250 kW储能逆变器热仿真分析研究

章晓沛，王尧

（东方电气集团中央研究院，四川成都，611731）

250 kW储能逆变器热仿真分析研究

章晓沛，王尧

（东方电气集团中央研究院，四川成都，611731）

文章以250 kW储能逆变器为例，对热设计的思路进行了论述，并详细介绍了机柜级热仿真分析的步骤和方法。同时，通过对热仿真结果的分析，对进一步优化结构设计提出了改进建议。

250 kW储能逆变器，热设计，机柜级热仿真分析

0　引言

电力电子设备所处的工作环境中自然环境的影响因素主要包括：温度、沙尘、霉菌、降水等。为保证电力电子设备在各类恶劣环境中能最可靠、最充分地发挥设备的功能，需要对其进行环境适应性设计。其中，电力电气机柜在苛刻的环境温度下，加上设备自身的负荷大小和发热量，对机柜的热设计提出了更高的要求。

热设计根据设计对象的大小和复杂程度划分为几个层级：PCB板级热设计、模块级热设计、设备级热设计和系统级热设计。电气机柜内部既有功率模块，又有多个独立的电子元器件，属于系统级别。机柜级的热设计由于机柜内元器件众多、布局复杂、热源分布分散等原因，相对于模块级和设备级热设计更加复杂和困难。在大机柜内，可能采用多种散热方式，同时还要考虑不同散热器的位置和选型。在样机加工制造装配完成之后，通过做实验的方式获取关键元器件的温度情况，若实验结果不符合设计需求，需要重新设计的成本将会急剧增加。为了节约设计时间和设计成本，在样机生产之前对模型进行热仿真分析，得出柜体内部温度分布情况，指导结构设计，可以大大节约设计时间，降低生产成本。

本文针对东方自控研发的250 kW储能逆变器，利用热分析软件进行仿真计算，将仿真分析结果加以综合利用，以指导工程设计，保证它具有好的环境适应性和高的使用可靠性。

1　热传递机理

热能的传递有3种基本方式：热传导、热对流和热辐射。

物体各部位之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递过程称为热传导。

热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必然伴随有热传导现象。

物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。

通常情况下，这3种热传递方式不是完全独立的，它们相互联系。在机柜的散热过程中，三者共同起作用。机柜的热设计就是遵循以上原理，对机柜结构、风道设计、散热器选型、风扇选型等进行优化，从而达到对机柜内部元器件散热的目的。

2　三种常用的机柜热设计方法

2.1自然冷却

自然冷却无需外部动力作用，是通过热传导、热对流及热辐射把热量传导到机柜的金属外壳并散发到外部环境空间，也可利用自然流动的空气带走元器件上的热量，通过机柜的通风口来实现这一功能。这种散热方式结构简单，经济性好。但是散热效果一般，只适用于发热量小、热流密度低的机柜。

2.2强迫风冷

强迫风冷是利用风机驱动冷空气经过电子设备实现强迫冷却，涉及到风机的选择和风道的设计，是一种常用的高效的冷却方式。风机轴流式和离心式两大类，在选择风机时需要考虑风量的大小、风压的强度、产生的噪音、设备本身的自重和体积以及成本等因素。合理的风道设计，可以降低风道的阻力损失，方便更多的风通过发热量大的设备，以达到良好的散热效果。

2.3强迫液冷

某些机柜在防护等级上有更高的要求，采用气-液热交换器进行强迫液冷可以很好地避免外界空气中的灰尘、霉菌等对机柜内部元器件的污染。气-液热交换器与气-气热交换器是一样的，只是冷却介质是液体，可以通过调节进口液体温度和流量，以及合理的流道设计来改变热交换器的散热效果。缺点是必须要有供液管路，加工制造成本增加。

综合考虑项目实际情况，250 kW储能逆变器采用强迫风冷的散热方式，根据发热元器件的不同，采用相适应的风机，通过热仿真分析，对散热器和风机的选型以及风道的合理布局提供参考依据。

3　250 kW储能逆变器热设计边界条件

明确电气机柜的热设计边界条件是进行热系统设计的前提，热设计边界条件包括功率器件的热损耗，电力电子设备所处的环境温度，散热器的相关信息等等。

东方自控自主研发的250 kW储能逆变器，严苛的工作环境温度为45℃。主要发热元器件包括电抗器、变压器和IGBT，采用强迫风冷的方式进行散热，功率模块部分选用离心风机，整体电器柜通过后部和顶部轴流风扇进行散热。根据项目实际情况，制定了热设计边界条件，详见表1。设计要求是散热器表面最高温度不超过95℃。

表1　储能逆变器热设计边界条件

续表

4　热仿真前处理

热仿真分析前处理涉及到对模型的简化处理、参数的设置、网格划分、求解前的错误检查等等。前处理水平的高低直接影响到仿真速度的快慢以及仿真结果的准确性。合理的热仿真前处理，不仅能够真实地反应设备的整体结构，而且能准确提取影响散热效果的关键参数，在保证热仿真结果准确的前提下，结合计算机资源及时间成本，合理简化模型，划分网格。

4.1模型简化

热仿真分析软件可以导入三维设计软件绘制的三维模型，但详细设计完成后的三维模型非常复杂，模型细节对热仿真分析结果影响不大。为加快仿真速度，优化仿真结果，对三维模型的正确前处理显得尤为重要。

