金风1.5 MW机组SWITCH变流模块超温原因分析及优化方案

裴兆芹，荆海城，梁永胜，崔明伦

(国家电投东北新能源发展有限公司，辽宁 沈阳 110181)

变流器主电路采用AC-DC-AC变流方式，具有整流、滤波、逆变、调制等功能，是用于改变1个或多个电气特性的电力变换工作单元[1]。

金风1.5 MW风力发电机组SWITCH变流系统主要由网侧逆变功率模块1U1、发电机侧整流功率模块2U1和3U1、制动功率模块4U1以及相关电气元件组成。发电机发出的不稳定交流电经2U1和3U1模块整流后转换为直流有功传送到直流母线上，1U1将直流电逆变成与电网电压、频率、相位相匹配的交流电送入电网，4U1则是当直流母线上的能量无法正常向电网传递时将多余的能量通过电阻发热消耗掉，以避免直流母线电压过高造成电器元件的损坏。

早期金风1.5MW机组配置的贺德克水冷系统，普遍存在机械三通阀卡涩、冷却循环效能下降等问题，随着运行年限延长，变流系统超温趋势愈加明显。变流器超温故障，轻则机组限功率运行，重则导致变流模块炸毁、机组被迫停运。

2018年，辽宁某风场33台金风1.5 MW机组因变流器超温故障限功率运行58台次，损坏备件126个，其中价格昂贵的变流模块损坏12件。

1 水冷循环系统工作原理

贺德克水冷系统是SWITCH变流器模块的强制散热装置，由水冷循环泵、三通阀、滤网、储能罐、加热器、散热器、传感器及管路附件等组成(见图1)。

图1 贺德克水冷循环系统

冷却系统由循环泵驱动，强制冷却液在系统中循环流动，利用机械三通阀进行内循环和外循环的切换。当变流器功率较小，水温较低时，三通阀关闭，冷却液在变流器内部进行热交换后，回流到循环泵入口，完成一次内循环；当变流器功率较大，水温较高时，三通阀开启，冷却液流经外部散热器完成一次外循环；当变流系统的温度低于正常工作温度时，电加热器根据控制要求对冷却液进行加热，对变流系统进行强制温度补偿[2]，保证变流柜内温度在18 ℃以上。

2 变流模块超温原因分析

SWITCH变流器的散热系统包含水冷强制循环散热系统和变流器本体散热装置2部分，无论哪个环节出现问题都有可能造成系统散热能力衰减，从而导致变流器发生过温故障。

2.1 水冷系统散热能效下降

a.机械式三通阀失效的影响

贺德克水冷系统使用的自力式机械三通阀，利用感温包热胀冷缩的原理，控制阀芯在阀体内移动，进行循环方式的切换和内、外循环流量的调整，感温包的热敏性和阀门的机械卡涩是影响三通阀失效的主要因素。

感温包作为热力膨胀阀的感温元件，对其自控功能起着至关重要的作用[3]。感温包的物理特性随着使用时间延长，稳定性和热敏性降低，并且对温度的变化反应有延迟，直接影响阀门开度的特性曲线，对冷却液流量调整的误差也越来越大，从而影响温度控制的精度和传热效果，导致变流模块超温故障。

三通阀在长期运行过程中，冷却介质发生化学反应，在阀门密封面形成氧化、锈蚀及结垢等现象(见图2)。特别是冬季长期低温，冷却系统内循环工作，三通阀持续全关状态，阀芯与阀座密封面锈蚀黏连，锈蚀严重时，阀门自力无法开启，失去了循环方式切换和温度调整的作用。

图2 三通阀锈蚀

另外，由于感温包形变导致弹簧受力不均，阀杆的偏心造成三通阀机械部件卡涩，改变了阀门开度特性曲线，降低了散热效果。

b.变流器基体扰流丝失效的影响

变流器传热基体中加入扰流丝的目的是为了增加流体在换热管内滞留的时间，提高传导换热效果。由于扰流丝的扰动，管壁处的速度边界层被打破，增强了湍流强化传热的效果。同时，各流体层流速不同，也有助于不同温度的冷却液之间发生对流换热，增强传热效果。相同流速情况下，加入扰流丝后，传热系数提升30%[4]。

冷却液是由乙二醇、纯净水和添加剂按照一定比例配置而成。乙二醇氧化后草酸能与许多金属形成溶于水的络合物，乙二醇本身是相对活跃的物质，很容易聚合成高分子聚合物，进一步氧化成聚合物有机酸，形成十分黏重的物质，在扰流丝表面沉积结垢导致失效(见图3)，换热效果逐渐下降，甚至造成管路堵塞。

图3 扰流丝结垢

c.滤网堵塞及管壁结垢的影响

冷却液中的乙二醇容易被氧化，在使用中易生成酸性物质，对金属有腐蚀作用[5]。随着氧化反应的加剧导致金属表面腐蚀剥落，聚集而堵塞变流模块的滤网(见图4)，冷却介质流量减少，循环倍率随之下降，换热效果逐渐恶化。

图4 滤网堵塞

冷却液中的乙二醇氧化后形成的草酸与碱土金属元素结合时，生成几乎不溶于水的草酸钙，在变流模块基体管道和外散热器管道内壁沉积结垢，使传热效果进一步恶化，阻碍了变流模块的温度向冷却液中传递。同时冷却介质在经过外循环散热器时，也不利于冷却液温度向散热器传导，降低了水冷循环系统的散热效率。

d.外循环系统散热器翅片堵塞

风机水冷系统散热器置于塔筒外部，换热方式为传导换热和利用风扇进行的强制对流换热。为了增大换热面积，提高换热效率，采用的翅片管式散热器。因散热器安装在野外，翅片间距较小，外界的风沙、灰尘、柳絮等杂物很容易堵塞在换热器的翅片之间(见图5)，导致换热效果的急剧恶化，特别是夏季高温时尤为明显。

