxoiltemperature,gearoilgobadeasily,gearwearisalsoadded.InternalIGBTinverternotworkingathightemperatureforlongterm.If,withthelongtermoperationoftheequipment,andthefurtheragingofthecoolingsystem,converteroperatingtemperaturesrisingclosetoorevenexceeding100degrees,maycauseshortcircuitofIGBTmoduleburst.Howtoallowwindfunctiontopreparedulyfollowedbyhotweather,wewillwanttothinkaboutandsolveproblems.Trycombiningtraditionalcoolingsystemandanewtypeofsemiconductorrefrigeration!（相应更改）Keywords:hightemperature,IGBT>Semiconductorrefrigeration目前，随着国内风电产业的迅猛发展，风电产业日渐成熟，但随着设备运行时间越来越长，风力发电设备所处的环境大多是高温、高原、沙尘等复杂恶劣的环境，所以各个独立单元所暴露出来的问题日渐增多，特别是在高温、沙尘等复杂环境下，风机部件过温问题越来越严重，散热效果明显下降，设备可利用率越来越不可观。所以，解决风机部件过温问题，提升散热效率，改善散热系统结构，选择最佳的冷却方式显得尤为重要。1、风机常用的冷却方式1.1水一空冷却由于水的比热容大，水冷系统具有换热效率高、散热快的特点，成为现在大功率变流器和双馈式发电机主流的应用技术。系统组成为：驱动液体循环的水泵、水-空冷却器、连接管件、检测仪表及冷却液组成。原理图（被冷却部件为变流器）如下:水泵工作后，冷却水经变频器、冷却器组成冷却水循环回路。水温低于25°C时，三通温控阀未打开，冷却水流经发电机、变频器和其它换热管路后，不经过外部冷却板直接流回泵单元。水温低于25°C时冷却介质不通过冷却板，当冷却水温度上升高于25°C温控阀逐渐打开，水温超过30C时温控阀完成打开，直至最后全部通过冷却板进行循环回路。水泵出口设有压力罐，预充一定氮气压力，作用相当于隔膜式蓄能器，正常情况下通过压力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，当系统瞬时需要大流量或泵出口压力出现波动时候，此时压力罐释放之前所储存的能量参与系统的调节。水泵集成，整个系统的动力单元，由电机和水泵组成。水泵入口和出口都设有铜热电阻PT100,入口处用于检测发电机和变流器的回水温度，出口处用于检测水泵出口的冷却水温度。水泵出口设有压力表，用于实时测量泵出口的压力值。水泵出口设有压力继电器，当冷却水压力低于一定值时，压力继电器发出低压报警信号。水泵出口设有自动排气阀，当系统中存在气体时，自动排气阀会自动排出系统气体。水泵出口还设有安全阀，当冷却水压力超过设定值3bar时，安全阀动作，用以维持系统压力的稳定。水泵出口设有充水球阀，系统正常工作时为常闭，当系统需加注冷却介质时把球阀打开，连接到外部动力单元往系统管路添加冷却介质，为系统提供充足的压力，保证系统长期稳定运行。测压接头，便于测量系统回流的压力大小，即泵的进口压力值。泄压阀，当系统压力超过正常工作压力，达到一个定值时，泄压阀自动对外释放，以保护整个系统.

水泵集成系统1.2空-空冷却系统空-空冷却方式是指利用空气与风力发电机设备直接进行热交换达到冷却效果冷却介质为空气。

发电机空-空冷却系统空空冷却器内部轴流风扇电机外观发电机轴流式空空冷却器空-空冷却器不需要添加冷却液，利用空气换热，无需考虑冷却液变质和金属产生化学反映，结构紧凑、节省材料制造工艺性好，运行可靠以及安装、检修方便等优点。但空气换效率较低，往往增加一台甚至多台轴流风扇提高散热功率，受环境的影响效大、如空气温度变化、雨水沙尘侵蚀等情况。风机常见的关键部件过温故障问题分析。1部件限功基本原理:当齿轮箱轴承温度、齿轮箱油温、发电机绕组温度、发电机轴承温度、发电机侧电抗温度、变流器IGBT温度中的任一温度超过其对应的限功温度时，限功标志位1，同时限功积分开始。积分周期为5ms。超限越多，功率限功积分值就越大，当然这个值目前限制在额定功率的1/4，也就是说限功运行的最小值在为额定功率的25%。在限功率运行过程中，温度仍然呈上升趋势，那么就会导致停机保护。各单元温度保护值如下(以某型号双馈风机为例)：齿轮箱轴承保护温度 95度齿轮箱油保护温度80度发电机绕组保护温度155度发电机轴承保护温度110度发电机侧电抗保护温度155度变流器IGBT保护温度 100度2.过温故障原因分析：主要原因为变频控制柜内温度过高，热量无法及时散出导致故障报发。而冷却变流控制柜、导出控制柜内温度的水冷却系统就成了研究对象。影响水冷却系统冷却性能的因素可能有：、水冷却系统系统内部预充压力不足，循环流量不能达到设计要求；、水冷却系统管道系统部分堵塞；、水冷却系统冷却介质一一防冻液变质；、水-空冷却器表面积灰影响冷却能力；3.3,过温解决通用的方案：根据原因分析，采取如下方案进行处理，并已通过实践证明可行。、减少系统阻力，加大变流器单元的冷却介质流量。、定期清洗冷却系统管道单元，并做好相关防腐化措施；更换全新冷却介质，确保有良好的散热效果。、优化散热系统结构：增大集成水泵功率、提高系统内部俯环压力、改变介质流通管道直径从而达到增加流量的目的。增加过虑和防尘系统，因为系统会存在杂质，散热器容易被沙尘堵塞从而影响了散热效果。、定期清洗空冷部分散热器，保证良好的散热效果，使流通到空冷散热器的冷却介质能以最快速度冷却，从而保证流向各散热单元的冷却介质有更好的散热功能，吸收更多的热量，从而提高散热效定检检测各散热器风量是否正常，检查风扇启动电容容量是否达到，风扇电机是否有卡死现象，对存在问题的电容和电机进行更新处理。采用新型冷却方式彻底解决过温故障1半导体制冷的物理基础半导体制冷是建立于塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶效应共五种热电效应基础上的制冷新技术〃其中，塞贝克效应、帕耳帖效应和汤姆逊效应三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的，而焦耳效应和傅立叶效应是热的不可逆效应〃1.1拍尔贴效应法国物理学家，帕尔帖在1834年发现，当有外加直流电流流过由两种不同金属组成的闭合回路时，在两接头之一会有热量Q的吸收，而在另一接头上会有热量Q的放出〃这种吸收或放出的热量称为帕尔帖热〃帕尔帖效应的示意图，如下图所示”

帕尔帖效应的示意图接通电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的帕尔帖效应”这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是半导体制冷器的发明”7被致冷件7口7被致冷件7口热电制冷器半导体制冷在技术应用上具有以下的优点和特点：a、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。结构简单，部件少，维修方便b、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。c、 半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。d、 半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。e、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。f、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

3.2半