CN113453482B - 变流器模块、变流器模块的冷却系统及风力发电机组 - Google Patents

变流器模块、变流器模块的冷却系统及风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种变流器模块、变流器模块的冷却系统及风力发电机组，变流器模块包括：至少一个框架，至少一个框架为筒体并且包括具有预定厚度的侧壁；电子模块，电子模块设置在侧壁的内表面和外表面中的至少一者上；导热管，导热管沿侧壁的高度方向插设在侧壁中。根据本发明的变流器模块，可增大电子模块的散热面积，同时可增大电子模块的安装面积，从而可提高变流器模块的模块安装密度以及变流器模块的集成度、功率尺寸密度和功率重量密度。

Description

变流器模块、变流器模块的冷却系统及风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电设备技术领域，具体地涉及一种变流器模块、用于变流器模块的冷却系统及包括该变流器模块和冷却系统的风力发电机组。
背景技术
风能是一种清洁、可再生的能源，风力发电作为风能最为有效的利用方式已经得到了很好的发展。
对于风力发电最为核心的装备-风力发电机组而言，主回路上的变流器等电气设备因承载着电力的传输任务，因此在运行过程中必然会产生热量。如果变流器等电气设备所产生的热量不能得到较好的控制或热平衡处理，则必然会导致电气设备绝缘老化及损坏，甚至会引起电气设备的失火或毁损。
随着风力发电机组功率等级增加，变流器的容量和体积也随之增加。目前，变流器通常使用“长方体”结构形式(即，IGBT模块、电容器、电感器和电阻器等核心部件安装在长方体箱体内)，而塔筒为空心圆柱体结构形式，因此变流器和塔筒的结构特征的匹配度不高。对于大容量机组而言，受限于塔筒内的安装空间，变流器通常采用两个变流器柜背靠背并联安装方式，或者将两个变流器安装在塔筒内的不同平台上。由于变流器使用了“长方体”结构形式，因此塔筒内的空间利用率不高。
此外，在两个变流器安装在塔筒内的不同平台上的情况下，变流器的集成度低且功率尺寸密度和功率重量密度不佳。此外，还增加了变流器及其冷却系统的综合成本(即，硬件成本、安装成本、工艺设计成本、维护成本、可靠性成本等)，并且受限于“长方体”结构形式，变流器的散热效果不佳。
因此，亟需一种新型的变流器及应用于变流器的冷却系统，以解决上述问题。
发明内容
因此，本发明的一方面在于提供一种变流器模块，以解决现有技术中的变流器导致塔筒内的空间利用率不高且变流器散热不佳的问题。
本发明的另一方面在于提供一种变流器模块的冷却系统，以解决现有技术中的冷却系统成本高且散热效果不佳的问题。
根据本发明的一方面，提供一种变流器模块，变流器模块包括：至少一个框架，至少一个框架为筒体并且包括具有预定厚度的侧壁；电子模块，电子模块设置在侧壁的内表面和外表面中的至少一者上；导热管，导热管沿侧壁的高度方向插设在侧壁中。
可选地，电子模块可包括设置在侧壁的外表面上的第一模块和设置在侧壁上的内表面上的第二模块。
可选地，第一模块的发热量可大于第二模块的发热量。
可选地，第一模块可包括IGBT模块，第二模块可以为包括电容器、电感器和电阻器的组合模块。
可选地，至少一个框架可以为圆筒体或多边形筒体，侧壁的厚度可大于或等于导热管的直径。
可选地，侧壁可包括：开口部，开口部用作进出至少一个框架的通道；门部，门部被构造为能够相对于开口部枢转，以打开和关闭开口部。
可选地，门部上可设置有控制器和/或触摸屏，或者，门部上可未设置导热管和/或电子模块。
可选地，框架可以为多个，并且可沿高度方向层叠。
可选地，导热管可以为相变导热管。
根据本发明的另一方面，提供一种应用于上述的变流器模块的冷却系统，冷却系统包括散热器，其中，导热管的第一端插设在侧壁中，并且导热管的第二端插入到散热器中。
可选地，散热器可设置在变流器模块的上方，其中，冷却系统还可包括回流管，回流管的第一端与导热管的第一端连通，并且回流管的第二端与导热管的第二端连通。
可选地，散热器可以为翅片式散热器。
根据本发明的另一方面，提供一种包括上述冷却系统的风力发电机组，其中，冷却系统和变流器模块设置在风力发电机组的塔筒内。
可选地，至少一个框架的形状可与塔筒的形状相匹配，并且变流器模块的门部可设置为靠近塔筒的塔门。
