为了增进抽水蓄能电站用户对风冷型及水冷型静止变频器（SFC）的深入了解，南京南瑞继保电气有限公司的研究人员漫自强、刘欢、刘腾，在2022年第7期《电气技术》上撰文，提供两种冷却方式的SFC设计方案，通过构建脉冲换相阶段及负载换相阶段功率输出模型，分析影响功率因数的相关参数，对比同容量下的SFC功率输出能力。另外，从效能水平、可靠性及运行维护等方面进行对比，为SFC冷却方式的选择提供综合参考。
抽水蓄能电站具备消纳新能源、削峰填谷、增强电网稳定性和应急供电等多重作用。为实现“双碳”目标，“十四五”现代能源体系规划中提出力争到2025年，抽水蓄能装机容量达到6200万kW以上、在建装机容量达到6000万kW左右，抽水蓄能迎来高速发展。
静止变频器（static frequency converter, SFC）是抽水蓄能电站的关键辅机设备，主要用于水泵工况起动机组，其运行可靠性直接决定机组的安全稳定运行水平。
SFC由控制部分、换流桥功率部分及配套一次设备组成，换流桥采用晶闸管器件，其冷却方式即为SFC冷却方式。目前，国内在运设备包括风冷型和水冷型两种。本文从系统设计、功率输出能力、能效水平、可靠性及运行维护等方面对两种冷却方式SFC进行对比研究，为抽蓄电站SFC的选择提供参考。
SFC主要功能是将工频电源转换为变频电源，拖动抽蓄机组从静止到额定转速。SFC系统组成示意图如图1所示。风冷型SFC冷却系统主要由风机、风冷型散热器及风压继电器等监测元件组成。风冷型散热器通常采用带翅片的型材散热器或热管散热器。当晶闸管工作时，散热器将晶闸管热量传导至翅片，翅片布置于风道中，通过风机完成与空气的热量交换。
图1 SFC系统组成示意图
水冷型SFC冷却系统由内、外水冷系统组成。内水冷系统包括水冷型散热器、水泵、稳压设备、去离子支路，以及温度、压力、电导率等表计。外水冷系统通常配置三通阀和压力表计等，水冷型散热器通常采用带水道的型材散热器。流过散热器的冷却水对晶闸管进行冷却，然后通过板式换热器与外水冷系统进行热量交换，最终由外水冷系统将晶闸管发热量带走。SFC换流桥晶闸管散热器如图2所示。
图2 SFC换流桥晶闸管散热器
2.1 系统设计对比
目前在建抽蓄机组单机容量主要为250～400MW，对应SFC容量在15～30MW，在该容量范围内，风冷型SFC和水冷型SFC设计方案不同。对于风冷型SFC，考虑到柜体尺寸限制，为满足功率输出，系统绝缘水平通常在10kV以内，SFC工作电流根据输出功率设计。对于水冷型SFC，由于水冷散热器热阻系数较低，工作电流较风冷型SFC大，系统绝缘水平通常在6kV以内。
现采用抽蓄电站最常见的12-6脉动拓扑，基于相同的电压安全系数及转矩脉动原则，设计风冷型及水冷型SFC系统，设计方案技术参数详见表1。
从表1中设计方案可以看出，风冷型SFC采用高直流电压、小直流电流方案，直流电压高增加了桥臂晶闸管串联数量，直流电流小降低了晶闸管发热量，与之配套的电缆、铜排截面积选型较小。水冷型SFC采用低直流电压、大直流电流方案，直流电压低可以减少单臂晶闸管串联数量，直流电流大增加了晶闸管发热量，与之配套的电缆、铜排截面积选型较大。
表1 技术参数
2.2 功率输出能力对比（略）
SFC功率输出能力主要体现在一定输出功率下的功率因数水平，以及影响功率因数的相关变量。作者就SFC起机过程中的两个不同阶段对功率因数进行了分析。
