适用于严苛环境的储能变流器散热方案研究

周力民，张海龙，刘博嘉，刘为群，袁元，丁勇，米高祥

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京211102）

0 引言

近年我国储能产业发展迅速，建立了许多示范工程[1]，应用场合不断拓展就带来了设备应用环境的多样性[2]，例如高温高湿环境、高盐雾环境等，如果设备环境适应性设计处理不当，会影响设备的功能。世界各国都投入了大量人力、物力对产品环境适应性进行研究[3]。

储能变流器（PCS）是储能系统的核心部件[4]，是将储能电池接入电力系统的关键设备[5]，其在运行过程中会产生大量的热量，优良的散热是保证电子设备可靠性的关键[6]，尤其是在一些复杂、严苛的环境中，其环境适应性及散热方案的综合设计，对系统的安全可靠运行至关重要。本文提供了一种集成化程度高、环境适应性强的箱式储能变流器产品方案。为严苛环境下的大容量风冷散热产品应用提供了一种解决方案。

1 箱式储能变流器产品介绍

集装箱式电力设备舱的使用可以有效地优化平面布局，并能够降低建筑面积、减少投资、缩短工期等[7]，近些年来越来越受到用户的青睐。如某日本储能项目，采用集装箱式储能变流器产品方案，集装箱分为变流舱和升压舱，变流舱主要包含储能变流器、通信控制柜等设备，升压舱内主要包含1台升压变压器、1台辅助变压器。该项目现场位于沿海地区，系盐雾环境条件，盐雾对金属设备的腐蚀直接影响了设备的性能及使用寿命[8],因此设备的防盐雾环境适应性设计需要重点考量。由于变流舱内部包含较多金属元器件和精密设备，对环境要求更为敏感，为保证产品性能，变流舱采用密闭空调散热方案。升压舱内主要包含2台干式变压器，无精密设备器件，且变压器的绝缘耐热等级为F级，环境适应性较强，因此升压舱采用风机强迫风冷散热方案。

图1 箱式储能变流器产品方案

2 箱式储能变流器产品方案

变流舱采用一体机空调散热方案，内、外通风循环系统分别独立，通过热交换系统将舱内热量转移到舱外，可以有效隔绝内部储能变流器等设备与外部盐雾空气环境接触，避免产品、器件等受到腐蚀，同时该空调具有除湿功能，控制舱内具有理想的温度和湿度，保证产品良好的运行环境。空调本体防护等级为IP55，外壳体按照国标GB/T 30790.5-2014《色漆和清漆 防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护 第5部分:防护涂料体系》[9]，采取了相应的表面防护涂料体系，可适用于C5-M的高腐蚀性环境等级，完全满足此项目现场的环境应用条件。

图2 空调内外循环示意图

采用一体机空调散热方案，如何保证舱内散热平衡，避免风向乱流、紊流，是一个需要重点研究的问题。传热主要有3种不同的方式：热传导、对流和热辐射，在强迫风冷散热中，一般忽略辐射和自然对流散热的影响[10]，因此主要考虑热传导及设备本体的发热量。

变流舱内主要热源为储能变流器，发热量Q1=14200 W，通信控制柜发热量Q2=120 W；利用空调设置变流舱内温度Tn1=30 ℃，变压舱内最高环境温度Tn2=50 ℃，项目现场户外最高环境温度TW1=40 ℃，由于舱体内外温差存在传导热，传导热量计算如下：

舱体侧壁及舱顶的结构主要由外壁、岩棉、内壁3层复合结构组成，外壁、内壁由钢材制成，厚度分别为δ1=2 mm，δ2=1 mm，中间填充岩棉隔热材料，厚度δ3=50 mm，钢材料导热系数λ1=40 W/（m·K）,岩棉导热系数λ2=0.04 W/（m·K）。

图3 变流舱简易模型图

即空调所需总制冷量约为15 kW，为充分保证储能变流器安全可靠运行，变流舱共选型使用2台制冷量为15 kW的挂壁式空调一体机，一备一用方案，2台空调的布置位置如图1所示。

空调内循环进风口位于空调中部，出风口位于空调上部，如图2所示，储能变流器进风口位于柜体下部，出风口位于柜体顶部。空调与储能变流器的进风、出风存在一定的相互干扰、乱流问题，影响散热效果。为了解决这一问题，在空调出风口设计导流风道结构，将空调出风（冷风）直接导向储能变流器背面，便于变流器背面进风口吸收冷风散热，同时在储能变流器顶部出风口设计导流板，将储能变流器的出风（热风）导向空调的进风口，此种导流结构方案，可以有效避免风向乱流、紊流问题的发生，保证产品散热效果。

图4 空调与储能变流器进出风口示意图

图5 变流舱内设备导流散热方案

为进一步验证变流舱散热效果，利用仿真软件对该系统进行散热仿真分析。首先建立产品仿真模型，根据产品运行工况，对发热器件、发热设备赋予相应热功耗，根据空调性能参数赋予相应冷风风量值、送风温度等，项目现场最高环温不超过40 ℃，以此温度设置为仿真环温，2台空调轮换开机1台。

根据上述仿真结果，空调1开时，冷风几乎均被储能变流器吸收，变流器最高温度点约为78 ℃，温升38 ℃左右，满足产品运行性 能 要求。空调2开时，多数冷风被储能变流器吸收，部分冷风直接回流至空调进风口，变流器最高温度点约为83 ℃，温升43 ℃左右，满足产品运行性能要求。

图6 整体产品仿真模型

图7 空调1开时变流舱气流轨迹图

图8 空调1开时变流舱温度云图

图9 空调2开时变流舱气流轨迹图

图10 空调2开时变流舱温度云图

升压舱内主要包含2台干式变压器、1台主回路升压变压器、1台辅助供电变压器，升压舱内无精密设备、器件，变压器绝缘耐热等级均为F级，绝缘耐热系统温度为155 ℃，环境适应性较强，因此升压舱采用高压头离心风机强迫风冷散热方案。同时为保证升压舱进风空气质量，在进风口处加装盐雾过滤器，通过不同密度抗水型玻璃纤维滤纸滤网、点状分隔或热熔胶分隔技术，将不同粒径的氯离子捕捉并拦阻到滤网上[11]，可有效阻止盐雾环境对升压舱内部设备的影响。

为进一步验证升压舱散热效果，利用仿真软件对该系统进行散热仿真分析。根据下述仿真结果可以知，外部冷风进入舱体，流经变压器时仍能保持2 ～3 m/s 左右的风速，变压器最高温度点约为122℃，完全满足产品运行性能要求。

3 结论

通过上述方案设计、分析可知，大容量风冷电力设备舱，应用于沿海高盐雾地区、沙尘较严重地区，当舱内包含精密设备、精密器件时，对环境要求更为敏感，为保证产品的散热性能、防护性能，密闭空调散热是一种较好的解决方案，但需要分析、优化空调进出风口与设备进出风口的风向流动问题，尽量避免风向乱流、紊流，充分保证产品的散热效果。当舱内设备环境适应性较强时，可考虑采用风机强迫风冷散热方案，针对高盐雾地区，可在进风口处采用盐雾过滤器技术，针对高沙尘地区，可在进风口处采用初效滤棉除尘技术，保证进风空气质量，保证产品性能。

图11 变压舱空气流速图

图12 变压舱温度云图