高海拔风力发电变流器水冷系统的设计

林锦华

摘要：随着内陆、沿海等地方优良风资源的不断开发，普通海拔可用的优良风资源越来越少，为寻求风机的持续发展，将风机从普通海拔转移到风速相对好的高海拔上，是未来风场开发的思路。海拔1km以上的土地面积占全国陆地面积60%左右，海拔2 km以上的面积约占30%，可供大规模开发利用的风能资源巨大，因此，设计应用于高海拔的风力发电变流器水冷系统是市场的需求。

1高海拔环境对水冷系统影响分析

随着海拔逐渐升高，大气压力和空气密度也会随之降低。在温度相同的前提下，空气密度与气压成正比。空气密度会随海拔增高而减小，高原空气密度只有平原地区的75%～80%。而风能密度和空气密度是线性关系，所以在同样风速下，风能密度也随海拔增高而减小。

1.1空气密度降低对水冷系统散热设计的影响

空气密度降低，散热系统的散热效果也会降低，因此要依照特殊标准设计。高海拔地区日照时间普遍较长，空气密度较小又导致散热能力下降，故以自然对流、强迫风冷或空气自然散热为主要散热方式的产品温升会增高。

一般情况下，在海拔0-5000 m范围内，气压每降低12%（相当于海拔增高1000m），电工产品温升就增高3%～10%，因此水冷系统的水泵、二次换热的空气散热器、电控系统的散热就需要重新计算。

1.2气温日较差大对系统稳定性的影响

高海拔地区气温的日较差普遍较大，尤其是西藏地区，平均日较差可达20℃以上。当气压与气温变化时，空气密度会随之变化。一般温度每变化±10℃，相应的空气密度就变化±4%。因此，较大的温度变化会使水冷系统的性能不稳定。

1.3气压降低对电气元件绝缘特性的影响

随着气压降低，电工产品的电晕（起始及消失电晕）电压减小，外绝缘电气强度也降低。在海拔0～5 000m范围内，气压每降低12%，电工产品电晕电压和外绝缘电气强度就降低8%-13%，材料也会加速老化失效。

1.4太阳辐射和低温环境对设备材料的影响

地理纬度决定了太阳辐射强度，而在同一地理纬度下，海拔高度每增加1 km，太阳直接辐射强度就增加约60W/ms。太阳辐射的主要危害是引起产品发热和老化，减短产品寿命。在这特别指出的是风电水冷系统设备间连接水路常用到的橡胶软管。

温度随着海拔高度的升高而降低，因此水冷系统各设备和材料需具备低温性能。

2水冷系统使用环境的要求

为满足高海拔的使用，风电机组对水冷系统提出的一般要求为：储存环境温度为-45℃-60℃；室外运行环境温度为-40℃-40℃；水冷柜工作环境温度为-40℃-50℃；海拔高度≤4000m；湿度为85%；盐雾环境等级为C3-H。

3水冷系统设备的改进措施

3.1主循环泵

提供密闭循环流体所需动力，为高速离心叶片泵。泵体采用机械密封，接液材质为304不锈钢。采用抗低温润滑油脂及低温密封垫，可在-40度的环境温度下正常运行。水泵电机带电加热器，当水泵停运时启动加热器，防止水泵突然启动后绕组凝露。

海拔高度在1000m以上时，每升高100m所需的环境温度降低补偿值规定按温升极限的1%折算。若最高环境温度的降低值不足以补偿由于海拔高度提高所造成的冷卻效果的降低，应对电动机的额定输出功率进行修正。

功率降低值的关系式如式（1）所示。

ANe=[（h-1000）△i-（40-tm）]Ne/100 （1）

式中h为海拔高度，m；△i为海拔高度1000-4000之间时，每提高100m所需要的最高环境温度补偿值，取△i=0.01×电机温升极限/100，℃/m；tm为使用地点的最高环境温度，℃。

因此，海拔高度为4000m，电机的温升极限为105℃，因此功率降低值△Ne为0.945kW。

3.2电加热器

当冬季变流器低负荷或停运时，为防止进入变流器水温较低，在主回路上设置电加热器，当供水温度较低时，启动电加热器，防止进入变流器的水温过低。为保证连接可靠，加热器采用法兰、螺栓连接。

3.3电动三通阀

置于主循环冷却水回路变流器进水侧，可调节流经室外空气散热器的冷却水流量，用于冬天温度低及变流器低负荷运行时的冷却水温度调节，避免冷却水温度过低。

电动三通阀由电动执行器和三通阀组成。其作用原理为通过供水温度的变化调节电动三通阀阀位，改变进入空气散热器的流量，从而实现精确控制水温的目的。电动执行器采用低温润滑油脂，可满足-40℃低温环境下的使用要求。

3.4稳压系统

本系统采用膨胀罐进行稳压。当系统温度降低或有少量介质渗漏时，膨胀罐顶部空气将介质压入系统，保持系统压力的恒定。当压力继续降低时，可通过补气泵对系统进行补气，防止系统压力过低。

当温差较大使温度升高时，系统压力增大，膨胀罐内有足够的空气进行收缩，使压力控制在设计值内；当压力超过临界值时，由排气电磁阀向大气进行泄压，防止因压力过高对变流器造成影响。

为防止空气对膨胀罐内介质造成影响，在介质内添加防腐剂，在空气压缩泵出口添加高精度的过滤器等措施。

3.5外冷电机

海拔高度对空气散热器的影响主要有风机电机功率及由于空气密度的变化从而引起散热能力的变化，需重新核算。西门子电机给出的海拔高度及环境温度变化对照的功率变化详见表1。

例如：在温度范围30-40℃，海拔高度为4000m时，对应功率的系数是0.77，原电机功率为1.5kW，因此需重新选用3kW才能满足电机功率的变化。

3.6外冷风叶

风机风叶的轮毂及叶片选用能耐-60℃低温的铝合金风叶，高海拔对风机的风量、风压、功率及效率都有影响，图1是某一风机叶片在满足低温下在海拔4000m与海拔2000m其风量、风压、功率及效率曲线对比：

3.7电气元件对地耐压值的修正

高于2000m的设备，工频耐压电压值和冲击耐受电压值应符合常规型产品标准的要求，在产品使用地点海拔和试验地点海拔不同时，试验电压值应乘以修正系数，修正系数值参考标准GB/T20645-2006的要求。

工频试验电压UH与海拔高度的关系如式（2）和式（3）。

UH=U₀×K_a（2）

Ka=1/（1.I-H/10000）（3）

式中：u。为标准额定试验电压；Ka为海拔修正系数；H为设备安装海拔高度。

4结语

随着海拔升高，大气环境也会相应发生很大变化，在这种气候条件下风力发电变流器的水冷系统就会受到一定的影响。本文阐述了高海拔环境对水冷系统的具体影响，并提出了主循环泵、电加热器、电动三通阀、稳压系统、外冷电机、外冷风叶和电气元件等设备在高海波地区使用的改进措施，保证风电机组的正常运行。