图5 散热器翅片堵塞

2.2 变流器本体散热能力衰减

a.变流模块导热硅脂失效

导热硅脂是用来填充变流模块与散热基体之间空隙的一种材料，能增加二者之间的热耦合性，降低热阻[6]。导热硅脂能将变流模块在运行过程中产生的热量顺畅迅速地传导到冷却液中，经过水冷循环系统及时、高效地散掉(见图6)。

图6 冷却散热基板内介质流动

导热硅脂长期在高频、高温环境下工作，导热性能会慢慢衰退导致失效，使用寿命降低。

b.变流器本体散热装置故障

变流柜内在变流模块支撑电容和ASIC板上安装了冷却风扇，柜体上下通风口也安装了冷却风扇和过滤网，通过强制对流的方式将模块产生的热量驱散到塔筒内。轴流风扇的启动电容受环境温度的影响较大，损坏后导致风扇不能正常工作。同时，变流柜柜体上的滤网也容易积灰，不利于柜内热量传递到塔筒内。

3 变流器超温优化方案

3.1 电动三通阀替代机械三通阀

根据2012年金风运行项目分析报告，贺德克机械三通阀引起故障次数占水冷系统总故障次数比例约25.0%。与感温包自力式机械三通阀相比，电动三通阀具有工作稳定可靠、动作灵敏、故障率低、维护方便等特点。因此，将原系统中三通阀拆除，更换新的集成阀块，改变连接方式(见图7、图8)并优化控制方式。

图7 机械三通阀连接方式

图8 电动三通阀连接方式

通过传感器采集进水口温度，温度值采样周期设置为3 s，跟踪温度变化速率，利用智能温控阀控制电动执行机构，根据阀门流量特性曲线的对应关系改变开度，实现循环方式的切换和流量调整的功能。温控阀控制设置一键测试按钮，用来测试电动三通阀动作是否存在卡涩，保证灵活完好。为防止变流器加热时三通阀动作，设置了联动策略，并设置了开、关极限反馈，防止电动三通阀损坏等。

3.2 扰流丝优化设计

原设计扰流丝的长度为200 mm，钢丝按照一定的旋转间隔角度均匀的固定在2根螺旋扭结在一起的钢条上。优化后的扰流丝长度为220 mm，并缩小了钢丝的旋转角度间隔，并按照钢丝直径与通道为0.13的比值进行优化设计[7]，加粗了钢丝的直径，同时在加工工艺和材质上做了相应改进，选择传热效果更好的弹簧丝。既保证充分扰动管壁处的速度边界层，又能提高主流速区的传热效果。

3.3 优化前后对比分析

2018年7月，辽宁某风场33台1.5 MW金风机组中17台发生了超温故障。2019年4月对变流器水冷系统进行了优化治理，对比数据如表1、表2、表3所示。

表1 优化治理前数据 ℃

表3中，Δt1为处理前水温相对于环境温升；Δt2为处理后水温相对于环境温升；Δt3为处理前模块相对于水温温升；Δt4为处理后模块相对于水温温升。

表3 核心数据对比 ℃

通过对17台风机进行变流器水冷系统综合治理后，变流器故障临界温度平均下降5～10 ℃。如果考虑环境温度降低后，热交换效率提高，实际下降温度可达到8～18 ℃，贺德克水冷散热系统因效能下降导致变流模块超温的现象，得到有效改善，夏季大风天气环境温度不高于35 ℃时，能够保证风机满负荷运行。

3.4 后续优化方案

通过实施以上优化方案后，如果仍不能解决超温问题，可采取以下优化策略。

a.更换主循环泵。选择功率更高的主循环泵，提高流体流速，从而提高冷却系统的循环倍率。

b.更换外散热器及其配套的风扇和电动机。选择容积和接触面积更大的外散热器，并适当增大风扇电动机的功率，提高强制对流散热效果。

c.变流模块控制策略优化。IGBT模块总功率损耗包括IGBT和与其反并联快恢复二极管的功率2部分。IGBT在导通过程中存在初始饱和压降和导通电阻而产生静态损耗，当器件在较低开关频率条件下工作时，其通态损耗为总损耗的主要部分[8]。以此为出发点，动态优化IGBT开关频率，使同等功率下模块温度更低。

4 结论

本文针对金风1.5 MW风力发电机组贺德克水冷系统，研究分析了SWITCH变流模块超温原因，从传热学的角度列举了影响换热的相关因子。提出了改进三通阀和扰流丝的优化方案，并指出了后续优化思路。通过优化治理前后对比得出如下结论。

a.采取优化改造三通阀、更换变流模块基体扰流丝等方法，可降低变流模块温度5～10 ℃，变流模块超温的现象得到有效改善。为变流柜内电气元件提供了良好的工作环境，大幅降低了变流系统的故障率，延长了设备的使用寿命，避免了风机限功率运行带来的经济损失，进一步提高了机组的可用率，保证了机组健康、安全、稳定运行。

b.后续优化控制策略改善变流模块超温的思路，对于提高冷却循环效果可供参考。