CN110838687A - 大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统和散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统和散热方法，包括有封闭式风冷型电力设备、送风道和回风道、换热风柜、制冷机组；换热风柜的出风口经送风道后与封闭式风冷型电力设备的进风口相连，换热风柜的进风口经回风道与封闭式风冷型电力设备的排风口相连；其中：换热风柜内部沿风流方向依次布置有排风阀门、混风阀门、新风阀门、滤网、初级换热器、次级换热器、风机墙；初级换热器和次级换热器分别与制冷机组相连，并将交换出的热量经制冷主机排到室外空气中。本发明的系统中实现了整个风道系统中驱动风机的冗余配置，可做到多个制冷源的多重冗余配置，实现了整个风冷散热系统的高可靠性，保障被冷却大型电力电子正常工作需求。

Description

大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统和散热方法

技术领域

本发明属于电气工程领域，具体涉及到一种大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统和散热方法。

背景技术

近二十年来，随着风电、光伏等新能源的大规模接入，电力系统在发电、输电和发电等环节面临新的技术挑战，大型电力电子设备是解决这些问题的有效手段，如柔性交流输电系统(FACTS)、特高压直流输电(UHVDC)、柔性直流输电(Flexible-HVDC))等大型电力电子系统获得迅猛发展。

受半导体功率器件固有特性影响，电力电子设备运行时会产生约1％的有功损耗，比如1台100Mvar容量的SVG额定发热量高达1000kW。根据电力电子系统可靠性调研报告统计，功率器件是变流系统中失效率最高的部件，约占34％；而在各类失效因素中，约55％的电力电子系统失效主要由温度因素诱发。对容量动则数百兆伏安的大型电力电子设备而言，其发热总量大、发热密度高、且长期连续运行于高压工况，对散热系统效率及可靠性要求很苛刻。目前，大容量电力电子设备一般采用散热效率较高的水冷方式进行器件散热。但水冷方式下的大型电力电子设备的进出水管接头众多，存在较大漏水风险，而且一旦漏水就会导致绝缘故障，可靠性差，严重影响了电力电子系统装置可靠性。有鉴于此，采用风冷方式进行器件散热成为首选。

但现有用于STATCOM等大型电力电子设备的风冷系统，其风机一般采用在每个功率柜体上布置散热风机的方式，受柜体结构和风路结构限制，风机无法实现冗余配置，一旦任一台风机发生故障，则会导致部分功率部件因停风而过热，从而引起整套电力电子系统风冷而故障停运。此外，其制冷要么一般采用开放式风冷或空调机组制冷的方式，而开放式风冷即直接利用室外新风制冷，存在着散热风中灰尘在风道内及特别是被冷却设备上日积月累造成积灰、以及设备内部凝露等问题，严重影响被冷却设备的安全运行；而空调机组制冷时，一旦空调机组故障停运就会导致被冷却设备也需停机检修，可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种可靠性高的大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统和散热方法。

本发明这种大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统，包括有封闭式风冷型电力设备、送风道和回风道、换热风柜、制冷机组；换热风柜的出风口经送风道后与封闭式风冷型电力设备的进风口相连，换热风柜的进风口经回风道与封闭式风冷型电力设备的排风口相连；其中：换热风柜内部沿风流方向依次布置有排风阀门、混风阀门、新风阀门、滤网、初级换热器、次级换热器、风机墙；初级换热器和次级换热器分别与制冷机组相连，并将交换出的热量经制冷主机排到室外空气中。

所述的换热风柜由带保温层的金属材料构成柜体外壳，侧板上开有排风阀、新风阀以及若干检修门；换热风柜内部沿风流方向依次配置有混风阀、过滤网、初级换热器、次级换热器、风机墙；其中排风阀、新风阀及混风阀都可电动开启和闭合。

