UPFC水冷却系统结构分析

徐　阳，谢天喜，贾勇勇，陶风波，周志成

（江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103）

UPFC水冷却系统结构分析

徐阳，谢天喜，贾勇勇，陶风波，周志成

（江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103）

换流阀是统一潮流控制器（UPFC）的核心，而水冷却系统则对保证换流阀的安全可靠运行具有十分重要的作用。以换流阀水冷却系统为研究对象，从内冷却系统和外冷却系统两方面对其结构进行了详细分析，采用类比法搭建了UPFC水冷却系统结构的电路结构，明确了系统中各个模块的结构和组成，最后对串联水路和并联水路进行了比较，讨论了并联水道流量分布不均匀的问题。

统一潮流控制器；水冷系统；串联水路；并联水路

统一潮流控制器（UPFC）自上世纪80年代提出以来受到科学界和工程界的广泛关注，被认为是柔性交流输电的未来［1-3］。UPFC的主要工作原理是通过电力电子设备（换流阀）及控制系统来改变串联变压器的输出电压相角及幅值，从而达到优化控制线路潮流及系统电压的目的［4-6］。

换流阀是UPFC最关键的部件之一［7］，换流阀中的核心部件是电力电子器件，电力电子器件是温度敏感器件，温度对其影响十分巨大，主要表现在以下两方面：首先，每个电力电子器件都有工作温度的限制，例如硅（Si）芯片的安全工作温度一般为-40～150℃，当器件结温处于安全工作温度范围内时，超过芯片最高允许结温时 （Si芯片的最高允许结温一般为175℃），芯片将会失效，所以高温对于器件的危害是致命的。其次，电力电子器件本身对温度变化非常敏感，例如绝缘栅双极型晶体管（IGBT），有实验表明，当器件结温为150℃时，其关断时间约为25 μs，而当结温为室温时，其关断时间仅为18 μs，所以器件的关断时间随着结温的升高而延长，造成关断损耗的增大。温度的变化影响器件的稳态特性和开关特性，会使功率变换器的运行指标偏离设计目标，一旦器件发生不可恢复性失效，将直接导致系统的故障，造成巨大的生命危险和经济损失。因此，散热系统对UPFC中换流阀设备的安全健康运行至关重要。文中建立了UPFC水冷却系统结构的电路结构，对串联水路和并联水路进行了对比分析。

1　水冷却系统基本结构

1.1总体结构

目前常用的散热方式有自然空冷散热、强迫风冷散热、液冷散热和热管散热等，图1给出了不同散热方式下表面热流密度与器件温升的关系，为电力电子设备冷却方式的选择提供了依据。对于大功率换流阀而言，由于其器件的热流密度很大，需要采用高性能的散热方式。强迫水冷换热是一种换热能力强、换热效率高的散热方式，在汽车工业中被广泛应用，但在换流阀设备中的应用才刚刚起步。

图1不同散热方式所允许的器件热流密度范围

换流阀水冷却系统一般分为内冷却系统和外冷却系统，内冷却系统是对换流阀本体进行换热，外冷却系统是对内冷却水进行换热，总体结构如图2所示。

图2水冷却系统结构

换流阀水冷却系统其工作原理为：恒定压力和流量的冷却介质通过内冷却系统源源不断流进大功率电力电子装置被冷却器件，温度上升并将被冷却器件产生的热量带出，经过主循环泵后与室外外冷却系统进行热交换，使冷却介质温度降低至合理范围后再次流入被冷却器件，形成冷却介质的闭式循环。

1.2内冷却系统

内冷却系统主要由主循环冷却回路、水处理回路、氮气稳压回路、补水回路等构成。

1.2.1主循环冷却回路

主循环冷却回路是内冷却系统的核心，它主要由主循环水泵、管道回路、储气罐等构成。通过主循环水泵将冷却水输送到换流阀中，通过内冷却管道回路中的逆止阀、截止阀、三通阀、电动蝶阀、排气阀和排水阀等来控制冷却水的流向和流量，这样冷却水便在主泵和换流阀之间构成了一个封闭的回路，保证换流阀持续散热要求。储气罐作用是自动排除系统的残留气体。

1.2.2水处理回路

水处理回路一般由离子交换器和精密过滤器构成，通过对冷却水中离子的不断脱除，达到长期维持冷却水极低电导率的目的。

1.2.3氮气稳压回路

氮气稳压回路一般由氮气瓶、脱气罐、缓冲罐等构成。其工作原理为：当冷却水因少量外渗、电解而损失时，稳压系统会将冷却水压入循环管路系统以保持管路的压力稳定和冷却水的充满；当冷却水因温度变化而产生体积变化时，稳压系统会缓冲其对循环管路系统的影响，保证系统的正常运行。

1.2.4补水回路

补水回路主要由补水罐和补水泵组成。其工作原理为：当水箱液位降低至补水液位时，系统启动补水泵自动补水；当补水罐液位降低至低值时，发出报警信号，提示操作人员向补水罐加水，以保持其液位正常。