他们研究认为：1）在脉冲换相阶段，风冷型及水冷型SFC系统换相总时间类似，等效换相重叠角水平类似，所以输出功率水平相同；2）在负载换相阶段，输出变压器接入系统工作，风冷型SFC及水冷型SFC电压及电流工作在其设计值。由仿真结果可知，换相重叠角在类似水平，所以输出的功率水平类似。
2.3 系统效能对比
水冷型SFC系统和风冷型SFC系统由于设计参数差异，能效参数存在区别，发热量越高，能效参数越差。SFC系统的发热量主要来自晶闸管损耗、直流电抗器损耗及输入/输出变压器损耗等，现以30MW容量SFC系统为例进行能效分析，各部分发热量见表2。
表2 发热量参数
综上分析，两种类型SFC的发热量差异主要体现在晶闸管部分，风冷型SFC晶闸管发热量占系统容量的0.56%，水冷型SFC晶闸管发热量占系统容量的0.66%，水冷型SFC晶闸管发热量比风冷型SFC高30kW，约17.9%，水冷型SFC总发热量比风冷型SFC高37kW，约11.3%，所以风冷型SFC系统效能更优。
2.4 可靠性对比
水冷型SFC冷却系统复杂度高，故障率相对较高，尤其是易出现漏水、电导率异常、压力异常等问题。水冷型SFC需要外冷却水，若电站下库深度较浅，技术供水或公共供水处距离水面较近，夏季天气炎热，外冷水水温接近环境温度，不利于与内冷水换热。而冬季，在北方地区，下库水温可低至5℃左右，可能会使内水冷水温下降至露点温度以下，若无防凝露措施，阀组会出现凝露现象，引起阀组短路。
风冷型SFC冷却系统构成简单，故障率极低。风冷型SFC采用空气换热，需配置环境温度治理设备，维持SFC小室温度在其工作范围。SFC设备不受厂房外环境温度影响，稳定性更高。
2.5 运行维护对比
水冷型SFC冷却系统需要定期进行补气或补水工作，无法做到免维护。每年定检运行维护工作难度较大，如泵的机油更换、稳压罐的压力检测、过滤器的滤网更换等，不仅需要一定的专业知识，且运维工作量远高于风冷型SFC冷却系统。
风冷型SFC冷却系统运行稳定性高，基本做到免维护，每年定检工作主要是风机电源回路测量及柜门滤网更换等，运维工作量小，并且难度低。
2.6 经济性对比
风冷型及水冷型SFC经济性对比可以从三个方面来看。
首先，从冷却系统对比来看，水冷系统包含水泵、稳压设备、去离子设备及相应表计、管路等设备成本，远高于风冷型SFC配置的风机及监测元件成本。
其次，从SFC运行需求来看，水冷型SFC通常采用水-水冷却方式，外水冷系统需要从电站公共供水系统敷设管道到SFC小室，并设置相关的阀门及表计；风冷型SFC将与散热器换热的空气排到SFC小室，需要配置空调或排扇等冷却设备，设备及施工费用总体低于水冷型SFC。
最后，风冷型SFC冷却系统基本可以做到免维护，运维成本极低；水冷型SFC运维工作相对复杂，日常运行中需要补水补气，与此同时需要对水泵及去离子罐中的树脂进行定期维护，维护成本较高。
综上所述，风冷型SFC设备的经济性相对较好。
本文从系统设计、功率输出能力、能效指标、可靠性及运行维护等方面对风冷型SFC系统及水冷型SFC系统进行对比分析。
系统设计方面，相同电压水平的水冷型SFC输出功率设计值更高；功率输出能力方面，系统容量相同时，二者在脉冲换相阶段及负载换相阶段的功率因数水平相同，输出功率水平类似；系统效能方面，根据器件发热特点，风冷型SFC优于水冷型SFC；可靠性方面，风冷型SFC冷却系统配置简单，且不受厂房外的环境影响，可靠性更高；运行维护方面，风冷型SFC系统运维工作简单，且运维工作量小。
本文编自2022年第7期《电气技术》，论文标题为“风冷型及水冷型静止变频器设备对比研究”，作者为漫自强、刘欢 等。
关注微信
