抽蓄電站在保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。為實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組平穩(wěn)起動(dòng)，一般采用靜止變頻器（static frequency converter, SFC）。它通過(guò)調(diào)節(jié)自身頻率帶動(dòng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)并使機(jī)組達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)。

站內(nèi)采用的SFC可分為風(fēng)冷和水冷兩種。相較于風(fēng)冷SFC，水冷SFC晶閘管散熱器散熱效率更高，具有容量大、體積小的特點(diǎn)，便于SFC屏柜室的布置與現(xiàn)場(chǎng)施工。其水冷散熱方式在避免大功率風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲的同時(shí)，可將擴(kuò)散到機(jī)柜室內(nèi)的熱量控制在5%～10%以內(nèi)，利于機(jī)柜室內(nèi)溫度控制，大大優(yōu)化了工作環(huán)境。

然而目前在運(yùn)行的抽蓄電站中，水冷SFC均為國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，存在價(jià)格昂貴、檢修維護(hù)困難、技術(shù)服務(wù)不便等弊端，不利于站內(nèi)運(yùn)維。因此，研制國(guó)產(chǎn)化的水冷SFC十分必要。

1 水冷型SFC工作原理

1.1 SFC工作原理

靜止變頻器根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以逐漸升高的頻率交替向發(fā)電機(jī)定子某兩相通入電流，產(chǎn)生超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用生成加速力矩將轉(zhuǎn)子加速到指定轉(zhuǎn)速。如圖1所示，控制機(jī)側(cè)變流器晶閘管的順序?qū)ê蛽Q向，保證在定子兩相繞組中流通的直流電流Id產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)◆s總是超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)◆f。

作為一種自控式同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確觀測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置作為逆變橋換相依據(jù)。與此同時(shí)，由于晶閘管是半控型器件，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，同步電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)無(wú)法滿足晶閘管關(guān)斷需求，需采用脈沖換相方式。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于10%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)幅值升高，可采用負(fù)載換相方式。

圖1 SFC基本工作原理

1.2 水冷系統(tǒng)原理

靜止變頻器運(yùn)行過(guò)程中，晶閘管產(chǎn)生大量熱量，通過(guò)水冷散熱方式，可高效、快速地帶出熱量，水冷系統(tǒng)流程圖如圖2所示，水冷系統(tǒng)包含內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩個(gè)回路。

在內(nèi)循環(huán)回路中，主循環(huán)泵提供適當(dāng)壓力，使冷卻介質(zhì)流經(jīng)晶閘管散熱器件，并將晶閘管中的熱量帶走。經(jīng)過(guò)板式換熱器，內(nèi)循環(huán)回路中的冷卻介質(zhì)熱量傳遞到外循環(huán)回路冷卻介質(zhì)中。內(nèi)循環(huán)回路中的冷卻介質(zhì)溫度降低再次流入晶閘管散熱器中，形成閉式循環(huán)。

在外循環(huán)回路中，板式換熱器的熱量通過(guò)冷卻介質(zhì)回流到抽蓄電站水源，由于水源體量巨大，自然冷卻即可實(shí)現(xiàn)外循環(huán)冷卻介質(zhì)重復(fù)利用。此外，為了保證冷卻系統(tǒng)容量穩(wěn)定、保護(hù)靜止變頻器的冷卻管路以及滿足電氣運(yùn)行要求，在內(nèi)、外循環(huán)回路中均需要加入過(guò)濾器、去離子支路、穩(wěn)壓支路等，提高冷卻介質(zhì)質(zhì)量。

圖2 水冷系統(tǒng)原理圖

2 水冷型SFC緊湊型閥組設(shè)計(jì)

本次提供的緊湊型閥組以12-6脈動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)依據(jù)，在外形尺寸、檢修維護(hù)及可靠性方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，目的是應(yīng)對(duì)小空間、設(shè)備改造、定期維護(hù)等需求。

2.1 整體布局概述

如圖3所示，本方案從左至右依次為控制柜及水冷柜、網(wǎng)橋柜、直流電抗器柜、機(jī)橋柜。進(jìn)線電纜從網(wǎng)橋柜底部接入，通過(guò)銅排轉(zhuǎn)接至直流電抗器柜和機(jī)橋柜。布局中，控制柜及水冷柜背靠背布置，可節(jié)省橫向尺寸、并使柜體寬度保持一致。

