風力發電機常見的冷卻故障及對策

　　風電機組在發電過程中一些器件如發電機、IGBT、濾波電容、變槳電機等都會產生熱量，其熱量大小取決于本身功率，熱量過高會影響器件的可靠性。為保證機組的正常運行，必須配置相應的冷卻系統將多余的熱量帶走。

　　《江蘇電機工程》(雙月刊)創刊于1982年，是江蘇省電力公司和江蘇省電機工程學會主管、江蘇省電力科學研究院和江蘇省電機工程學會編輯工作委員會主辦的全國性科學技術刊物，本刊為國際大16開本，彩色封面插頁。

　　當今風電技術發展迅速已由KW機組向MW機組轉變，更多電子器件體積越來越小，器件的功能要求越來越高，導致集成周圍的熱流密度越來越大，因此冷卻系統的作用更顯重要。本文將重點對變流冷卻系統做簡單的介紹，常見的冷卻故障解析處理以及簡單的優化。

　　一、冷卻系統的介紹

　　(一)、冷卻系統的作用

　　冷卻系統的作用是將電子器件散發的部分熱量及時散發出去，保證電子器件工作的穩定和可靠

　　(二) 冷卻系統的分類

　　冷卻系統分為風冷和水冷。風冷是指以空氣為冷卻介質，MW機組Freqcon變流器采用的是強迫風冷主動溫控技術，其優點為結構簡單性價比高，缺點為散熱效率低，無法調節系統溫度。 水冷是指以冷卻液為冷卻介質,MW機組switch主動整流型變流器采用的是水冷主動溫控技術。其優點為散熱效率高，缺點為結構復雜成本高。

　　(三)水冷系統的介紹

　　1、水冷系統的組成

　　水泵

　　水冷系統水循環動力源。例如用3kw電機拖動水泵工作，它正常工作過程中一直處于運行狀態。從而使管路中的水不斷地流動，把熱量從變流器中帶走，在散熱器處散到空氣當中。水泵的出口流量可以通過調節驅動電機的轉速來完成，當功率大時可以利用變頻器控制電機快速旋轉，功率小時可以低速旋轉。可以避免電機長時間高速運轉所帶來的損失。

　　三通閥

　　三通閥是一個分流裝置。它的工作原理是通過感溫包膨脹和收縮來推動三通閥閥芯的位置移動，從而控制和調節內循環和外循環的混合液流量在混合液溫度低于25℃時，混合液只會從內循環流過，而不會通過塔筒外散熱器，因為如果塔筒內溫度足夠低的話，不需要塔筒外散熱器散熱，變流柜溫度也可以降到正常工作溫度。當混合液溫度大于25℃后，三通閥會逐漸打開，逐漸增大外循環的流量，一直到混合液溫度達到40℃時，混合液會全部經過塔筒外散熱器循環，從而使水冷系統的散熱能力達到最大，從而來保證變流器工作在合適的溫度范圍內。水冷系統采用的是機械式三通閥，25度開啟三通閥，42度全部開啟。

　　儲壓罐

　　儲壓罐內氮氣的靜壓力和管道中的靜壓力必須保持一定的平衡，使得系統停機的狀態下儲壓罐中的水位處在靠近中間的位置。這樣當系統壓力升高時，儲壓罐氣囊有足夠的空間來緩沖增高的壓力。當系統壓力降低時，又有足夠的余地讓水位下降，而不至于無法緩沖管道中的低壓影響。如果不這么做，儲壓罐中的過高或過低，會影響高壓或者低壓的緩沖效果。

　　電加熱器

　　只有在水冷系統運行的條件下電加熱器才可以工作進行加熱，電加熱器的啟停是由主控程序來控制的。當變流器有加熱請求的時候，電加熱器會開始加熱來調節變流器內部元器件等溫度直到變流器加熱請求信號消失為止。另外當系統水溫低于12℃的時候水冷系統也會自動開始加熱，直到水溫高于15 ℃的時候才停止加熱。另外，主控在就地控制的狀態下也可以強制水冷系統進行加熱，作為調試或冬天低溫時系統啟動前的預熱。

　　溫度和壓力傳感器

　　水泵出口設有銅熱電阻PT100(進閥溫度傳感器)，用來檢測混合液溫度并根據此溫度通過電氣系統控制電加熱器的啟/停，控制水/風冷卻裝置風扇電機的啟/停。另外在變流器出口也設有一個銅熱電阻PT100，用來檢測冷卻液在變流器后的回水溫度

　　冷卻液

　　為乙二醇和純凈水的混合液;

　　常溫型：乙二醇：水：防腐劑=49.5：50：0.5;

　　低溫型：乙二醇：水：防腐劑=56.5：43：0.5

　　2、水冷系統的工作原理

　　水冷系統的工作原理為水循環在高溫的變流器內吸熱，在低溫環境內放熱完成的是一個熱量轉移的過程。水泵將管路循環水送入散熱器，散熱器把熱量散掉后將水送回水冷系統，水冷系統再將水送入變流器。變流器內部進行熱交換后留回水冷系統。再次進入水泵進行下一環節。冷卻液由循環泵進入變流器帶走熱量，出來后返回循環泵或是經過散熱片后返回循環泵進行下一次循環。

