安装于集装箱中的SVG散热系统分析与改进

殷 炯，师蒙招，王玉斌，孙 林，张 祥

● （株洲南车时代电气股份有限公司，湖南 株洲412001）

安装于集装箱中的SVG散热系统分析与改进

殷 炯，师蒙招，王玉斌，孙 林，张 祥

● （株洲南车时代电气股份有限公司，湖南 株洲412001）

根据柜体的结构布置和功率模块的损耗，对安装在集装箱中的10KV/5MW的SVG散热系统进行了分析。利用ICEPAK分析软件对SVG柜体的通风散热过程进行了模拟仿真分析。结果表明，原散热系统方案不能满足 SVG运行的需要。根据存在的问题，提出了更换风机型号和改进风道等改进措施，以满足SVG的散热要求。

SVG；散热系统；有限元仿真

0 引言

SVG(Static Var Generator )静止无功发生器是当今无功补偿领域的新技术应用的代表，属于灵活柔性交流输电系统(FACTS)的重要组成部分。SVG的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路，经过电抗器或者直接并联于电网上中，相当于一个可变的无功电流源。通过调节逆变器交流侧输出电压幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，自动补偿电网系统所需的无功功率，对电网无功功率实现动态无级补偿。

近年来，随大功率电力电子技术的快速发展和国家节能降耗政策的推广，SVG的应用越来越广泛。SVG中使用的可关断大功率电力电子器件(如 IGBT)工作时会产生功率损耗，所损耗的功率要通过发热形式耗散出去。若设备的散热能力有限，则功率的损耗就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全正常工作。SVG散热系统设计的好坏，直接影响到SVG能否稳定可靠的长时间工作。参考文献的研究对象主要是大功率元器件或功率模块，本文将以 10KV/5MW SVG为例，对SVG设备的散热系统进行分析，并提出相应的改进措施。

1 SVG散热系统

为了保证SVG设备长期安全可靠的工作和运输方便，设备柜放置在一个尺寸为8000mm×3600mm×3500mm 的电力工程特种集装箱中。SVG设备主要由启动柜、功率柜和控制柜组成，启动柜和控制柜损耗较小，不予考虑，主要分析功率柜的散热。SVG功率柜散热系统采用强迫风冷进行散热，前门进风，后顶部出风的方案。柜体的前、后部分用挡风隔板分开，置于柜体后顶部的离心风机迫使气流从集装箱进风口、功率柜前门滤网进入的进入柜体内，穿过IGBT功率模块的散热器并发生热交换，带走IGBT元件损耗产生的热量，然后经三联和二联风道、出风口排出集装箱。

SVG设备在后顶部布置了5台RMA 450D4.138B-2FT的带安装支架外转子无蜗壳风机进行通风散热，额定风量为4000m3/h，其性能参数和压力-流量曲线分别如表1和图1所示。

表1 RMA 450D4.138B-2FT风机的基本性能参数

SVG设备在现有的散热系统下工作过程中出现超温故障，说明其散热效果不佳，IGBT结温过高，需要重新对散热情况进行核算。

2 散热风量的核算

2.1 模块所需风量的计算

SVG设备主要的发热元件是功率模块中的可关断大功率电力电子器件(如IGBT)。以SVG项目为例，该设备功率模块为SVG600，每个模块主要发热元件是4个型号为FZ600R17KE的IGBT元件和1个放电电阻，每个IGBT元件损耗功率约为428W，放电电阻发热量约为200W，则功率模块总损耗为 1912W，系统设置的允许最高工作温度85℃。

Icepak是一款常用的传热、流体CAE仿真软件，采用的是 FLUENT计算流体力学(CFD)求解器，能够完成灵活的网格划分，可利用非结构化网格求解复杂几何问题。将环境温度设为40℃，对SVG600功率模块施加不同进风口风速的条件下，通过Icepak软件对功率模块的热传导进行模拟仿真 ，可得到不同进口风速条件下散热器背面 IGBT的温度云图和流经散热器翅片风速分布图。

从图2、3可知，要想IGBT元件稳定可靠的长期工作，功率模块散热器风道进风口的平均风速最低不能小于3m/s，同时流经散热器翅片的风速最低不低于6.5m/s。功率模块散热器风道的尺寸为268mm×132mm，这样功率模块所需最低冷却风量为：

图2 不同进口风速IGBT的温度云图(℃)

图3 不同进口风速下流经散热器翅片风速分布图(m/s)

