简述风力发电机常见的冷却故障解析处理及简单优化

　　摘要：风电机组在发电过程中一些器件如发电机、IGBT、滤波电容、变桨电机等都会产生热量，其热量大小取决于本身功率，热量过高会影响器件的可靠性。为保证机组的正常运行，必须配置相应的冷却系统将多余的热量带走。当今风电技术发展迅速已由KW机组向MW机组转变，更多电子器件体积越来越小，器件的功能要求越来越高，导致集成周围的热流密度越来越大，因此冷却系统的作用更显重要。本文将重点对变流冷却系统做简单的介绍，常见的冷却故障解析处理以及简单的优化。

　　关键词：热量,变流冷却系统,故障分析

　　一、冷却系统的介绍

　　(一)、冷却系统的作用

　　冷却系统的作用是将电子器件散发的部分热量及时散发出去，保证电子器件工作的稳定和可靠

　　(二) 冷却系统的分类

　　冷却系统分为风冷和水冷。风冷是指以空气为冷却介质，MW机组Freqcon变流器采用的是强迫风冷主动温控技术，其优点为结构简单性价比高，缺点为散热效率低，无法调节系统温度。 水冷是指以冷却液为冷却介质,MW机组switch主动整流型变流器采用的是水冷主动温控技术。其优点为散热效率高，缺点为结构复杂成本高。

　　(三)水冷系统的介绍

　　1、水冷系统的组成

　　水泵

　　水冷系统水循环动力源。例如用3kw电机拖动水泵工作，它正常工作过程中一直处于运行状态。从而使管路中的水不断地流动，把热量从变流器中带走，在散热器处散到空气当中。水泵的出口流量可以通过调节驱动电机的转速来完成，当功率大时可以利用变频器控制电机快速旋转，功率小时可以低速旋转。可以避免电机长时间高速运转所带来的损失。

　　三通阀

　　三通阀是一个分流装置。它的工作原理是通过感温包膨胀和收缩来推动三通阀阀芯的位置移动，从而控制和调节内循环和外循环的混合液流量在混合液温度低于25℃时，混合液只会从内循环流过，而不会通过塔筒外散热器，因为如果塔筒内温度足够低的话，不需要塔筒外散热器散热，变流柜温度也可以降到正常工作温度。当混合液温度大于25℃后，三通阀会逐渐打开，逐渐增大外循环的流量，一直到混合液温度达到40℃时，混合液会全部经过塔筒外散热器循环，从而使水冷系统的散热能力达到最大，从而来保证变流器工作在合适的温度范围内。水冷系统采用的是机械式三通阀，25度开启三通阀，42度全部开启。

　　储压罐

　　储压罐内氮气的静压力和管道中的静压力必须保持一定的平衡，使得系统停机的状态下储压罐中的水位处在靠近中间的位置。这样当系统压力升高时，储压罐气囊有足够的空间来缓冲增高的压力。当系统压力降低时，又有足够的余地让水位下降，而不至于无法缓冲管道中的低压影响。如果不这么做，储压罐中的过高或过低，会影响高压或者低压的缓冲效果。

　　电加热器

　　只有在水冷系统运行的条件下电加热器才可以工作进行加热，电加热器的启停是由主控程序来控制的。当变流器有加热请求的时候，电加热器会开始加热来调节变流器内部元器件等温度直到变流器加热请求信号消失为止。另外当系统水温低于12℃的时候水冷系统也会自动开始加热，直到水温高于15 ℃的时候才停止加热。另外，主控在就地控制的状态下也可以强制水冷系统进行加热，作为调试或冬天低温时系统启动前的预热。

　　温度和压力传感器

　　水泵出口设有铜热电阻PT100(进阀温度传感器)，用来检测混合液温度并根据此温度通过电气系统控制电加热器的启/停，控制水/风冷却装置风扇电机的启/停。另外在变流器出口也设有一个铜热电阻PT100，用来检测冷却液在变流器后的回水温度

　　冷却液

　　为乙二醇和纯净水的混合液;

　　常温型：乙二醇：水：防腐剂=49.5：50：0.5;

　　低温型：乙二醇：水：防腐剂=56.5：43：0.5

　　2、水冷系统的工作原理

　　水冷系统的工作原理为水循环在高温的变流器内吸热，在低温环境内放热完成的是一个热量转移的过程。水泵将管路循环水送入散热器，散热器把热量散掉后将水送回水冷系统，水冷系统再将水送入变流器。变流器内部进行热交换后留回水冷系统。再次进入水泵进行下一环节。冷却液由循环泵进入变流器带走热量，出来后返回循环泵或是经过散热片后返回循环泵进行下一次循环。

　　3、变流器散热参数

　　在变流过程中，由于损耗的存在，会有大量的热量聚集，其热量为42KW，这些热量需要被水冷系统及时带走，以维持和稳定变流器核心部件的温度，使其温度在这些器件在允许的范围内。

