风冷型及水冷型静止变频器设备对比研究

漫自强 刘 欢 刘 腾

风冷型及水冷型静止变频器设备对比研究

漫自强 刘 欢 刘 腾

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

为了增进抽水蓄能电站用户对风冷型及水冷型静止变频器（SFC）的深入了解，本文提供两种冷却方式的SFC设计方案，通过构建脉冲换相阶段及负载换相阶段功率输出模型，分析影响功率因数的相关参数，对比同容量下的SFC功率输出能力。另外，从效能水平、可靠性及运行维护等方面进行对比，为SFC冷却方式的选择提供综合参考。

静止变频器（SFC）；冷却方式；功率因数；效能指标

0 引言

抽水蓄能电站具备消纳新能源、削峰填谷、增强电网稳定性和应急供电等多重作用。为实现“双碳”目标，“十四五”现代能源体系规划中提出力争到2025年，抽水蓄能装机容量达到6 200万kW以上、在建装机容量达到6 000万kW左右，抽水蓄能迎来高速发展[1-5]。

静止变频器（static frequency converter, SFC）是抽水蓄能电站的关键辅机设备，主要用于水泵工况起动机组，其运行可靠性直接决定机组的安全稳定运行水平。

SFC由控制部分、换流桥功率部分及配套一次设备组成，换流桥采用晶闸管器件，其冷却方式即为SFC冷却方式。目前，国内在运设备包括风冷型和水冷型两种[6]。本文从系统设计、功率输出能力、能效水平、可靠性及运行维护等方面对两种冷却方式SFC进行对比研究，为抽蓄电站SFC的选择提供参考。

1 SFC冷却原理

SFC基本原理可见文献[7-9]，SFC主要功能为将工频电源转换为变频电源，拖动抽蓄机组从静止到额定转速。SFC系统组成示意图如图1所示。

风冷型SFC冷却系统主要由风机、风冷型散热器及风压继电器等监测元件组成。风冷型散热器通常采用带翅片的型材散热器或热管散热器。当晶闸管工作时，散热器将晶闸管热量传导至翅片，翅片布置于风道中，通过风机完成与空气的热量交换。

水冷型SFC冷却系统由内、外水冷系统组成。内水冷系统包括水冷型散热器、水泵、稳压设备、去离子支路，以及温度、压力、电导率等表计。外水冷系统通常配置三通阀和压力表计等，水冷型散热器通常采用带水道的型材散热器。流过散热器的冷却水对晶闸管进行冷却，然后通过板式换热器与外水冷系统进行热量交换，最终由外水冷系统将晶闸管发热量带走[10]。SFC换流桥晶闸管散热器如图2所示。

图1 SFC系统组成示意图

图2 SFC换流桥晶闸管散热器

2 风冷及水冷系统对比研究

2.1 系统设计对比

目前在建抽蓄机组单机容量主要为250～400MW，对应SFC容量在15～30MW，在该容量范围内，风冷型SFC和水冷型SFC设计方案不同。对于风冷型SFC，考虑到柜体尺寸限制，为满足功率输出，系统绝缘水平通常在10kV以内，SFC工作电流根据输出功率设计。对于水冷型SFC，由于水冷散热器热阻系数较低，工作电流较风冷型SFC大，系统绝缘水平通常在6kV以内。

现采用抽蓄电站最常见的12-6脉动拓扑，基于相同的电压安全系数及转矩脉动原则，设计风冷型及水冷型SFC系统，设计方案技术参数详见表1。

从表1中设计方案可以看出，风冷型SFC采用高直流电压、小直流电流方案，直流电压高增加了桥臂晶闸管串联数量，直流电流小降低了晶闸管发热量，与之配套的电缆、铜排截面积选型较小。水冷型SFC采用低直流电压、大直流电流方案，直流电压低可以减少单臂晶闸管串联数量，直流电流大增加了晶闸管发热量，与之配套的电缆、铜排截面积选型较大。

表1 技术参数

2.2 功率输出能力对比

SFC功率输出能力主要体现在一定输出功率下的功率因数水平，以及影响功率因数的相关变量。下面从SFC起机过程中的两个不同阶段对功率因数进行分析。

1）脉冲换相阶段特性对比

文献[11]给出了脉冲换相阶段输出功率为

式中：1为SFC输出功率（W）；为SFC输出逆变侧电压（V）；d为SFC系统直流电流（A）；为换相重叠角（rad）。

式中，为角速度（rad/s）。

脉冲换相阶段由于输出变压器旁路，SFC输出电压水平与机端电压相同，相同输出功率下，风冷型SFC和水冷型SFC工作电流相同。直流电抗器电感值是影响脉冲换相时间的主要因素。直流电抗器电感值的选择可参考文献[12]。