所述的风机墙由多台小型调速风机并联构成，每台小风机配置有止回阀，防止其间空气反向流通。

作为优选，所述的风机墙由6台空间上并联排布的可调速风机构成且每个风机的电气控制信号并联。

所述的送风道和回风道均采用钢板焊接成金属管道、外部包裹有塑料隔热材料以抑制风道与室外空气热量交换。

所述的制冷机组由两台独立工作的制冷主机组成；两台制冷主机的冷媒分别与换热风柜中的初级换热器和次级换热器相连。

所述的制冷主机为蒸发冷凝式直膨机组。

所述的风机、风阀和制冷机组三类设备的调控相互独立。

采用大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统对电力电子设备散热的方法，包括以下步骤：

正常运行情况下：制冷主机制冷，并将初级和次级换热器中的热风冷却，接着通过以恒定的风量，将冷风经送风道进入大型电力设备的进风口，冷却大型电力设备，在出风口形成回风，回风经回风道进入换热风柜的进风口；当进风口回风温度低于设定的高温保护值时，则排风阀和新风阀都关闭而混风阀打开，构成闭式循环风冷系统，回风经过混风阀和滤网后，先后经过初级和次级换热器，再次形成冷风，进入下一循环；当进风口回风温度不低于设定的高温保护值时，则打开排风阀，将高温回风排出管道外，并关闭混风阀，打开新风阀，从外部引入温度较低新风，低温新风经滤网过滤后，先后经过初级和次级换热器，形成冷风，进入下一循环；

所述的风机墙工作在恒定风量工作模式，当每个风机都正常工作时，各风机并联均衡同等出力；当有部分风机故障或检修停机时，则通过增加剩余风机出力来维持总风量不变。

所述的制冷主机的运行状态根据其空调风柜出风温度进行调控，实时调节两台制冷主机的启停及出力来促使空调出风温度跟踪设定风温目标值。

本发明提供大型电力电子设备的高可靠性闭式风冷散热系统，其运行过程中存在多种可选工况，每个易损部件都有备用组件或保证正常风冷散热的备用工作模式，从而可保障被冷却电力设备的正常散热需求。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)被冷却设备主要工作在闭式风冷散热工况，可有效防止室外空气中的灰尘、盐碱、柳絮等杂质进入并积累，从而提高风冷系统及被冷却设备的可靠性及对外部恶劣环境的适应性。虽然也存在部分工况下用室外新风散热的备用工作模式，但仅作为应急工况短时运行，不会因积灰造成可靠性问题。

2)存在空调制冷闭式风冷散热、全新风自然风冷散热、新风+制冷机组联合风冷散热等多种工况，各工况都能满足被冷却电力设备散热需要。且各模式可自动切换，在一种模式因故失效时，可自动切换到其他模式，从而保障被冷却设备的正常散热需要。本发明的系统中不仅实现了整个风道系统中驱动风机的N+1冗余配置，而且可做到多个制冷源的多重冗余配置，从而实现了整个风冷散热系统的高可靠性，保障被冷却大型电力电子正常工作需求。

3)控制简单。系统中需要调控的风机、风阀和制冷机组三类设备，其调控相互独立且各自控制逻辑非常简单，不仅避免了复杂的控制算法，同时又能确保控制无死角，易于现场实现。

附图说明

图1为本发明所提大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统的结构图；

其中：1-被冷却的电力设备，2-送风道，3-回风道，4-换热风柜，5-制冷机组，41-排风阀，42-混风阀，43-新风阀，44-滤网，45-初级换热器，46-次级换热器，47-风机墙。

具体实施方式

图1所示为本发明所提大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统的系统结构。下面将结合一个风冷型SVG的散热需要进行具体说明；

被冷却的电力设备1为100Mvar的STATCOM，该STACOM采用风冷散热器，每个功率柜中布置多个风冷功率模块；各功率柜体密闭，其进风口并联在一起后连接到送风道2，其出风口并联一起连接到回风道3。

回风道3的另一端与换热风柜4的进风口连通，换热风柜4的出风口与送风道2连通。送风道2和回风道3均采用钢板焊接成金属管道、外部包裹有塑料隔热材料以抑制风道与室外空气热量交换。

换热风柜4由带保温层的金属材料构成柜体外壳，换热风柜4内部沿风流方向依次布置有排风阀41、混风阀42、新风阀43、滤网44、初级换热器45、次级换热器46、风机墙47。在换热风柜4的通道上沿着风流方向设置混风阀42、滤网44、初级换热器45、次级换热器46、风机墙47。其中，排风阀41、新风阀42及混风阀43都可电动闭合，风机墙47由6台空间上并联排布的可调速风机构成且每个风机的电气控制信号并联，风机组参数按照闭式运行模式下满载运行时的送风量为1.2倍的额定风量进行配置，其中排风阀、新风阀及混风阀都可电动开启和闭合。