1.3外冷却系统

外冷却系统主要用来冷却主循环冷却水，使其下降到规定温度重新进入内冷却系统。外冷却系统是一个开放式的水循环系统，使用经过软化处理的水通过冷却塔持续对内冷却系统管道进行冷却，降低内水冷温度。外冷水系统一般包括冷却塔、喷淋泵、水处理单元、平衡水池等。外冷却系统通常有风冷结构和喷淋冷却结构2种。

1.3.1冷却塔

冷却塔的作用是通过喷淋水和风扇对阀内水冷散热管进行冷却。多数直流输电工程每极配有3台蒸发式密闭循环型冷却塔，2台冷却塔就能满足直流系统额定负荷时的冷却需求。在正常情况下，系统运行时3台冷却塔均可投入运行。

1.3.2喷淋泵

喷淋泵为外冷水提供循环动力，一般每极配置4台喷淋泵，用于分别向3台冷却塔提供喷淋水，1台作为备用，当其中任意1台喷淋泵故障时会通过旁通阀将故障隔离，并将备用喷淋泵接入该台冷却塔。

1.3.3水处理单元

外冷水使用的水对水质的要求不如内冷水高，但在实际运行中还是需要进行相应的水质处理。因为自来水中的铁、镁等离子会逐渐沉淀散热片表面，日积月累会导致散热效果下降；自来水中的微生物也会腐烛外冷水管道，在使用前必须对其进行过滤。因此在工程中外冷水处理单位基本分为软化和灭菌两大功能。

1.3.4平衡水池

平衡水池的水由主、备2台工业泵进行补给，由喷淋泵将平衡水池内的水抽到冷却塔对内水冷管道中的散热管进行喷淋冷却，然后回流到平衡水池中。平衡水池一部分的水经过水处理单元进行软化和灭菌后流入平衡水池中。

2　南京UPFC中的水冷却系统结构

2.1整体结构

2.1.1主要技术参数

南京UPFC工程采用3组容量为60 MV·A的换流阀，其单组换流阀的损耗功率不超过600 kW。针对3组换流阀采用了常州博瑞制造的3套结构相同的水冷却系统，每套水冷却系统的主要参数如表1所示。

表1产品主要技术参数

从表1中知，单台水冷却系统的额定冷却容量为660 kW，是单组换流阀损耗功率的1.1倍，具有一定的裕度。

2.1.2基本构成

UPFC水冷却系统结构如图3所示，主要由主循环冷却回路、去离子水处理回路、稳压系统（氮气稳压系统或高位水箱稳压系统）、补水装置、外循环冷却系统（水风换热器形式）、冷却介质及管路、电气控制系统等组成。

与常规水冷却系统采用冷却塔的形式不同，UPFC外冷却系统直接采用干式空气冷却方式，该方式配置N+1台直联风机，冷却容量设置留有一定的余量，具有如下优点：（1）适用于较低环境温度或缺水地区，节能节水；（2）采用不锈钢轧铝翅片作为散热主体，高效洁净；（3）风机系统成本低，可靠性高。

UPFC水冷却屏柜系统主要用来对水冷却系统进行监视、控制和保护，包括主水泵控制、补水泵控制、风机控制、电动三通阀控制、缓冲罐气压控制、过电流保护、过电压保护、欠电压保护、相不平衡保护、相序保护、缺相保护和时间管理等。

2.1.3工作原理

UPFC水冷却系统主要工作原理如下：主循环冷却水在主循环泵动力作用下，通过外冷却系统进行散热后，流经大功率电力电子装置被冷却器件，带走被冷却器件的热量后流回主循环泵入口。

通过在主循环冷却回路上设置的供水温度变送器反馈的信号，控制装置电动三通阀调节进入外冷却系统的冷却水流量及外冷却系统投入冷却的数量，达到精确控制冷却系统冷却水温度的目的。被冷却器件通过内冷却系统带走热量，并在外冷却系统散出热量，实现连续冷却的功能。

由于主循环冷却水先流经外循环冷却系统，再进入大功率电力电子装置被冷却器件进行冷却，其具有2个明显的优点：一是减小冷却水经主循环泵加压后对大功率电力电子装置的冲击作用；二是保证整个系统运行时，大功率电力电子装置进口处的水温最低，冷却效果较好。

2.1.4冷却介质

由于被冷却器件在高电压条件下工作［8，9］，为避免冷却介质中存在杂质离子，导致各元件之间形成漏电流，UPFC水冷却系统中采用高纯水，循环管路均采用304不锈钢管，接触部分金属材质均为304不锈钢及以上，非金属材质为聚四氟乙烯、硅橡胶等性能稳定的材料。

2.2水路结构

如果将水泵类比为电源，将水流类比为电流，将每种设备的存在阻力可以类比为电阻，则水冷系统的水路可以表示为电路的形式。

图4以电路结构形式建立了UPFC中水冷却系统的水路结构。与普通电路不同的是，该电路结构具有明确的方向性，如图中箭头方向所示。从图4中可以清晰地看出，UPFC工程中的主循环冷却回路从主水泵出发经过外冷却风冷机组、主过滤器到达换流阀单元，之后经由脱气罐和加热器构成的脱气加热系统回到主水泵。主循环回路采用了2台主水泵的冗余设计，1台运行，另1台作为备用，提高了系统的可靠性。