2.2 所需总风量的计算

10KV/5MW SVG共33个SVG600功率模块，则设备所需总风量为：

考虑到模块通风的不均匀和余量。取一个安全系数为1.5～2，则实际所需风量为：

SVG采用5台风机进行通风散热，总额定风量为20000m3/h，勉强能满足总通风量的要求，但是安全系数较小，不一定能保证散热效果，需要进行进一步的研究分析。

3 散热仿真分析

通过有限元软件Icepak对其进行数值模拟分析，简化了分析过程，而且可以得到准确直观的温度、流体分布情况。icepak的后处理器可查看SVG柜体内流体、温度和风机工作点等参数的分布情况。

3.1 流体分布

从图4所示的流体分布图可知，柜体内通过功率模块内部散热器翅片的风速约为6m/s，小于功率模块内部散热器风道要求的最低风速6.5m/s，不能满足功率模块IGBT元件散热要求。

图4 流体速度分布场

3.2 温度分布

Icepak可以使用后处理器中的cut查看柜体截面的温度场分布情况，如图5所示。在环境温度设置为40℃时，柜体内部的温度均在53℃以下，温升不超过15℃。

图5 柜体切面温度云图

3.3 风机工作点

打开下拉菜单中Report中的Fan operating points，可以查看每个风机的工作状况，即风机的实际压头压力和输出风量，见表2。

表2 风机实际工作情况

4 试验结果比较

为验证设计的散热系统以及选择的风机是否满足散热的基木要求，同时检验仿真分析结果的可信度，使用风速仪对图6所示柜体出风口流体速度进行实地测量，并与仿真结果进行比较。实测数据与明仿真结果误差在合理的范围区域内结果见表3，仿真结果具有较高的可信度。

图6 出风口测量点示意图

表3 出风口实测风速与仿真结果对比

5 改进措施

通过前面的分析我们知道，原设计方案风机之间布置过紧，同时采用的是二联和三联风道，风机之间可能相互干涉，在风道内形成涡流，增加了风道的压力损失，造成风机实际输出风量不足，不能很好满足散热要求。

为解决原设计方案存在的问题，加大总通风量，将5台RMA 450D4.138B-2FT风机改为3台RAM 560D.155B-3KT风机，并且每台风机采用独立风道，额定总风量为24000 m3/h，能够满足SVG散热总风量的要求。其性能参数和压力-流量曲线分别如表4和图7所示。根据新散热系统建立仿真模型，同样使用Icepak对通风散热过程进行模拟分析，求得新方案的通风散热情况。

表4 RAM 560D.155B-3KT风机基本性能参数

图7 RAM 560D.155B-3KT风机P-Q曲线

5.1 流体分布

从图8所示的流体分布图可知，柜体内通过功率模块内部散热器翅片的风速约为7m/s以上，满足功率模块内部散热器风道要求的风速，能够满足功率模块IGBT元件散热要求。

5.2 温度分布

如图9所示，在环境温度设置为40℃时，柜体内部的温度均在50℃以下，温升不超过15℃。

5.3 风机工作点

从表5可看出，风机工作点在合理工作区域内，实际输出风量大于散热所需风量，能够满足SVG的通风散热要求。

图8 流体速度分布场

图9 柜体切面温度云图

表5 风机实际工作情况

6 结论

安装在集装箱中的10KV/5MW的SVG在工作过程中经常出现超温警报，说明通风散热不良。通过仿真软件对设备在箱变中的通风散热过程进行数值模拟，原有散热方案实际通风量过小，不能满足散热要求。实测出风口速度数据与仿真数据的误差在合理范围，这个结果说明仿真数据可信度较高。通过更改原设计方案中的风机型号和风道的改进措施，加大实际通风，新的散热系统能满足散热要求。

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Thermal System Analysis and Improvement of SVG Installed In Container

YIN Jiong, SHI Meng-zhao, WANG Yu-bin, SUN Lin, ZHANG Xiang
(Zhuzhou CSR Times Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China)

According to SVG cabinet structure layout and power modules losses on SVG, the thermal system of 10KV/5MW SVG installed in the container is studied.The heat dissipation process of SVG cabinet is simulated by using finite element analysis software ICEPAK, and the simulation results show that the thermal system cannot meet the requirement of heat dissipation.According, which can the existing problems, some improved measures like modifying the blowers model and improving the air duct are proposed to meet the requirement of heat dissipation.

SVG; thermal system; finite element simulation

TM46

A

殷炯（1978-），男，硕士，工程师，从事变流产品的结构和热仿真研究。