可选地，风力发电机组还可包括风机和/或空气处理器，风机可用于将塔筒外的冷风引入到塔筒内以对散热器进行散热，空气处理器可用于在冷风进入塔筒内之前对冷风进行预处理。
根据本发明的变流器模块，可增大电子模块的散热面积，同时可增大电子模块的安装面积，从而可提高变流器模块的模块安装密度以及变流器模块的集成度、功率尺寸密度和功率重量密度。此外，在本发明的变流器模块应用于风力发电机组时，可解决现有技术中变流器模块被放到不同平台而导致塔内空间利用率不高的问题，可实现大容量机组变流器模块同平台安装的可能性，并且降低了与塔筒内部的结构设计、安装布局设计等对应的硬件成本、设计成本等。此外，当变流器模块的容量增加时，变流器模块还可包括多个框架(在高度方向层叠)，如此可充分利用塔筒内的高度，并且可降低现有技术中变流器模块在塔内的布局方案所需的成本。此外，根据本发明的变流器模块，提高了变流器模块的外观可视性，并且有助于故障排查和故障分析，从而在可维护性方面具有良好的设计灵活性。
此外，根据本发明的冷却系统，与现有技术相比由于省去了循环泵和部分风扇等旋转部件，因此其器件数量降低，从而其成本降低、噪音降低、功耗降低且可靠性提高。此外，由于本发明的冷却系统使用了相变冷却方案，因此提高了散热效率。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述以及其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：
图1是根据现有技术的风冷系统的原理示意图。
图2是根据本发明的实施例的变流器的俯视图。
图3是根据本发明的实施例的变流器的冷却系统应用于风力发电机组中的原理示意图。
附图标号说明：
1：塔筒；2：变流器；3：轴流风机；10：框架；11：侧壁；111：门部；20：电子模块；21：IGBT模块；22：组合模块；30：导热管；40：散热器；50：回流管；60：风机；70：空气处理器。
具体实施方式
现在，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。
对于变流器内的核心部件而言，由于IGBT模块、电容器、电感器、电阻器等功率模块集成在具有“长方体”结构特征的部件内，因此散热效率低，进而影响其寿命。除此之外，随着风力发电机组功率等级增加且变流器等电气设备的体积增加，对风力发电机组的塔筒或机舱内部的安装空间的需求也在增加，因此对变流器的冷却系统提出了更高的要求。
目前，变流器的冷却方式通常采用强迫液冷和强迫风冷两种方式。
就强迫液冷方式而言，液冷系统包括水冷主机(包括泵站)、外部散热器、传感器、控制系统和连接管路等部件。水冷主机借助水泵的驱动作用保持冷却介质以恒定的压力和流速在连接管路内流动，并且使其源源不断地流经待冷却的变流器，冷却介质吸收变流器散发的热量并且将其传递到外部散热器，外部散热器与塔筒外的冷风进行热交换以将热量散发到塔筒外，从而冷却介质流经外部散热器后被冷却并且在水泵的驱动作用下再次流入待冷却的变流器，如此往复。
就强迫风冷方式而言，如图1所示，通常使塔筒1外的冷风经由塔筒门进入塔筒内，使进入塔筒内的冷风流经待冷却的变流器2以带走变流器2所产生的热量，并且通过安装于塔筒底部的轴流风机3将吸收了变流器2产生的热量的热风抽出至塔筒1外，如此实现塔筒1内的空气的循环并且实现变流器2的冷却。此外，在变流器2的柜体内设置有循环用风扇，以保证柜内温度的均衡性。
通过上述两种冷却方式可知，两种冷却方式包括散热器或风机、风扇等部件(液冷系统还包括水泵)，这些部件容易产生噪音，且这些部件属于能耗器件，因此会增大功耗。而且，由于两种冷却方式均包含诸多部件，因此增加了冷却系统的成本，并且可靠性不佳。另外，两种冷却方式的冷却效率不高。
本发明为解决上述目前变流器的布置和散热存在的问题而提出了一种新的布置结构和散热结构。
参照图2，根据本发明的实施例的变流器模块包括框架10、电子模块20和导热管30。框架10为一围合的筒体，可包括具有预定厚度的侧壁11。电子模块20在图2中示出为设置在框架10的侧壁11的内表面和外表面二者上，但不限于此，其还可仅设置在侧壁11的内表面上或仅设置在侧壁11的外表面上。导热管30可沿侧壁11的高度方向插设在侧壁11中，用于将电子模块20产生的热导出到外部。
