电力电子装置两种冷却方式的节能研究

卢志敏， 文玉良， 汪广武， 陈建业， 刘重强

(1. 广州高澜节能技术股份有限公司，广东 广州 510663；2. 清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084)

0 概述

随着电力电子器件的发展，其热流密度越来越大[1]，电力电子装置也越来越大，其自身的散热器也从最早的自冷式散热器发展为强迫风冷式散热器、热管散热器、液冷(主要是水冷)式散热器和集成式水冷散热器[2，3]。电力电子装置产生的热基本上以废热的形式散走，其中涉及到更多的是把这些废热输送出室外的能耗[4]。这些散热方式各有各的优点，研究的方法一般是对比热工的方式。至今没有人将电力电子装置的冷却效率系统的表达出来。暖通空调一般同时具备制冷和制热的能力[5]，行业内为了区分这两种能效比，分别采用制冷能效比和制热能效比来区分[6]。本文以暖通空调的能效比的概念进行类比，提出冷却系统的冷却能效比，针对两种类似的SVC设备的冷却装置进行试验比较，对比采用闭式水冷却系统的方式与采用热管+空调方式节能效果。

1 两种冷却系统的工作原理

大功率电力电子装置有很多案例，其中高压直流输电换流阀是大型电力电子装置代表[7]。目前发展的电力电子装置主要有SVC(无功补偿装置)、可控串补、HVDC换流阀等[8～10]，冷却方式最常见的有纯水冷却和热管冷却[11]。

1.1 纯水冷却的电力电子装置

SVC用纯水冷却设备采用的是闭式循环水冷系统[12]。密闭式循环水冷却设备一般置于室内，其提供恒定压力和流速的冷却水源源不断流经被主冷却器件(晶闸管散热器)，带走热量，升温的水流经外循环换热器(室外)与空气进行热交换，换热后回至高压循环泵的进口。根据供水温度的变化，水冷控制器自动调节外循环冷却水的流量，从而达到系统精确控制温度的要求。纯水冷却的电力电子装置SVC系统原理示意图如图1所示。

图1 闭式循环水冷的SVC冷却系统原理图

1.2 热管+空调冷却的电力电子装置

热管+空调冷却方式是SVC位于密闭的房间内，SVC工作时，把废热散失到房间内，配备工业空调对房间内空气及SVC进行降温，带走SVC产生的热量，保证SVC安全、正常运行[13]。热管冷却系统原理示意图如图2所示。

图2 热管冷却的SVC冷却系统原理图

1.3 冷却能效比

暖通空调器的制冷性能系数，称为制冷能效比[14]，EER=Qc/W；其中Qc指单位时间内的空调器名义制冷量，单位kW，W为单位时间内空调器所消耗的功率；因此在上述电力电子系统中冷却能效比CER(Cooling Efficiency Ratio)也可以定为

(1)

节能率η可定义为：

(2)

式中：Wk为原设备参考功耗，Wc为设备更改后功耗。

2 系统的两种冷却装置

2.1 纯水冷却的电力装置

本文以某企业SVC(120 MVar)为例进行节能测试，主要耗能设备包括主循环冷却回路、去离子水处理回路、氮气稳压系统、绝缘输配水管路、外循环水回路，主要设备见表1；冷却对象为室内放置三相分立的晶闸管SVC集成模块，纯水冷却系统示意图见图3。

表1 纯水冷却系统主要耗能设备一览表

图3 纯水冷却系统示意图

除纯水冷却系统外，阀厅内还有2台长期运行的分体热泵型落地式房间空调，型号KFR-70LW/E，最大输入功率3 400 W。

2.2 热管+空调冷却的电力装置

该冷却系统主要设备为4台工业空调， 规格型号LF128 N，额定功率54.4 kW，3开1备，冷却对象也为室内放置三相分立的晶闸管SVC集成模块，现场提供的热管+空调冷却系统示意图见图4。

图4 热管+空调冷却系统现场提供的示意图

3 两种系统的性能测试

3.1 运行状况和测试参数

户外环境：环境温度15.0 ℃，相对湿度19%。测试的室内环境参数见表2。热管空调冷却方式的阀厅和设备间在同一间房间，SVC在正常运行环境条件下运行。测试期间SVC连接点的负荷用电稳定，SVC对应输电系统电压、电流等参数见表3。

表2 室内环境参数表

表3 SVC连接点的系统情况表

纯水冷却系统和热管空调冷却系统对应SVC的母线电流变化趋势图见图5和图6。纯水冷却系统对应SVC的母线电流变化趋于稳定，而热管空调冷却系统对应SVC的母线电流变化不稳定，会发生突变。

图5 纯水冷却系统对应SVC的母线电流变化趋势图

注：A、B、C表示三相电的相位图6 热管空调冷却系统对应SVC的母线电流变化趋势图

测试得到纯水冷却SVC晶闸管表面温度为40.5 ℃，而热管空调冷却SVC晶闸管表面温度不低于52.0 ℃，见图7和图8。测试得到纯水冷却SVC晶闸管表面最高温度为40.5℃，而热管空调冷却SVC晶闸管表面最高温度为79.1℃。

图7 纯水冷却系统晶闸管红外图

图8 热管空调冷却系统晶闸管红外图

SVC冷却系统运行状况，相关系统参数(取平均值)分别为冷却水流量12.60 kg/s，供水温度45.6 ℃，回水温度49.8 ℃。

换热量计算公式如下[15]

(3)

经计算，Q=221 kW。

3.2 SVC冷却系统能耗分析

表4是SVC冷却系统能耗，因分体式空调未能单独计量，故其能耗按每台最大功率3 400 W计算，纯水冷却系统的副冷却水为工厂生产用循环冷却水的一部分。

表4 SVC密闭式纯水冷却系统能耗

SVC热管空调冷却系统能耗见表5，备注：3#空调处于常开状态，1#、2#空调根据回风温度自动控制运行状态(一般为一备一用)。

由测试数据及基础资料可知：

表5 SVC热管空调冷却系统能耗

(1)两套SVC均为TCR型，最大动态调节容量均可达到120 MVar，测试期间均正常运行；

(2)两套SVC对应负荷母线电压正、负偏差的绝对值之和未超过标称电压(35 kV)的10%；

(3)两套SVC对应的冷却系统均在正常工作状态下运行；

(4)从对晶闸管表面温度测试结果看，纯水冷却系统的冷却效果比热管空调冷却系统的冷却效果好。

(6)在以上状态下，对两种冷却系统的能耗进行对比，由表4和表5知，纯水冷却系统能耗Pc=15.58 kW，热管空调冷却系统能耗Pk=47.9 kW，则纯水冷却系统相对热管空调冷却系统节能率为：η=(Wk-Wc)/Wk×100%=(Pk-Pc)/Pk×100%=67.5%。

4 结论

从以上分析可得出如下结论：首先，电力电子装置的密闭式纯水冷却设备相对于热管+空调冷却设备而言较为节能；其次，从设备运行来看，纯水冷却的电力电子装置运行时负荷用电稳定，而热管+空调冷却有间歇式炼钢负荷，电流波动较大；再次，采用纯水冷却时SVC晶闸管表面温度为40.1 ℃，冷却效率达到14.2，而采用热管+空调冷却时SVC晶闸管表面温度不低于52.0 ℃，冷却效率(也是空调的EER)为4.6。最后通过节能计算，纯水冷却系统相对热管空调冷却系统能够节能67.5%，具有明显的节能效果。总之，通过实验测试可知，从运行的稳定性、冷却效果、节能效果分析来看，电力电子装置纯水冷却的效果要明显优于空调+热管的冷却效果。

参考文献：

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