储能集装箱变压器舱散热设计研究

潘守文，唐春秀，张海龙，米高祥，姚 宁，周力民

（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，江苏 南京211102）

风能、太阳能等清洁能源产业发展迅速，但是与传统能源相比，其稳定性不高。在太阳能与风能具有天然互补优势的地区，引入储能系统能使风光合成出力更好地跟随负荷波动，平衡两者之间的能量差值，有效减少系统总成本，提高经济性[1]。

储能系统形式多样，储能集装箱因其具有占地少、建设快、可移动、一体性强等特点，在中小型电站应用十分广泛。集装箱式储能系统将电池系统、交直流转换装置、升压装置及监控系统集中放置在一个或多个标准尺寸的集装箱内，多个产品整体交付给用户，运输方便且易于安装[2]。

集装箱式储能系统具有高集成性的特点，也对系统的散热能力提出了更高的要求。储能集装箱变压器舱，舱内布置有干式变压器，变压器在运行过程中，由于铁损和铜损存在，变压器铁芯和绕组温度会不断上升，运行初期温度上升很快，但随着变压器本体温度的升高，变压器本体对周围介质（舱内空气）存在一定的温度差，这时铁芯和绕组会将一部分热量传递给周围介质，从而使周围介质温度升高，变压器本身的温升速率趋缓。变压器本体自带横流风机将铁芯、绕组发热量散发到舱内，变压器舱通常采用箱壁风机强迫风冷散热，将这部分热量转移到舱外，在此条件下，箱壁风机的选择及控制策略就显得尤为重要。

常见的一种箱壁风机温控策略是将箱壁风机与变压器本体风机的温度信号并联，与变压器本体风机同时启停，当变压器低压绕组内部最热处温度达到设备温升阈值tmax时，变压器本体风机与箱壁风机同时自动启动；当变压器低压绕组内部最热处温度降低到设备温升阈值tmax-20℃时，变压器本体风机与箱壁风机同时停机。该控制策略存在以下问题：储能集装箱中变压器运行的时间在大部分应用场景下都比较短，此时变压器低压绕组内部最热处温度可能会低于设备温升阈值，此时变压器本体风机尚未启动，但是由于变压器热辐射的影响，变压器舱内温度已经超过设计温度tp，舱内其他设备对温度上限有要求的情况下，无法满足舱内其他设备正常运行的温度要求。

另一种常见的箱壁风机温控策略是通过温度传感器、温度控制器来控制箱壁风机启停，当变压器舱内环境温度高于设计温度tp时，箱壁风机自动启动给舱内排风降温，当变压器舱内环境温度低于设计温度（tp-10℃）时，风机停机。该控制策略存在以下问题：变压器运行的时间较短，其发热量小于满载工况发热量，多个箱壁风机全部同时启动，增加了储能系统的自身能耗，箱壁风机启动后通风量达到最大，噪音高，影响集装箱过滤器的使用寿命，同时由于箱壁风机风量大，舱内环境温度很快会降至设计温度（tp-10℃）以下，会造成箱壁风机的频繁启停。

基于上述2种常见温控策略存在的问题，本文提出了一种全新的简便易实施的箱壁风机温控策略，在舱内环境温度、变压器低压绕组温度满足设计要求的同时，实现了降低储能系统自身能耗、降低噪声、延长过滤器及箱壁风机使用寿命的目的。

1 变压器舱排风风量计算

储能系统升压变压器常选用干式变压器，干式变压器设备发热量较大，且放置在集装箱箱体内，对变压器舱排风量的影响较大，因此准确确定变压器发热量对于通风系统设计而言显得尤为重要[3]。本文采用详细计算法计算变压器舱所需排风风量。

某风电场储能项目储能集装箱变压器舱三维模型如图1所示，箱体尺寸为3.7 m×2.4 m×2.6 m，其内部安装有1台2 800 kVA树脂浇注干式变压器（铜绕组），1套真空负荷开关熔断器组合电器，通风方式为自然进风、机械排风，在箱壁背面设置排风口，通过轴流风机的排风作用将集装箱内部的空气排出箱外，同时也带走部分热量以此来实现集装箱内外的气体交换和热交换，箱壁正面开设百叶窗自然补风，同时配套粗效虑棉满足防水、防尘的IP54防护等级要求。

图1 变压器舱三维模型

室内外设计参数如下：设计送风温度（夏季通风室外计算温度、安徽亳州）ts为31℃；设计排风温度（室内设计温度）tp为45℃，变压器厂家要求舱内温度不高于45℃。

1.1 变压器舱的余热量计算

变压器的余热量计算公式[4]为：

式（1）中：Q变为变压器的余热量，kW；Pul为变压器的空载功率损耗，kW；Plo为变压器的负载功率损耗（也称为短路损耗），kW。

查阅该项目干式变压器产品规格书可知，SCB11干式变压器容量为2 800 kVA；变压器的空载损耗Pul=4.35 kW；变压器的负载损耗Plo=23 kW，即Q变=Pul+Plo=27.35 kW。