在图2中，框架10示出为五边形筒体，但不限于此。框架10还可以为圆筒体或除了五边形筒体之外的其它多边形筒体。也就是说，框架10的形状可根据实际空间布置需要而设计，具体为在应用于风力发电机组时与其外部的塔筒的形状相匹配。
电子模块20可包括发热量相对高的部件和发热量相对低的部件。优选地，发热量相对高的部件可设置在框架10的外侧，而发热量相对低的部件可设置在框架10的内侧。例如，电子模块20可包括第一模块和第二模块，其中，第一模块的发热量大于第二模块的发热量，并且第一模块可设置在侧壁11的外表面上，第二模块可设置在侧壁11的内表面上。在本实施例中，第一模块可包括发热量相对高的IGBT模块，第二模块可以为发热量相对低的包括电容器、电感器和电阻器的组合模块22。这样，将发热量高的第一模块设置在框架10的侧壁11的外表面，相对于第一模块设置在框架10的内表面而言，具有更好的散热效果。
虽然在图2的示例中示出了IGBT模块21设置在框架10的侧壁11的外表面上，组合模块22设置在框架10的侧壁11的内表面上，但是IGBT模块21和组合模块22的设置位置不限于此，例如，当IGBT模块21的体积容量或功率比较小，产生的热量与其他组合模块22的热量相当时，IGBT模块21和组合模块22的设置位置可以互换，或者IGBT模块21和组合模块22可一起设置在侧壁11的内表面上或外表面上。
导热管30的第一端可沿框架10的侧壁11的高度方向插设在侧壁11中且导热管30的第二端暴露于外部，使得导热管30基本插入于侧壁11的整个高度，并且导热管30在侧壁中的布置宽度，基本与第一模块或第二模块的宽度相同，或者在侧壁11的厚度方向布置大于一层的导热管30，以充分吸收电子模块20在运行过程中产生的热，并将其导出到外部，从而实现电子模块20的冷却。导热管30可以为具有优异导热性的金属管，电子模块20产生的热可传递到金属管，并且经由金属管的第二端与外部的空气进行热交换而实现电子模块20的冷却。优选地，导热管30可以为相变导热管，电子模块20产生的热可传递到导热管30，导热管30内的冷却介质吸热而发生相变(即，从液态变成气态)并且上升至导热管30的第二端，导热管30的第二端在与外部冷空气热交换后被冷却，导热管30内的冷却介质从气态变成液态，然后从导热管30的第二端回流至导热管30的第一端，从而实现电子模块20的冷却循环。
可选地，框架10的侧壁11的厚度可大于或等于导热管30的直径，以使得导热管30能够插设在框架10的侧壁11中。另外，在图2的示例中，由于IGBT模块21和组合模块22分别设置在框架10的侧壁11的外表面和内表面上，因此可有利于导热管30同时对IGBT模块21和组合模块22进行冷却。另外，由于在运行过程中产生相对多的热量的IGBT模块21设置在框架10的侧壁11的外表面上，因此在变流器模块运行过程中，外部空气也可带走IGBT模块21所产生的一部分热量，从而可进一步提高电子模块20的整体冷却效率。
此外，为了便于对设置在框架10的侧壁11的内表面上的部件(例如，组合模块22)进行维护，框架10可开设有供运维人员进出框架10的通道的开口部(未示出)。当组合模块22发生损坏或故障时，运维人员可通过开口部方便地进入框架10内来对组合模块22进行维修或更换。另外，侧壁11上还可设置有门部111，门部111可构造为能够相对于开口部枢转，以打开和关闭开口部。在图2的示例中，为五边形筒体的框架10的整个一条边被构造为相对于相邻的一条边枢转以形成开口部，并且该边整体作为门部111，但不限于此。例如，在框架10具有足够的高度的情况下，框架10的一条边的下部可开设有开口部，并且可相应地设置门部。
此外，在图2的示例中，示出了门部111上设置有IGBT模块21、组合模块22和导热管30，但不限于此，例如，门部111上还可设置有控制器和/或触摸屏。考虑到门部111的打开和关闭影响插设在门部111中的导热管30进而影响IGBT模块21和组合模块22的冷却，此外还可能存在人为因素导致设置在门部111上的诸如IGBT模块21和组合模块22等核心部件损坏，因此门部111上可不设置IGBT模块21、组合模块22以及导热管30。
优选地，在门部111上不设置IGBT模块21、组合模块22以及导热管30的情况下，为了提高空间利用率，门部111上可设置有控制器和/或触摸屏等容易冷却和维护的其他部件，这些部件可通过风扇等被冷却。