圖3 SFC整體平面布局圖

按照該布局，設(shè)備整體二次控制部分集中在控制柜內(nèi)，與功率器件部分間隔遠(yuǎn)，提高了操作的安全性。網(wǎng)橋柜、直流電抗器柜與機(jī)橋柜為三聯(lián)柜，柜間接線及水路預(yù)先安裝，減少現(xiàn)場(chǎng)工作。

2.2 閥組布置及緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體布局中，閥組的尺寸及出線位置決定了網(wǎng)橋柜與機(jī)橋柜的走線方式。在滿足檢修、維護(hù)的基礎(chǔ)上，減小閥組尺寸、合理布置閥組高度可增大柜內(nèi)走線空間，提高電氣安全裕度。閥組在機(jī)橋柜與網(wǎng)橋柜內(nèi)均為三層布置，分別對(duì)應(yīng)A、B、C三相。

單個(gè)閥組包括晶閘管、散熱器、晶閘管控制單元、電阻、電容、加壓裝置及其他輔助結(jié)構(gòu)件。閥組作為完整模塊可進(jìn)行單獨(dú)安裝和拆卸。如圖4所示，閥組為三層結(jié)構(gòu)。晶閘管、散熱器、加壓裝置與輔助結(jié)構(gòu)件構(gòu)成的硅堆位于閥組中層，電阻及電容布置在閥組上層。

根據(jù)各器件在現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)頻次及難度，將需要水冷卻的電阻布置在閥組前側(cè)，電容布置在后側(cè)，便于電阻年檢及水接頭更換。電阻與硅堆高度方向預(yù)留90mm的空間，便于拆裝電阻底部的固定螺釘。晶閘管控制單元布置在閥組下層，通過(guò)硅堆的散熱器翅片固定并取晶閘管陰極電位。

晶閘管控制單元光纖插口朝外，接線端朝內(nèi)，方便光纖的現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)。晶閘管壓接力135kN，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1972—2016選取承載力、剛度較大的A系列碟簧，計(jì)算單片碟簧工作狀態(tài)壓縮量為2.35mm。為確保檢修時(shí)有足夠空間取出晶閘管定位銷，須確保加壓機(jī)構(gòu)加壓前后約有10mm的伸縮量，故碟簧片數(shù)定為4片，此時(shí)伸縮量為9.4mm。

電阻、電容固定用安裝板采用環(huán)氧玻璃布層壓板，具有較低的吸濕性和較高強(qiáng)度，防止晶閘管級(jí)間爬距在濕度較大環(huán)境失效。電阻外表面包覆PVDF外殼，絕緣能力強(qiáng)。各級(jí)電容之間的安裝板上開槽，增大電容間爬距。

圖4 硅堆及閥組布置圖

2.3 閥組水路設(shè)計(jì)

水冷型SFC采用純水對(duì)散熱器冷卻的方式間接冷卻晶閘管和電阻。每個(gè)散熱器均設(shè)置有一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口。圖4中，閥組前方橫向安裝一根進(jìn)水管和一根回水管，并根據(jù)散熱器位置開設(shè)有水嘴。進(jìn)水管水嘴通過(guò)四氟管連接到散熱器進(jìn)水口，回水管水嘴連接到散熱器出水口，形成散熱器水路循環(huán)。

為減小水路流阻，確保電阻散熱效果，電阻與散熱器水路采用并聯(lián)方式。進(jìn)水管、回水管單獨(dú)開設(shè)水嘴對(duì)應(yīng)電阻，通過(guò)四氟管連接到電阻進(jìn)、出水口，形成電阻水路循環(huán)。

網(wǎng)橋柜、機(jī)橋柜中，閥組按照A、B、C三相對(duì)應(yīng)關(guān)系布置在同一高度、同一深度。該特點(diǎn)使柜內(nèi)主水管彎頭減少、布局精簡(jiǎn)。為降低閥組水路最高點(diǎn)，避免水管對(duì)水冷系統(tǒng)形成負(fù)壓導(dǎo)致氣體聚集，主水管均從柜體底部接入閥組，頂部閥組支路水管即為設(shè)備水位最高點(diǎn)。

