关于风电机组塔底部分散热方案的探讨

文 | 陈效国 刘衍选 蔡晓峰

关于风电机组塔底部分散热方案的探讨

文 | 陈效国 刘衍选 蔡晓峰

随着风电机组单机容量持续增大，高海拔、海上风电机组的出现，风电机组温度过高的问题越来越突出，风电机组因高温停机或限功率运行时有发生。风电机组散热问题越来越受到人们的关注，散热不好将会严重地影响到风电机组部件的性能、可靠性和使用寿命，进而也会影响风电机组的效率和经济效益。

本文以沈阳华创风能1.5MW双馈风电机组为例，对风电机组塔底部分的散热进行客观的分析，并提出了一种利用塔筒的烟囱效果加强风电机组散热的方案。该方案高效节能，对大功率的风电机组散热系统设计和研究具有较强的参考价值。

风电机组高温问题分析

风电机组为了便于运行维护，有很大一部分厂家都把变频器和电控柜放在塔底。沈阳华创风能1.5MW双馈风电机组也是如此。变频器和电控柜是塔底部分两大发热主体。

传统的风电机组散热系统，虽然对变频器和电控柜的散热情况给予充分的考虑，变频器和电控柜都增加了冷却风扇，并加大了冷却风扇的功率。但是对整个塔底部分的空气流通往往不够重视，在通风冷却通道的设计上也不够完善，这样就导致变流器和电控柜虽然可以通过冷却风扇将热量排到柜体之外，但是排出的热量却聚集在了塔筒内，不能有效的散发出去，使塔筒内的温度升高，从而又影响变频器和电控柜的散热，导致变流器和电控的温升过高。

在高海拔地区的风电机组，因其所处的外部环境海拔高、空气密度低、昼夜温差大，这些因素对风电机组的发热散热都有着不可低估的影响。尤其是到了夏季，风电机组因高温停机或限功率运行时有发生，严重影响风电机组的效率和经济效益。

风电机组的散热分析计算

一般情况下，当电气柜内有如变压器、变频器、电源或大发热量电器元件时，要根据电器元件的功率及效率来计算发热量。当电气柜内只有数量较多的小的发热量电器元件时，在不清楚估计大概的发热量时，为计算方便可不单独计算每个电器元件的发热量，可统一估算发热量每平方米电气板约 200W。塔底主要的散热部件是变频器和电控柜。

一、变频器柜的散热分析计算

变频器运行时都会有一定的热量损耗，变频器满负荷运转时的最大散热量主要取决于其功率、效率和柜体尺寸。另外变频器柜内的其他设备散热会使电控柜内的温度升高，例如：辅助变压器、开关电源、UPS、冷却风扇等。

（一） 变频器的功率损失

变频器的功率损失可利用下式计算：

（二） 辅助变压器的散热分析

变压器的热量损失是由变压器的功率损耗造成的。变压器的功率损耗，包括有功功率损耗和无功功率损耗。有功损耗又分为空载损耗和负载损耗两部分。空载损耗又称铁损，它是变压器主磁通在铁芯中产生的有功功率损耗，因为主磁通只与外加电压和频率有关，当外加电压U和频率f为恒定时，铁损也为常数，与负荷大小无关。负载损耗又称铜损，它是变压器负荷电流在一次、二次绕组的电阻中产生的有功功率损耗，其值与负载电流平方成正比。同样无功功率损耗也由两部分组成，一部分是变压器空载时，由产生主磁通的励磁电流所造成的无功功率损耗，另一部分是由变压器负载电流在一、二次绕组电抗上产生的无功功率损耗。对变压器的有功功率及无功功率的损耗,我们可以按下式计算：

二、控制柜的散热分析计算

电控柜热负荷由柜内元器件的散热量和外界环境向电控柜内部的漏热量两部分组成。在风扇冷却的情况下，控制柜内的温度都高于外界环境温度，所以，外界向电控柜内部的漏热量可以忽略不计。电控柜内主要的部件是控制系统和UPS不间断电源。

(一)控制系统发热量计算

塔底电控柜内的控制系统主要包括：1块Wp－line 4100,一块Wp－line 351、一块Wp－line110、一块Wp－line 511、一块Wp－line151其额定电压为24VDC，额定电流分别为：0.25A、0.2A、0.6A、0.25A、0.4A，控制系统的发热量计算公式如下：

其中：

U----控制系统的额定电压

I----控制系统的额定电流

η----效率因数

（二）UPS不间断电源发热量计算

（三） 控制柜内其他部件的发热量计算

当电控柜内只有数量较多的小的发热量电器元件时，为计算方便可不单独计算每个电器元件的发热量，可按每平方米电气板的发热量为200W来进行估算。

控制柜内其他部件发热量Q，电气板面积S，可以利用公式：Q=200×S来估算发热量Q。

综上所述，我们把上面求出的散热量逐个相加就得到了塔底部分总的散热量Q总，作为我们散热通风量计算的依据。

塔筒的烟囱效应及在散热方面的应用

烟囱效应是基于“对流通风”原理，室内外热压和风压共同作用的结果，空气沿着有垂直坡度的空间上升或下降，造成空气加强对流的现象。通常情况下，烟囱效应以热压为主，热压值与室内外温差产生的空气密度差和近排风口的高度差成正比。塔筒底部因变频器和电控柜散发热量，其空气温度较高，密度较小，空气便沿着塔筒自然上升，塔筒外的空气渗入补充，这就形成烟囱效应。烟囱效应的强度与烟囱的高度、烟囱内外温度差距、空气流通的程度有关。其中塔筒的高度是最主要的影响因素。

摄影：高石峰

在这里我们假设塔筒上下通风孔大小相等，空气密度无差别，在烟囱效应下，空气被抽升并排出，其通风量可表示为：

其中：G----通风量(kg/ s)

ρ----空气密度

c----空气定压比热

G----通风量

关于风道的设计

一、关于塔筒内平台的说明

从塔筒门进入塔筒内的定义为塔下电控柜平台。塔下电控平台上安装有变频器和电控柜。变频器上方依次定义为塔架第一层平台、塔架第二层平台、塔架第三层平台、塔架第四层平台。其中塔架第三层平台、塔架第四层平台有较大的通风空间。

摄影：吕冰

二、 塔筒门处通风孔的设计

适当加大塔筒门上的通风孔的尺寸 ，如有必要，在塔筒门上增加风扇，以加强塔筒门处的空气流通 。

三、塔架平台处的通风设计

塔底热量集中的部位一般在变频器和电控柜的上方，远离塔筒门的一侧。在塔架第一层平台、塔架第二层平台上增加通风孔 ，保证热空气能正常上升。为防止气流在塔筒内部形成短路，保证气流能通过热量集中的部位，应做好塔架第一层平台其他地方的密封。塔架第一层平台处的爬梯盖板在不使用时，也应关闭。如有必要，也可以在塔架第一层平台处增加风扇，以加强塔架第一层平台处的空气流通 。如图1所示。

结语

图1 塔底部分空气流通示意图

本文分析了风电机组塔底部分温度过高的原因；介绍了变频器和电控柜等主要部件的散热状况以及计算方法；因个人能力有限，本文关于塔筒的烟囱效应以及其对风电机组散热的影响，只提出了利用塔筒的烟囱效应加强塔底部分散热的初步构想，希望能起到抛砖引玉的作用，也欢迎广大风电同仁来电交流。

（作者单位：沈阳华创风能有限公司）