仿真分析工程师在做模型简化之前，需要同结构设计工程师详细沟通设计思路，理解各零部件的设计理念，同时，结合热设计需求，确定对散热仿真影响较大的零部件及影响不大的零部件。

对散热影响不大的元器件可进行相应的模型简化和删除，去除不必要的圆孔、圆角、折弯、缝隙等对网格划分不利，影响仿真速度的特征。对那些影响较大的零部件，例如散热器、散热孔等，即便翅片的长宽比或是缝隙的长宽比在40以上，也不能做简化处理。如果将散热器简化成立方体，或是删除散热孔，那么散热器和散热孔根本起不到散热的作用，将导致热仿真的严重错误。

简化后的功率模块三维模型如图1所示，简化后的机柜三维模型如图2所示。

图1　功率模块简化模型

图2　机柜简化模型

4.2参数设置

将简化后的三维模型导入热仿真软件，设置风扇参数、零部件材料、发热元器件热耗、环境温度等表1中所列的各项热设计边界条件。

图3和图4分别是轴流风扇和离心风机的风扇曲线设置。

图3　轴流风扇的风扇曲线

图4　离心风机的风扇曲线

4.3网格划分

计算机是无法直接对简化后的三维模型进行仿真计算的，必须对三维模型进行网格处理，分解为计算机可以利用数学方法进行计算的有限元单元。而且，简化后的机柜模型仍然比较复杂，零件多达五百多个。在保证仿真结果准确的前提下，为了加快仿真速度，需要对模型进行合理的网格划分，使得划分后的网格能以最少的网格数量最准确地体现实际模型结构。图5是机柜网格划分的结果图。总的网格数量是40 673 848个。

图5　机柜网格划分结果图

4.4求解计算

边界条件和网格划分设置完成之后，设置迭代步数、重力方向等相关解决控制参数，就可以开始散热仿真计算了。当残差收敛曲线完全收敛时，计算完成。

5　热仿真计算结果分析

5.1机柜级热仿真结果分析

热设计工程师关心发热元器件表面最高温度和散热器表面最高温度，根据仿真结果，结合柜体整体温度分布云图，可以对结构设计进一步优化。

仿真结果显示，变压器最高表面温度126℃，电抗器表面最高温度107℃，IGBT紧贴的散热器表面最高温度107℃。图6和图7分别是柜体整体温度分布云图和IGBT+散热器温度分布云图。

散热器表面最高温度为107℃，超过设计要求的允许最高温度95℃。为进一步确定散热要求未达标的原因是功率模块的离心风机、散热器的选型问题还是机柜内部布局及风道设计问题，可单独对功率模块进行热仿真分析。

图6　柜体整体温度分布云图

图7　IGBT+散热器温度分布云图

5.2功率模块单独热仿真结果分析

功率模块的热仿真步骤与机柜的热仿真步骤相同，模型简化、参数设置、网格划分、求解计算，功率模块单独热仿真结果见图8，散热器表面最高温度为89.6℃。单独的功率模块设计满足热设计需求。

图8　单独功率模块热仿真分析结果

5.3热设计优化建议

单独的功率模块热设计满足设计需求，然而在机柜中却不满足，主要原因是外部进风经过电抗器和变压器后变热，热风往机柜上部走，经过功率模块，使得在机柜中的功率模块环境温度远高于45℃，导致散热器表面最高温度超过设计要求。

为使机柜热设计满足设计要求，有以下两方面的建议：

（1）合理设计风道，将吹过电抗器和变压器后的热风直接排至机柜外部，保证机柜中的功率模块周围环境温度不致过高；

（2）重新选择和设计功率模块的离心风机或散热器，加强换热效果，使在环境温度高于45℃时，仍能将温度降到95℃以下。

6　结论

本文以250 kW储能逆变器为例，详细介绍了机柜级热仿真分析的方法。热仿真结果显示单独的功率模块工作时满足热设计要求，但是在机柜中整体热仿真并不能满足设计要求，其主要原因是在机柜中整体工作时，功率模块的真实环境温度远高于45℃，可根据热设计优化建议进行设计优化，并按照热仿真步骤再次进行热仿真直至满足设计需求。热仿真分析有效地提高了设计效率，降低了设计风险与设计成本。

［1］季馨，王树荣.电子设备震动环境适应性设计［M］.北京：电子工业出版社，2012

［2］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006

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［4］张童.电力机柜散热方式的研究［J］.黑龙江科技信息，2014，（21）：90

［5］王建平.基于强迫风冷方法的机柜热设计［J］.硅谷，2011，（11）：54

Thermal Simulation Analysis of 250 kW Storage Energy Inverter

Zhang Xiaopei，Wang Yao

（Central Research Academy of DEC，Chengdu Sichuan，611731）

The paper describes the method of thermal design with 250 kW storage energy inverter as an example，and introduces in detail the step and method of the thermal simulation analysis of cabinet.By analyzing the result of thermal simulation，this study puts forward improvement suggestions on structural optimizing design.

250 kW storage energy inverter，thermal design，thermal simulation analysis of cabinet

TP391

A

1674-9987（2015）02-0074-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.016

章晓沛 （1990-），女，硕士，2012年毕业于香港理工大学机械工程专业，现于中国东方电气集团有限公司中央研究院智能装备与控制技术研究所从事机械系统研究工作。