在本发明的实施例中，改变了传统功率箱体中电子模块20的布置结构，将电子模块20分别设置在框架10的侧壁11的内表面和外表面上，而侧壁11中设置了实现相变冷却的导热管30，可增大电子模块20的第一模块与第二模块与导热管30的接触面积，增大了电子模块20的散热面积。而且，第一模块与第二模块如此布局，可增大电子模块的安装面积，从而可提高变流器模块的模块安装密度以及变流器模块的集成度、功率尺寸密度和功率重量密度。
此外，框架10为圆筒体或多边形筒体的围合形状，与风力发电机组的塔筒内部截面形状相适应，最大化的利用塔筒内部空间，并最大化增大围合截面积，并将电子模块20分成小型化的多组第一模块和第二模块，减小了各模块集中安装引起的热量集中问题，对于发热量大的电子模块20，这样的分散式安装更利于散热。而且，框架10的高度可根据需求而设计，当一层具有预定高度的框架10的侧壁满足不了安装所需的电子模块20的所有分组的第一模块和第二模块时，可以在第一层的框架10的上方叠加第二层或者更多层的框架10，在保证散热效果的前提下，充分利用塔筒内的高度。因此在本发明的变流器模块应用于风力发电机组时，可解决现有技术中变流器模块被放到不同平台而导致塔内空间利用率不高的问题，可实现大容量机组变流器模块同平台安装的可能性，并且降低了与塔筒内部的结构设计、安装布局设计等对应的硬件成本、设计成本等。
此外，由于IGBT模块21和组合模块22分别设置在框架10的内壁11的内表面和外表面上，因此提高了变流器模块的外观可视性，并且有助于故障排查和故障分析，从而在可维护性方面具有良好的设计灵活性。
下面，将参照图3来描述根据本发明的实施例的变流器模块的冷却系统并且以其应用于风力发电机组为例来描述冷却系统的冷却原理。
如图3所示，对变流器模块散热的冷却系统还包括散热器40，导热管30的第二端插入到散热器40中，以将从变流器模块吸收热量的冷却介质通过散热器40被冷却。图3中仅以示例的方式示出了单根导热管30插入到散热器40中，但不限于此，多根导热管30可同时插入到散热器40中。散热器40可以为翅片式散热器40。
在导热管30为相变换热管的情况下，散热器40优选地设置在变流器模块的上方。为了便于使导热管30内的冷却介质循环流动，冷却系统还可包括回流管50，回流管50的第一端(下端)与导热管30的第一端(下端)连通，回流管50的第二端(上端)插入散热器40中并且与导热管30的第二端(上端)连通，导热管30在散热器40的内部可以折回布置以增加与散热器40的接触面积加快散热冷却。冷却介质在导热管30的下端(插入侧壁11内的部分)吸收电子模块20的热量后由液体变为气体，气体向上流动后在散热器40中被冷却而变为液体，通过回流管50向下流动，再次进入导热管30的下端，如此形成循环回路。
在本实施例中，每根导热管30可与相应的一根回流管50形成单独的回流路径，如此可便于故障排查和故障分析，从而有利于冷却系统的维护。当然，所有的导热管30也可通过分支管汇集连接到一根回流管50，如此通过一根回流管50实现所有导热管30的回流路径，这样可利于减少成本。
此外，为了实现散热器40的散热，可将塔筒1外的冷风引入到塔筒1内。为此，塔筒1靠近散热器40的塔筒壁上可形成有进风口(例如，塔门的位置)，散热器40可在塔筒1内设置在进风口的位置，且塔筒1外在进风口的位置可设置有风机60和/或诸如空气过滤器或除湿器等空气处理器70，风机60用于将塔筒1外的空气直接引入到塔筒1内以对散热器40进行散热，空气处理器70用于在冷风进入塔筒1内之前对冷风进行预处理，以去除冷风中的水分或盐分等其他杂质，从而使干燥和清洁的空气进入塔筒1内。
下面，将具体描述变流器模块的冷却系统的冷却原理。
在风机60的作用下塔筒1外的冷风被吸入塔筒1内，被吸入塔筒1内的冷风直接吹向散热器40。导热管30内的冷却介质在导热管30的下端吸收电子模块20产生的热量后由液体变为气体向上流动至导热管30的上端，在冷风作用下，冷却介质在散热器40被冷却而变为液体，然后液态的冷却介质通过回流管50向下流动再次进入导热管30的下端。液态的冷却介质进入导热管30的下端后，在吸收电子模块20所产生的热量后又变为气体向上流动而进入散热器40，如此循环来实现变流器模块的冷却。