　　根据传热学，流体力学的公式以及条件

　　Q=K* Δt* Fn

　　Q为传热量，K为液侧总传热系数，Δt为传热平均温差，Fn为液侧总传热面积

　　输送流体(50%纯水和50%乙二醇)，流体温度(10-70摄氏度)，总流量17.43m/h,扬程32m,计算得出能够满足风机水冷散热的目的。

　　二、 常见的水冷系统的故障解析

　　(一)、 常见的水冷故障

　　大少白山项目用的是水冷系统，水冷系统比较稳定，能够保障机组的正常运行，但也会遇到一些故障，下面介绍一下常见的故障。

　　1 、进阀压力低

　　故障说明 ：进阀压力低于设定值;

　　故障时间 ：5s 故障设置值 0.9bar;

　　解释说明：风机检测到水冷系统进阀压力持续5s 低于0.9bar，风机立即报此故障。

　　2、 变流器警告故障

　　风机发电过程中，主控制PLC接收到变流器发送的警告信号，风机立即报此故障。

　　(二)、故障处理

　　1、 解决水冷进阀压力低故障 ，需要用加水机进行补充冷却液。需要的工具有

　　加水机一台、10m长插座一个。人员至少2名。特别是大少白山项目现场环境寒冷因此采用冷却液为低温型：乙二醇：水：防腐剂=56.5：43：0.5

　　操作加水时应该先将水冷柜的开关打开，同时打开加水机的电源开关，然后注视着水冷系统的压力表，加水后的静态压力达到压力值3.4bar,循环压力达到压力值2.5bar。

　　2 、解决变流器警告故障

　　由于我国北方冬天的气候十分寒冷，最低温度能达到近零下40摄氏度，导致变流柜体温度低。分析报此故障原因有两点，一、是经常限电(限电时常有时近10几个小时)，导致机组在恢复运行的时候频繁报变流器警告故障，而报这个故障通常是由于循环冷却液的温度和变流柜柜体温度达不到设定值导致的。这时就需要用循环泵循环进行加热，由三通阀通过改变路径来控制内外循环达到控制温度的目的，具体动作过程是当水泵压力使弹簧压缩使通道打开通道，当撞块直接动阀杆头部，使阀芯向下运动，封死外循环通道，内循环通道打开，当阀杆不受力时候阀芯复位将封死内循环通道，打开外循环通道。正常情况下变流柜柜体加热和冷却水温度上升需要2-3小时可以达到设定温度。二、是当三通阀损坏或者三通阀生锈卡死，冷却液走外循环加热器加热不起来导致变流柜温度达不到，温度值变化不明显，循环一直是外循环。此时解决的办法通常是更换新的三通阀。

　　三、水冷系统的优化设计

　　我国大多数风电厂风机数量较多，现场维护人员给风机补水次数比较频繁。平均每月要给风机进行加水作业。由于风电厂离生活区较远，车辆行走的路途也很远，这样在无形当中就增加了现场的维护费用。下面简单介绍一下变流系统自动补水装置。原理解析如下：

　　1 当水冷系统的压力低于正常运行压力值时，注水泵开始运行，向水冷系统内补水，直到系统压力正常时，注水泵停止工作。

　　2 为防止水箱抽空，设有液位检测装置，与电控装置系统互锁，当液位低于警戒值时，停止注水泵运行，防止水泵空转而烧毁电机。

　　3 水泵的出口设有单向的截止阀，防止水冷系统的水箱倒灌入水箱。

　　4 水箱为全封闭结构，防止冷却液与空气接触发生变质。

　　5 水箱上部安装有吸气阀，当水泵抽水的时候，水箱会出现负压，此时吸气阀打开，保证水箱能够处于常压状态。

　　6 蓄水罐出水口处安装V型过滤器，防止杂质进入水冷系统。

　　四 、结束语

　　的水冷系统对水冷机组运行稳定十分重要，并且风机运行中水冷故障较多，如果在风机上使用这种自动补水装置，只要在检修和日常巡检的时候把储水罐加足够的冷却液就行，不仅减轻了维护人员的工作量还节约了成本，从长远的利益上看还是一次技术与价值双赢的设计。

　　参考文献：

　　1、《热工理论与基础》，中国电力出版社，2008.9

　　2、《1500KW风力发电机组运行维护手册》，2007.7

　　3、《电控原理介绍金风1500kw机组》

　　本文选自《社会科学家》。  《社会科学家》杂志是中共桂林市委主管、桂林市社科联主办、《社会科学家》杂志社承办的综合性哲学社会科学理论双月刊。入编《中国学术期刊（光盘版）》，为《中国期刊网》、中国学术期刊综合评价数据库全文收录期刊，中国人文社会科学引文数据库来源期刊，1998年入选中文社会科学索引来源期刊（CSSCI）。
 

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