制冷机组5由两台独立工作的蒸发冷凝式直膨机组组成，两台蒸发冷凝式直膨机组的冷媒分别与换热风柜4中的初级换热器45和次级换热器46相连，并与其空调风柜中的空气换热，同时将换热器中交换出的热量经制冷机组5扩散到室外空气中。两台直膨机组的额定制冷量分别按照被冷却设备额定制冷量的40％和80％进行设计，以保证总制冷量略高于被冷却设备的额定制冷量，从而较经济的满足被冷却设备的散热要求，同时有具有一定的裕量。

在该系统中，对风机、制冷机组、风阀三类设备分别进行调控：

1)风机控制：风机墙47在冷却散热系统工作期间始终开启，即在被冷却设备开机前就开启风机、直至被冷却设备停止工作并关闭风冷散热系统，期间无论制冷主机及阀门工作状态如何，风机墙47都始终保持开启，驱动空气沿着风机墙、送风道、被冷却闭式风冷设备、回风道流通。且风机墙47工作在恒定风量工作模式，即检测风道中风速来推算系统总风量，并调控风机墙47中各风机的出力来使得检测的风道风量跟踪设定的风量控制目标。当每个风机都正常工作时，每个风机的调控控制指令都相同，从而使各风机并联均衡同等出力；当有部分风机故障或检修停机时，则增加剩余的风机来让总风量跟踪风量控制目标。由此可实现整个风道系统中驱动风机的冗余配置，不会轻易停风或风量不足。

2)风阀控制：系统中的排风阀41、混风阀42、新风阀43统称为风阀，其运行状态仅根据进出风温度进行调控。正常工作情况下，排风阀41和新风阀43都关闭而混风阀42打开，让回风道送回的热风经空调风柜中的混风阀42、滤网44和风机墙47方向流通，再经送风风道、被冷却电力设备后回到回风道，从而构成闭式循环风道，使得整个风冷系统为闭式循环风冷系统。当检测到回风温度超过某设定高温保护值时(可以按照制冷机组正常工作时的出风温度上限+被冷却设备满载运行时的进出风温差来设置高温保护值)，意味着当前制冷机组5的制冷能力不足带走电力设备1的发热量，则打开排风阀41和新风阀43，同时关闭混风阀42，引入室外温度较低的新风来对被冷却设备1进行风冷散热，同时将回风道中的热风经排风阀41排放到室外；当检测到回风温度低于高温保护值时，则关闭排风阀41和新风阀43，同时开启混风阀42，恢复到闭式循环风冷模式。

3)制冷机组5控制：两台制冷主机的运行状态都根据空调风柜出风温度进行调控，两个制冷主机的风温指令值相同且都等于出风温度设定值，并且都是根据出风温度与设定值的偏差来进行加减载和启停机控制。

(A)次级制冷主机(与次级换热器连接的制冷主机)的启停机控制逻辑为：当出风温度＞设定值+4℃时，给次级制冷机组发开机指令(若此时次级制冷机组已开机，则保持开机状态；若此时次级制冷机组处于关机状态，则开机)；当出风温度＜设定值-4℃时，给次级制冷机组发关机指令(若此时次级制冷机组处于关机状态，则保持关机状态；若此时次级制冷机组处于开机状态，则关机。

(B)初级制冷主机(与初级换热器连接的制冷主机)的启停机控制逻辑为：当出风温度＞设定值+3℃时，给初级制冷机组发开机指令(若此时初级制冷机组已开机，则保持开机状态；若此时初级制冷机组处于关机状态，则开机)；当出风温度＜设定值-3℃时，给初级制冷机组发关机指令(若此时初级制冷机组处于关机状态，则保持关机状态；若此时初级制冷机组处于开机状态，则关机。

(C)初级制冷主机的加减载控制精度按照1℃进行控制，即当风柜实际出风温度＞设定值+1℃时则初级制冷机逐渐加载以增加其制冷量直至满载，当风柜实际出风温度小于设定值-1℃时，则初级制冷机逐渐减载直至最小负载，当风柜实际出风温度在(设定值-1℃，设定值+1℃)时，则既不加载也不减载也不减载。

