風電機組大功率電子元器件模塊的通風散熱模擬與分析

2017-10-04 14:17:06 有限元之家　點擊量：評論 (0)

隨著風力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風電機組容量的迅速兆瓦化，其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件的散熱問題變得越來越嚴重。本文利用計算流體力學(CFD)軟件，采用有限體積法，以置入于固定空

隨著風力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風電機組容量的迅速兆瓦化，其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件的散熱問題變得越來越嚴重。本文利用計算流體力學(CFD)軟件，采用有限體積法，以置入于固定空間的散熱元器件進行通風散熱數(shù)值模擬，建立了不同的通風冷卻方案，通過對各個方案的溫度和速度場分布來確定最佳通風散熱技術(shù)方案。計算結(jié)果表明，CFD軟件能較好的模擬房間的速度和溫度分布，為風電工程實施和電氣系統(tǒng)的安全與防護起到了一定的指導作用。

　　0 、引言

　　隨著社會各界對新能源需求的日益提高，風力發(fā)電在新能源中所占的比重也在不斷加大。但是在風電工程的項目建設(shè)中存在各式各樣的問題，風電機組配件散熱就是其中的關(guān)鍵問題之一，特別是主要發(fā)熱元件電抗器的散熱問題，散熱不好將會嚴重地影響到電子器件的性能、可靠性和使用壽命[1]。因此，客觀、準確地進行散熱分析是促進風電工程規(guī)模化發(fā)展、大型風電場建設(shè)的重要前提和保障。

　　本文以新疆華冉風電項目為例，利用計算流體力學(CFD)軟件，對放置風力發(fā)電機組其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件房間入口和出口布局的不同方案進行數(shù)值模擬，得到了的速度分布和溫度分布情況，并確定最后的優(yōu)化方案，得出的結(jié)論對風電工程的實施具有實際指導意義。

　　1 實際問題的提出

　　本文以設(shè)計院設(shè)計的彩板房內(nèi)電氣設(shè)備布局為基礎(chǔ)，技術(shù)人員在其基礎(chǔ)上對房間內(nèi)部電子元器件的通風形式進行布置，具體設(shè)計方案為：進風采用扁平風道彎頭式進風，出口均采用在墻壁上安裝軸流風機進行排風，設(shè)定進、出風口為不同位置（其中方案1-4為入口采用直通式，方案5-6入口采用百葉窗可調(diào)節(jié)角度式）的通風措施，原始設(shè)計方案三維模型如圖1所示。

　　彩板房內(nèi)部的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜，但在數(shù)值計算中主要反映總體結(jié)構(gòu)的特性，為此對室內(nèi)結(jié)構(gòu)模型進行簡化是必要的，設(shè)計方案的簡化模型如圖2至圖6所示：

　　(1)忽略電抗器周圍其他部件（例如桁架，電線等），僅考慮影響較大的擋板，并對13個電抗器作長方體考慮。

　　(2)不考慮軸流風機實際模型，僅采用墻體設(shè)置出口代替軸流風機排風效應。

　　2 CFD物理模型的參數(shù)設(shè)置

　　網(wǎng)格類型全部采用六面體網(wǎng)格，本次模型網(wǎng)格數(shù)量1257506 hexahedral cells，在設(shè)置不同出口位置的同時不改變內(nèi)部網(wǎng)格，只是對出口處網(wǎng)格進行略微改變，以保證網(wǎng)格變化和數(shù)量誤差造成的計算結(jié)果誤差。

　　本次計算采用湍流模型采用工程普遍應用的Realizable k-ε模型[2]，計算三維定常流場，入口流量為設(shè)計風速1.82m/s，出口為壓力出口0Pa，變頻器給定極限溫度323k，電抗器和變壓器給定極限溫度為393k，其他壁面按絕熱處理。