3 水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力電子裝置在工作中所產(chǎn)生的熱量，將導(dǎo)致大功率半導(dǎo)體器件溫度逐漸升高，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)纳岽胧?，就可能使大功率半?dǎo)體器件的溫度超過(guò)所允許的最高結(jié)溫，從而導(dǎo)致其性能惡化以致?lián)p壞。為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，需要安裝各種形式的散熱器，如型材散熱器、熱管散熱器及水冷散熱器等，將半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速帶走。

3.1 靜止變頻器散熱技術(shù)現(xiàn)狀

目前靜止變頻器主要采用風(fēng)冷對(duì)發(fā)熱電子器件進(jìn)行冷卻。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，風(fēng)冷室內(nèi)散熱對(duì)周圍環(huán)境溫度影響大、暖通要求高；同時(shí)風(fēng)冷開放式散熱結(jié)構(gòu)不利于柜體對(duì)粉塵、水汽防護(hù)；此外，風(fēng)冷的散熱效率較低，風(fēng)冷型SFC產(chǎn)品屏的柜尺寸較大，對(duì)地下廠房布置空間要求較高。

相較于風(fēng)冷散熱，水冷散熱具有噪聲小、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，在大容量靜止變頻器的工程實(shí)施中備受青睞。

3.2 運(yùn)用于水冷型SFC的冷卻系統(tǒng)特點(diǎn)概述

由于SFC間歇起動(dòng)的特點(diǎn)，采用水冷方式散熱需控制冷卻介質(zhì)的電導(dǎo)率及防止器件凝露，避免器件放電、短路引起的嚴(yán)重危害。水冷型SFC設(shè)備通過(guò)對(duì)內(nèi)水冷系統(tǒng)定時(shí)起動(dòng)方式，解決靜止變頻器電導(dǎo)率高及凝露問(wèn)題，確保靜止變頻器在短時(shí)工作制下滿足隨起隨用的要求。

定時(shí)起動(dòng)通過(guò)定時(shí)起動(dòng)內(nèi)循環(huán)水泵，監(jiān)測(cè)整個(gè)內(nèi)循環(huán)冷卻水中的電導(dǎo)率及溫度。監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率作為去離子支路起動(dòng)判據(jù)，監(jiān)測(cè)水溫作為內(nèi)水冷加熱器及外水冷三通閥工作判據(jù)，確保靜止變頻器電導(dǎo)率及水溫始終滿足運(yùn)行需求，達(dá)到靜止變頻器可以隨時(shí)起動(dòng)機(jī)組的目的。

3.3 運(yùn)用于水冷型SFC的冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

按照冷卻系統(tǒng)工作特點(diǎn)，在達(dá)到定時(shí)起動(dòng)條件時(shí)，其工作過(guò)程如圖5所示。系統(tǒng)每隔一段時(shí)間起動(dòng)主循環(huán)泵并根據(jù)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率和水溫進(jìn)行動(dòng)作。電導(dǎo)率高則起動(dòng)去離子支路，水溫低則起動(dòng)電加熱器并減小三通閥開度，直到冷卻水的電導(dǎo)率及水溫回到正常值。此時(shí)，關(guān)閉去離子支路和電加熱器，主循環(huán)泵停止。

如圖6所示，在靜止變頻器出水端設(shè)置電導(dǎo)率變送器，靜止變頻器的出水端和進(jìn)水端均設(shè)置溫度變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率和水溫并上傳至水冷控制柜。出水端的溫度變送器監(jiān)測(cè)出水溫度，溫度過(guò)高時(shí)，說(shuō)明靜止變頻器內(nèi)功率器件或管路發(fā)生異常，系統(tǒng)報(bào)警并停止工作。