(D)次级制冷主机的加减载控制精度按照2℃进行控制，即当风柜实际出风温度＞设定值+2℃时则次级制冷机逐渐加载以增加其制冷量直至满载，当风柜实际出风温度小于设定值-2℃时，则次级制冷机逐渐减载直至最小负载，当风柜实际出风温度在(设定值-2℃，设定值+2℃)时，则既不加载也不减载也不减载。

在前述控制逻辑下，每台制冷主机的控制逻辑与常规单台运行的空调机组控制逻辑类似，从而便于利用成熟的空调机组控制程序；而两台制冷主机的运行控制方式仅通过参数值来实现两者的协调，避免了两者协调控制时读取对方状态带来的复杂判断。这样配置的结果时，机组控制程序便于现场实现且不易出错、可靠性高。

所述的风机、风阀和制冷机组都是可购买的，并且具有分别具有调控系统。

以上所述仅是本发明的一种实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统，包括有封闭式风冷型电力设备、送风道和回风道、换热风柜、制冷机组；换热风柜的出风口经送风道后与封闭式风冷型电力设备的进风口相连，换热风柜的进风口经回风道与封闭式风冷型电力设备的排风口相连；其中：换热风柜内部沿风流方向依次布置有排风阀门、混风阀门、新风阀门、滤网、初级换热器、次级换热器、风机墙；初级换热器和次级换热器分别与制冷机组相连，并将交换出的热量经制冷主机排到室外空气中。

2.根据权利要求1所述的大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统，其特征在于，所述的换热风柜由带保温层的金属材料构成柜体外壳，侧板上开有排风阀、新风阀以及若干检修门；换热风柜内部沿风流方向依次配置有混风阀、过滤网、初级换热器、次级换热器、风机墙；其中排风阀、新风阀及混风阀都可电动开启和闭合；所述的风机墙由多台小型调速风机并联构成，每台小风机配置有止回阀，防止其间空气反向流通。

3.根据权利要求2所述的大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统，其特征在于，所述的风机墙由6台空间上并联排布的可调速风机构成且每个风机的电气控制信号并联。

4.根据权利要求2所述的大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统，其特征在于，所述的送风道和回风道均采用钢板焊接成金属管道、外部包裹有塑料隔热材料以抑制风道与室外空气热量交换。

5.根据权利要求2所述的大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统，其特征在于，所述的制冷机组由两台独立工作的制冷主机组成；两台制冷主机的冷媒分别与换热风柜中的初级换热器和次级换热器相连；所述的制冷主机为蒸发冷凝式直膨机组。

6.根据权利要求2所述的型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统，其特征在于所述的风机、风阀和制冷机组三类设备的调控相互独立。

7.根据权利要求1～6任意一项采用大型电力电子设备高可靠性闭式风冷散热系统对电力电子设备散热的方法，包括以下步骤：

正常运行情况下：制冷主机制冷，并将初级和次级换热器中的热风冷却，接着通过以恒定的风量，将冷风经送风道进入大型电力设备的进风口，冷却大型电力设备，在出风口形成回风，回风经回风道进入换热风柜的进风口；当进风口回风温度低于设定的高温保护值时，则排风阀和新风阀都关闭而混风阀打开，构成闭式循环风冷系统，回风经过混风阀和滤网后，先后经过初级和次级换热器，再次形成冷风，进入下一循环；当进风口回风温度不低于设定的高温保护值时，则打开排风阀，将高温回风排出管道外，并关闭混风阀，打开新风阀，从外部引入温度较低新风，低温新风经滤网过滤后，先后经过初级和次级换热器，形成冷风，进入下一循环。

8.根据权利要求7所述的散热方法，其特征在于，所述的风机墙工作在恒定风量工作模式，当每个风机都正常工作时，各风机并联均衡同等出力；当有部分风机故障或检修停机时，则通过增加剩余风机出力来维持总风量不变。

9.根据权利要求7所述的散热方法，其特征在于，所述的制冷主机的运行状态根据其空调风柜出风温度进行调控，实时调节两台制冷主机的启停及出力来促使空调出风温度跟踪设定风温目标值。

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