查阅该项目真空负荷开关熔断器组合电器产品规格书可知，每套损耗约500 W，本项目共1套组合电器，则其热损失Q1=0.5 kW。

其余设备热损失忽略不计，则变压器舱总余热量为Q=Q变+Q1=27.85 kW。

1.2 变压器舱的通风量计算

采用全面排风方式消除舱内余热，变压器舱的通风量可按下式计算：

式（2）中：L为变压器舱的通风量，m3/h；Q为室内显热余热量，Q=27.85 kW；ρ为进排风平均密度，ρ=1.13 kg/m3；Cp为空气比热容，取Cp=1.005 kJ/（kg·℃）；Δt为进排风温度差，Δt不应超过15℃。

1.3 变压器舱箱壁风机选择

某型号轴流风机曲线如图2所示，先按照风机静压100 Pa，风机风量1 680 m3/h选型计算，则风机数量为：

图2 风机曲线

本项目所选干式变压器本体自带6个横流风机，风机风量为1 300 m3/h，共计7 800 m3/h。综合考虑箱壁风机与本体风机风量的匹配性及一定的设计裕度，本项目选用5台箱壁风机。

1.4 进风百叶窗面积确认

压力损失与风速关系式如下：

式（3）（4）中：Δp1为百叶窗压力损失，考虑滤棉在使用过程中风阻会逐渐增大，百叶窗压损取100 Pa；k为阻力系数，经风洞试验测试，反推计算，k=88.75；ρ为空气密度，取ρ=1.13 kg/m3。

2 变压器舱风机温控策略优化

变压器本体风机的自动控制：通过预埋在低压绕组温度最高处的PT100热敏测温电阻测量温度。变压器负荷增大，运行温度升高，当低压绕组温度达100℃时，温控系统自动启动风机进行冷却；当低压绕组温度降至80℃时，温控系统自动停止风机。

本项目综合考虑变压器本体温升阈值及变压器舱内环境温度要求，提出了一种简便、易实施的箱壁风机温控方案，该方案主要组成包含温度控制器、温度传感器、箱壁散热风机。温度控制器是温度控制的主要器件，温度传感器为采集变压器舱内环境温度的主要器件，箱壁风机为散热通风设备，可以单台或者多台箱壁风机并联。当变压器发热量较大，使用多台箱壁风机并联散热时，可将箱壁风机分为多组，第一组箱壁风机通过温控器1控制启停，当舱内环境温度升高到阈值t1时，风机启动，当舱内环境温度降低到阈值t1-5℃时，风机停机；第二组箱壁风机通过温控器2控制启停，当舱内环境温度升高到阈值t2时，风机启动，当舱内环境温度降低到阈值t2-5℃时，风机停机；以此类推，最后一组箱壁风机通过变压器自身的温控系统控制启停，当变压器低压绕组内部最热处温度达到设备温升阈值tmax时，最后一组箱壁风机启动，当变压器低压绕组内部最热处温度降低到设备温升阈值tmax-20℃时，最后一组箱壁风机停机，满足变压器本体的散热需求。通常情况下储能系统变压器满载长期运行的工况较少，一般情况下依靠集装箱内温控器控制箱壁风机即可满足散热需求；即使在变压器满载长期运行的工况下，箱壁风机全部启动，仍可以满足变压器的散热需求。当箱内使用单台箱壁风机散热时，可同时通过舱内温控器和变压器温控器共同控制箱壁风机的启停。当舱内环境温度达到启动阈值时，箱壁风机启动，或者当变压器低压绕组内部最热处温度达到设备温升阈值tmax时，箱壁风机启动；当舱内环境温度降低到启动阈值-5℃时，箱壁风机停机，或者当变压器低压绕组内部最热处温度降低到设备温升阈值-20℃时，箱壁风机停机。

以本项目为例，变压器发热量较大，使用5台箱壁风机并联散热，可将箱壁风机分为3组，如图3所示。第一组箱壁风机通过温控器1控制启停，当舱内环境温度升高到阈值t1=35℃时，温度传感器1输出温度信号至温控器1，第一组箱壁风机启动，当舱内环境温度降低到阈值t1=30℃时，温度传感器1输出温度信号至温控器1，第一组箱壁风机停机；第二组箱壁风机通过温控器2控制启停，当舱内环境温度升高到阈值t2=45℃时，温度传感器2输出温度信号至温控器2，第二组箱壁风机启动，当舱内环境温度降低到阈值t2=40℃时，温度传感器2输出温度信号至温控器2，第二组箱壁风机停机；最后一组箱壁风机通过变压器自身的温控系统控制启停，当变压器低压绕组内部最热处温度达到设备温升阈值tmax=100℃时，最后一组箱壁风机启动，满足变压器本体满载运行时的散热需求，当变压器低压绕组内部最热处温度达到设备温升阈值tmax=80℃时，最后一组箱壁风机停机。

图3 温控策略示意图

3 结论

本文对储能集装箱变压器舱的排风系统进行设计说明并对排风风量进行计算，对排风箱壁风机控制策略进行优化设计，形成了完善的箱壁风机温控方案，既能保证变压器舱内温度低于45℃的室内设计温度要求，还可以保证变压器绕组的温度低于设备温升阈值100℃；通过温控器阶梯性控制箱壁风机启停，可以降低系统的自身能耗，降低噪声；减小散热风量，有效延长过滤器的使用寿命。