出水端電導(dǎo)率變送器監(jiān)測(cè)冷卻液流經(jīng)散熱器后的電導(dǎo)率，當(dāng)達(dá)到水冷控制柜設(shè)置的定值時(shí)，控制柜發(fā)出信號(hào)起動(dòng)去離子支路，在冷卻液再次循環(huán)入散熱器前去離子。靜止變頻器內(nèi)冷卻液的溫度最低點(diǎn)位于進(jìn)水端，即該位置易發(fā)生凝露。故設(shè)置入水端溫度變送器監(jiān)測(cè)并上傳水冷控制柜。

當(dāng)溫度低于定值時(shí)，控制柜發(fā)出信號(hào)控制三通閥開度以減小板式換熱器換熱效率并打開電加熱器，使冷卻液進(jìn)水溫度高于凝露點(diǎn)。

4 晶閘管水冷散熱仿真

閥組采用晶閘管散熱器、電阻相互并聯(lián)的水路對(duì)發(fā)熱器件散熱。在并聯(lián)水路中，各并聯(lián)支路的流阻相等、流量不同，即兩種水路的流量存在匹配關(guān)系。水路流量匹配關(guān)系不合理會(huì)造成一項(xiàng)水路流量滿足散熱需求時(shí)，另一項(xiàng)水路流量嚴(yán)重偏離散熱需求，最終造成水冷總流量的不足或過(guò)剩。通過(guò)仿真計(jì)算，調(diào)整散熱器與水電阻的流阻，可使水路流量關(guān)系達(dá)到合理范圍。

圖5 定時(shí)起動(dòng)流程圖

圖6 靜止變頻器水冷原理圖

4.1 初始條件設(shè)定

電阻為定型產(chǎn)品，按照發(fā)熱功率及進(jìn)水溫度，可查知電阻冷卻流量不低于3.5L/min，流阻為55kPa。

散熱器分低流量型和高流量型兩種，兩種散熱器外形相同。低流量型散熱器內(nèi)部流道截面尺寸4mm×4mm，高流量型散熱器內(nèi)部流道截面尺寸7mm×7mm。散熱器的進(jìn)散熱器水溫50℃，換熱量為2kW，按進(jìn)出水溫升10K確定散熱器設(shè)計(jì)流量為14L/min，其接觸情況如圖7所示。

圖7 散熱器與發(fā)熱元件接觸示意圖

4.2 仿真計(jì)算

圖8、圖9所示分別為低流量型散熱器和高流量型散熱器壓力分布云圖。在流量為14L/min時(shí)，低流量型散熱器流道的進(jìn)出水口壓差為183kPa，高流量型散熱器流道的進(jìn)出水口壓差為58.6kPa。

圖8 低流量型散熱器流道壓力分布云圖

圖9 高流量型散熱器流道壓力分布云圖

該結(jié)果中低流量型散熱器的進(jìn)出口壓差高于水電阻的3倍。若低流量型散熱器與電阻并聯(lián)使用，在散熱器流量達(dá)到14L/min時(shí)，水電機(jī)組流量遠(yuǎn)高于3.5L/min，將造成流量浪費(fèi)。此時(shí)高流量型散熱器與水電阻的壓差相近，流量匹配情況良好，因此選用高流量型散熱器。

圖10所示為高流量型散熱器表面溫度分布云圖。在流量為14L/min時(shí)，散熱器表面溫度最高點(diǎn)為散熱器中心，溫度值為68.6℃。

圖10 高流量型散熱器表面溫度分布云圖

4.3 仿真小結(jié)

根據(jù)仿真結(jié)果，高流量型晶閘管散熱器與電阻的流阻接近，兩種水路的流量匹配關(guān)系合理。在該匹配關(guān)系下正常使用，晶閘管運(yùn)行溫度滿足使用要求，因此選用高流量型散熱器。

5 結(jié)論

本文介紹了水冷型SFC的設(shè)計(jì)方案及仿真，包括緊湊型閥組及水冷系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)與方案。該水冷型SFC結(jié)構(gòu)緊湊、容量大、維護(hù)方便，符合靜止變頻器的主流發(fā)展和需求，具有廣闊應(yīng)用前景。水冷型SFC的國(guó)產(chǎn)化，可提升抽蓄電站的運(yùn)行容量、優(yōu)化電站運(yùn)維環(huán)境，為風(fēng)冷SFC及國(guó)外水冷型SFC的擴(kuò)容及改造提供了可行方案。