脉冲换相阶段晶闸管关断过程等效电路如图3所示。

图3 脉冲换相阶段晶闸管关断过程等效电路

按照表1设计方案，风冷型及水冷型SFC系统脉冲换相阶段仿真波形如图4所示。

（a）风冷型SFC脉冲换相阶段波形

（b）水冷型SFC脉冲换相阶段波形

图4 脉冲换相阶段仿真波形

风冷型及水冷型SFC系统相关特性参数见表2。

表2 脉冲换相阶段SFC参数

可见脉冲换相阶段，风冷型及水冷型SFC系统换相总时间类似，等效换相重叠角水平类似，所以输出功率水平相同。

2）负载换相阶段特性对比

负载换相阶段输出有功功率为

式中：a2为逆变侧输出交流电流；为功率因数角；为换流桥触发延迟角（rad）。

由式（6）可知，同等容量下，对比SFC输出功率能力的关键在于对比换相重叠角的大小。

负载换相阶段换相重叠角为

负载换相阶段晶闸管关断过程等效电路如图5所示。按照表1设计方案，风冷型及水冷型SFC系统负载换相阶段仿真波形如图6所示。

对负载换相阶段相关参数进行比较，见表3。

在负载换相阶段，输出变压器接入系统工作，风冷型SFC及水冷型SFC电压及电流工作在其设计值。由仿真结果可知，换相重叠角在类似水平，所以输出的功率水平类似。

图6 负载换相阶段仿真波形

表3 负载换相阶段SFC参数

2.3 系统效能对比

水冷型SFC系统和风冷型SFC系统由于设计参数差异，能效参数存在区别，发热量越高，能效参数越差。SFC系统的发热量主要来自晶闸管损耗、直流电抗器损耗及输入/输出变压器损耗等，现以30MW容量SFC系统为例进行能效分析，各部分发热量见表4。

表4 发热量参数

综上分析，两种类型SFC的发热量差异主要体现在晶闸管部分，风冷型SFC晶闸管发热量占系统容量的0.56%，水冷型SFC晶闸管发热量占系统容量的0.66%，水冷型SFC晶闸管发热量比风冷型SFC高30kW，约17.9%，水冷型SFC总发热量比风冷型SFC高37kW，约11.3%，所以风冷型SFC系统效能更优。

2.4 可靠性对比

水冷型SFC冷却系统复杂度高，故障率相对较高，尤其是易出现漏水、电导率异常、压力异常等问题。水冷型SFC需要外冷却水，若电站下库深度较浅，技术供水或公共供水处距离水面较近，夏季天气炎热，外冷水水温接近环境温度，不利于与内冷水换热。而冬季，在北方地区，下库水温可低至5℃左右，可能会使内水冷水温下降至露点温度以下，若无防凝露措施，阀组会出现凝露现象，引起阀组短路。

风冷型SFC冷却系统构成简单，故障率极低。风冷型SFC采用空气换热，需配置环境温度治理设备，维持SFC小室温度在其工作范围。SFC设备不受厂房外环境温度影响，稳定性更高。

2.5 运行维护对比

水冷型SFC冷却系统需要定期进行补气或补水工作，无法做到免维护。每年定检运行维护工作难度较大，如泵的机油更换、稳压罐的压力检测、过滤器的滤网更换等，不仅需要一定的专业知识，且运维工作量远高于风冷型SFC冷却系统。

风冷型SFC冷却系统运行稳定性高，基本做到免维护，每年定检工作主要是风机电源回路测量及柜门滤网更换等，运维工作量小，并且难度低。

2.6 经济性对比

风冷型及水冷型SFC经济性对比可以从三个方面来看。首先，从冷却系统对比来看，水冷系统包含水泵、稳压设备、去离子设备及相应表计、管路等设备成本，远高于风冷型SFC配置的风机及监测元件成本。其次，从SFC运行需求来看，水冷型SFC通常采用水-水冷却方式，外水冷系统需要从电站公共供水系统敷设管道到SFC小室，并设置相关的阀门及表计；风冷型SFC将与散热器换热的空气排到SFC小室，需要配置空调或排扇等冷却设备，设备及施工费用总体低于水冷型SFC。最后，风冷型SFC冷却系统基本可以做到免维护，运维成本极低；水冷型SFC运维工作相对复杂，日常运行中需要补水补气，与此同时需要对水泵及去离子罐中的树脂进行定期维护，维护成本较高。

综上所述，风冷型SFC设备的经济性相对较好。

3 结论

本文从系统设计、功率输出能力、能效指标、可靠性及运行维护等方面对风冷型SFC系统及水冷型SFC系统进行对比分析。系统设计方面，相同电压水平的水冷型SFC输出功率设计值更高；功率输出能力方面，系统容量相同时，二者在脉冲换相阶段及负载换相阶段的功率因数水平相同，输出功率水平类似；系统效能方面，根据器件发热特点，风冷型SFC优于水冷型SFC；可靠性方面，风冷型SFC冷却系统配置简单，且不受厂房外的环境影响，可靠性更高；运行维护方面，风冷型SFC系统运维工作简单，且运维工作量小。

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Study on comparison of air-cooled and water-cooled static frequency converter equipment

MAN Ziqiang LIU Huan LIU Teng

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In order to improve the users’ profound understanding of air-cooled and water-cooled static frequency converter (SFC), this paper provides SFC design schemes of two cooling modes. By constructing the power output models of pulse commutation stage and load commutation stage, this paper analyzes the relevant parameters affecting the power factor and compares the power output capacity of SFC under the same capacity. In addition, the comparative study is carried out from the aspects of efficiency level, reliability and operation and maintenance, so as to provide a comprehensive reference for the selection of SFC cooling mode.

static frequency converter (SFC); cooling method; power factor; efficiency index

2022-04-21

2022-05-26

漫自强（1985—），男，陕西省宝鸡市人，硕士，主要从事电力电子与电力传动方面的研究工作。