　　方程中壓力一速度耦合采用SIMPLEC算法，方程中的動量離散格式采用Standard格式，其它方程差值格式選用二階迎風格式進行求解[3-7]。

　　3 計算結(jié)果分析

　　3.1 流線圖分析

　　數(shù)值模擬出的流線速度圖可以看出整體流體流動現(xiàn)象，流線如圖7至13所示。通過方案1-3可以看出，在入口處，低溫氣體通過彎形管道流入彩板房內(nèi)，一部分氣體由于壁面效應沿著壁面流動至出口，這部分氣體對散熱沒有起到有效作用；另外一部分氣體在內(nèi)部流動，在經(jīng)過變頻器、變壓器和電抗器周圍可以帶走個壁面產(chǎn)生的熱量。由于風流動方向和電抗器的排列方向基本一致，在加上電抗器之間間距較小，導致在間隙之間流動性較差。

　　方案4-5這種設(shè)計方案符合氣流組織的設(shè)置形式，屬于側(cè)送側(cè)回的形式，是用的最多的氣流組織形式[8-9]。入口百葉窗為可調(diào)節(jié)角度，對方案4和方案5分別與入口水平方向成30度和45度分別進行分析，看不同角度對電抗器間隙內(nèi)速度和溫度的影響。主要設(shè)計目的是調(diào)節(jié)百葉窗口的人流角使得空氣能噴射到電抗器處，從而對間隙內(nèi)進行散熱。

　　3.2 速度和溫度分析

　　速度的大小是衡量散熱量的一個標準[10]，通過流線圖可以看到氣流在變頻器和變壓器周邊有較好的流動狀態(tài)，由于電抗器是主要發(fā)熱元件，因此對電抗器周邊的速度場和溫度場進行分析，通過比較速度和溫度的大小來確定最佳方案。

　　通過速度云圖14和15可以看出，不同方案速度流場差別較大，速度最大處集中在出口處，由于入口處氣流向上流動，在頂部速度也較大。由于速度差別較大，從速度云圖上看不出具體的變化情況，故選取電抗器中間點進行速度監(jiān)測，監(jiān)測點位置如圖15所示。

　　通過溫度云圖17可以看出，不同方案的溫度場分布并不相同，在電阻器周圍溫度分布較高，尤其在縫隙處存在著高溫區(qū)，主要是電阻器之間間隙較小，空氣不流通所致。

　　通過圖18和19可以看出，各個方案監(jiān)測點的位置速度和溫度分布不盡相同，對不同方案的各點進行速度和溫度平均化（如表1所示）可以看到速度對溫度影響，即：速度大的地方溫度較低，速度小的地方溫度較高[11]。綜上所述，在同等流量下方案5-45平均速度要比最差方案大30%左右，平均溫度要比最高溫度低10°，由此可見預先對各種通風散熱方案的CFD模擬是有必要的。

　　4 結(jié)論

　　影響房間氣流組織效果的因素有很多，其中送風口和出風口的位置對室內(nèi)氣流組織影響很大。通過用CFD軟件對風電機組大功率電子元器件空間散熱模擬，研究了不同送回風口型式對室內(nèi)速度場和溫度場的影響，分析后可得到以下幾點結(jié)論：

　　1)對室內(nèi)的流場數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，可以直觀的得出室內(nèi)速度和溫度的分布，對所有方案進行入口和出口位置的布局改進，由速度和溫度變化確定方案5為最佳優(yōu)化方案，入口百葉窗給定入射口速度與水平方向角度為45度左右，考慮實際安裝成本問題也可以用方案2進行替代。

　　2)盡量加大電抗器相互之間的縫隙，增加間隙內(nèi)空氣的流通性，進而達到更好的換熱效果。由于障礙物的影響會對氣流流動有較大的影響，從而影響散熱效果，具體擺放位置要以能夠不阻擋對散熱元器件的氣流為主。

　　3)從計算結(jié)果來看，CFD軟件在對風電配件散熱方面的分析是有現(xiàn)實意義的，具有成本低、速度快、可以對不同優(yōu)化方案的實施預測，對風電工程實施和電氣系統(tǒng)的安全與防護起到了一定的指導作用。