图3水冷却系统结构

图4水冷却系统电路结构

由氮气瓶和缓冲罐构成的氮气稳压回路并联于主循环冷却回路中。而以离子交换器和精密过滤器构成的水处理回路，和由储水罐和补水泵构成的补水回路则串联于氮气稳压回路中。

UPFC工程中的每套外冷却系统配置6台风机组，采用并联连接方式。该水冷却系统用来冷却UPFC工程中的1个阀厅单元，每个阀厅由4组阀塔构成，4组阀塔之间采用并联水路连接。每组阀塔内部由84个换流阀子模块构成，各个子模块之间也采用并联水路连接。

从上面的分析可知，无论是外冷风机还是换流阀模块，UPFC水冷却系统的水路全都采用了并联水道方式连接。

3　串联和并联水道

根据水力学知识可知：

式中：Q为流量；u为流量系数；A为面积；ΔP为压力差；ρ为流体密度。因此，流体流动的动力为管路两端的压差，压差越大，流速越高，即流量越大。

然而管道中的流速是有一定限制的，因为管道内部粗糙，而所有的流体都有一定的黏度，所以流体在管道中流动有一定的阻力，流速越快，阻力越大。

根据Darcy公式，沿程水头损失为：

式中：hf为沿程水头损失；λ为水头损失系数；l为管道长度；D为管道内径；v为管道流速；g为重力加速度。

3.1串联水道特点

当水道串联时，由流体力学理论可知，管道的阻力损失与流量成平方关系。由于采用串联管道，势必会增加管路的长度，造成管道阻力的增大，因此串联系统中的水泵压力需要增大。

串联水道的优点是管路相对简单，管道内流量不变，不存在分配问题，最主要的缺点是串联水道的可靠性低，前端水道的损坏会导致其全部后端水道失去功能，其次由于串联水道流过各个换流阀存在先后顺序，会造成其温度分布不均匀，末端的散热效果会变得极差。因此，串联水道已经很少单独应用于换流阀系统中。

3.2并联水道特点

水道采用并联连接时，并联水道中的水流量增加，而水道两端的压差不变。

采用并联水道能保证每个水冷元件都得到冷却，具有管路布置相对简单，冷却效果也较好，可靠性高的优点。但是存在并联管路中流量分布不均匀的缺点，而且系统规模越大其流量分布就越不均匀，其次是接口多而杂且管道成本高于串联。

并联水道的结构通常有以下2种布置方式，如图5所示。

图5并联水道布置方式

无论哪种布置方式都存在水道内每个并联支路流量分布不均匀的问题。图6给出了一种典型的Z型水道压力分布，从图中可以看出，其压差分布呈现进口和出口压力大、中间压力小的分布趋势。这将造成水流量主要从靠近进口和出口的并联支路中流过，从而影响中间换流阀的散热效果。

为解决并联水道中水流量分布不均匀的问题，图7给出了理想情况下水道压力分布，如果设计阶段能根据该压力分布设计水道，则可以减小分布不均匀的问题。

图6并联水道不均匀分布压力

图7并联水道均匀分布压力

4　结束语

分析了换流阀水冷却系统组成、结构和功能，建立了UPFC水冷却系统结构的电路形式结构，该结构极大方便了电气工程师对于水冷却系统结构的理解，指出了并联水道存在流量分布不均匀的优化问题，并给出了优化思路，对水冷却系统的结构优化具有一定的意义，为提高UPFC中换流阀的可靠性提供了参考。

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Structural Analysis of Water Cooling System of UPFC

XU Yang，XIE Tianxi，JIAYongyong，TAO Fengbo，ZHOU Zhicheng
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China）

Converter valve is the core of Unified Power Flow Controller（UPFC）.Water cooling system，as the"guardian"of converter valve，is very important for its safety and reliability.In this paper，the structure of water cooling system is studied. First，a detailed analysis of the structure is carried out from two aspects:the internal cooling system and the outside cooling system.Then，the circuit of UPFC water cooling system is built by analogy method，which makes the structure and each module clear.In the end，the comparison between series water load and parallel water load is presented，and the problem of uneven distribution of parallel channels is discussed.

UPFC；water cooling system；series water load；parallel water load

TM571.6

B

1009-0665（2016）01-0049-04

2015-10-21；

2015-11-27

徐阳（1987），男，江苏扬州人，工程师，从事高压直流输电和柔性交流输电研究工作；

谢天喜（1983），男，湖北天门人，高级工程师，从事电力设备结构优化及电力系统过电压研究工作；

贾勇勇（1986），男，江西九江人，工程师，从事开关类变电设备状态评价工作；

陶风波（1982），男，江苏常州人，高级工程师，从事电力系统过电压及脉冲功率研究工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高级工程师，从事电力系统过电压及输电线路运行维护方面研究工作。