在变流器模块的冷却过程中，导热管30内的气态的冷却介质进入散热器40并且与散热器40进行热交换，散热器40所吸收的热通过相变方式和风冷被散发到塔筒1内的空气中，吸收热量的空气最终通过塔筒烟囱效应向上散发，进而实现变流器模块的热平衡。
根据本发明的冷却系统，与现有技术相比由于省去了循环泵和部分风扇，因此其器件数量降低，从而其成本降低、噪音降低、功耗降低且可靠性提高。此外，由于本发明的冷却系统使用了相变冷却方案，因此提高了散热效率。
虽然上面已经详细描述了本发明的实施例，但本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的实施例的精神和范围内。

Claims (14)

1.一种变流器模块，其特征在于，所述变流器模块包括：
至少一个框架(10)，所述至少一个框架(10)为筒体并且包括具有预定厚度的侧壁(11)；
电子模块(20)，所述电子模块(20)设置在所述侧壁(11)的内表面和外表面中的至少一者上；
导热管(30)，所述导热管(30)沿所述侧壁(11)的高度方向插设在所述侧壁(11)中，
其中，所述电子模块(20)包括设置在所述侧壁(11)的外表面上的第一模块和设置在所述侧壁(11)的内表面上的第二模块。
2.根据权利要求1所述的变流器模块，其特征在于，所述第一模块的发热量大于所述第二模块的发热量。
3.根据权利要求2所述的变流器模块，其特征在于，所述第一模块包括IGBT模块(21)，所述第二模块为包括电容器、电感器和电阻器的组合模块(22)。
4.根据权利要求1所述的变流器模块，其特征在于，所述至少一个框架(10)为圆筒体或多边形筒体，所述侧壁(11)的厚度大于或等于所述导热管(30)的直径。
5.根据权利要求1所述的变流器模块，其特征在于，所述侧壁(11)包括：
开口部，所述开口部用作进出所述至少一个框架(10)的通道；
门部(111)，所述门部(111)被构造为能够相对于所述开口部枢转，以打开和关闭所述开口部。
6.根据权利要求5所述的变流器模块，其特征在于，所述门部(111)上设置有控制器和/或触摸屏，或者，所述门部(111)上未设置导热管(30)和/或所述电子模块(20)。
7.根据权利要求1所述的变流器模块，其特征在于，所述框架(10)为多个，并且沿高度方向层叠。
8.根据权利要求1所述的变流器模块，其特征在于，所述导热管(30)为相变导热管。
9.一种用于根据权利要求1-8中任一项所述的变流器模块的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括散热器(40)，其中，所述导热管(30)的第一端插设在所述侧壁(11)中，并且所述导热管(30)的第二端插入到所述散热器(40)中。
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其特征在于，所述散热器(40)设置在所述变流器模块的上方，
其中，所述冷却系统还包括回流管(50)，所述回流管(50)的第一端与所述导热管(30)的第一端连通，并且所述回流管(50)的第二端与所述导热管(30)的第二端连通。
11.根据权利要求10所述的冷却系统，其特征在于，所述散热器(40)为翅片式散热器。
12.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括根据权利要求9至11中任一项所述的冷却系统，其中，所述冷却系统和所述变流器模块设置在所述风力发电机组的塔筒(1)内。
13.根据权利要求12所述的风力发电机组，其特征在于，所述至少一个框架(10)的形状与所述塔筒(1)的形状相匹配，并且所述变流器模块的门部设置为靠近所述塔筒(1)的塔门。
14.根据权利要求12所述的风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括风机(60)和/或空气处理器(70)，所述风机(60)用于将所述塔筒(1)外的冷风引入到所述塔筒(1)内以对所述散热器(40)进行散热，所述空气处理器(70)用于在所述冷风进入所述塔筒(1)内之前对所述冷风进行预处理。
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