　　3、變流器散熱參數

　　在變流過程中，由于損耗的存在，會有大量的熱量聚集，其熱量為42KW，這些熱量需要被水冷系統及時帶走，以維持和穩定變流器核心部件的溫度，使其溫度在這些器件在允許的范圍內。

　　根據傳熱學，流體力學的公式以及條件

　　Q=K* Δt* Fn

　　Q為傳熱量，K為液側總傳熱系數，Δt為傳熱平均溫差，Fn為液側總傳熱面積

　　輸送流體(50%純水和50%乙二醇)，流體溫度(10-70攝氏度)，總流量17.43m/h,揚程32m,計算得出能夠滿足風機水冷散熱的目的。

　　二、 常見的水冷系統的故障解析

　　(一)、 常見的水冷故障

　　大少白山項目用的是水冷系統，水冷系統比較穩定，能夠保障機組的正常運行，但也會遇到一些故障，下面介紹一下常見的故障。

　　1 、進閥壓力低

　　故障說明 ：進閥壓力低于設定值;

　　故障時間 ：5s 故障設置值 0.9bar;

　　解釋說明：風機檢測到水冷系統進閥壓力持續5s 低于0.9bar，風機立即報此故障。

　　2、 變流器警告故障

　　風機發電過程中，主控制PLC接收到變流器發送的警告信號，風機立即報此故障。

　　(二)、故障處理

　　1、 解決水冷進閥壓力低故障 ，需要用加水機進行補充冷卻液。需要的工具有

　　加水機一臺、10m長插座一個。人員至少2名。特別是大少白山項目現場環境寒冷因此采用冷卻液為低溫型：乙二醇：水：防腐劑=56.5：43：0.5

　　操作加水時應該先將水冷柜的開關打開，同時打開加水機的電源開關，然后注視著水冷系統的壓力表，加水后的靜態壓力達到壓力值3.4bar,循環壓力達到壓力值2.5bar。

　　2 、解決變流器警告故障

　　由于我國北方冬天的氣候十分寒冷，最低溫度能達到近零下40攝氏度，導致變流柜體溫度低。分析報此故障原因有兩點，一、是經常限電(限電時常有時近10幾個小時)，導致機組在恢復運行的時候頻繁報變流器警告故障，而報這個故障通常是由于循環冷卻液的溫度和變流柜柜體溫度達不到設定值導致的。這時就需要用循環泵循環進行加熱，由三通閥通過改變路徑來控制內外循環達到控制溫度的目的，具體動作過程是當水泵壓力使彈簧壓縮使通道打開通道，當撞塊直接動閥桿頭部，使閥芯向下運動，封死外循環通道，內循環通道打開，當閥桿不受力時候閥芯復位將封死內循環通道，打開外循環通道。正常情況下變流柜柜體加熱和冷卻水溫度上升需要2-3小時可以達到設定溫度。二、是當三通閥損壞或者三通閥生銹卡死，冷卻液走外循環加熱器加熱不起來導致變流柜溫度達不到，溫度值變化不明顯，循環一直是外循環。此時解決的辦法通常是更換新的三通閥。

　　三、水冷系統的優化設計

　　我國大多數風電廠風機數量較多，現場維護人員給風機補水次數比較頻繁。平均每月要給風機進行加水作業。由于風電廠離生活區較遠，車輛行走的路途也很遠，這樣在無形當中就增加了現場的維護費用。下面簡單介紹一下變流系統自動補水裝置。原理解析如下：

　　1 當水冷系統的壓力低于正常運行壓力值時，注水泵開始運行，向水冷系統內補水，直到系統壓力正常時，注水泵停止工作。

　　2 為防止水箱抽空，設有液位檢測裝置，與電控裝置系統互鎖，當液位低于警戒值時，停止注水泵運行，防止水泵空轉而燒毀電機。

　　3 水泵的出口設有單向的截止閥，防止水冷系統的水箱倒灌入水箱。

　　4 水箱為全封閉結構，防止冷卻液與空氣接觸發生變質。

　　5 水箱上部安裝有吸氣閥，當水泵抽水的時候，水箱會出現負壓，此時吸氣閥打開，保證水箱能夠處于常壓狀態。

　　6 蓄水罐出水口處安裝V型過濾器，防止雜質進入水冷系統。

　　四 、結束語

　　的水冷系統對水冷機組運行穩定十分重要，并且風機運行中水冷故障較多，如果在風機上使用這種自動補水裝置，只要在檢修和日常巡檢的時候把儲水罐加足夠的冷卻液就行，不僅減輕了維護人員的工作量還節約了成本，從長遠的利益上看還是一次技術與價值雙贏的設計。

　　參考文獻：

　　1、《熱工理論與基礎》，中國電力出版社，2008.9

　　2、《1500KW風力發電機組運行維護手冊》，2007.7

　　3、《電控原理介紹金風1500kw機組》