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风电机组大功率电子元器件模块的通风散热模拟与分析 |
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作者： |
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随着风力发电技术的不断发展，风电机组容量的迅速兆瓦化，其配件变频器、变压器以及电抗器等大功率电力电子器件的散热问题变得越来越严重。本文利用计算流体力学(CFD)软件，采用有限体积法，以置入于固定空间的散热元器件进行通风散热数值模拟，建立了不同的通风冷却方案，通过对各个方案的温度和速度场分布来确定最佳通风散热技术方案。计算结果表明，CFD软件能较好的模拟房间的速度和温度分布，为风电工程实施和电气系统的安全与防护起到了一定的指导作用。
0 引言
随着社会各界对新能源需求的日益提高，风力发电在新能源中所占的比重也在不断加大。但是在风电工程的项目建设中存在各式各样的问题，风电机组配件散热就是其中的关键问题之一，特别是主要发热元件电抗器的散热问题，散热不好将会严重地影响到电子器件的性能、可靠性和使用寿命[1]。因此，客观、准确地进行散热分析是促进风电工程规模化发展、大型风电场建设的重要前提和保障。
本文以新疆华冉风电项目为例，利用计算流体力学(CFD)软件，对放置风力发电机组其配件变频器、变压器以及电抗器等大功率电力电子器件房间入口和出口布局的不同方案进行数值模拟，得到了的速度分布和温度分布情况，并确定最后的优化方案，得出的结论对风电工程的实施具有实际指导意义。
1 实际问题的提出
本文以设计院设计的彩板房内电气设备布局为基础，技术人员在其基础上对房间内部电子元器件的通风形式进行布置，具体设计方案为：进风采用扁平风道弯头式进风，出口均采用在墙壁上安装轴流风机进行排风，设定进、出风口为不同位置（其中方案1-4为入口采用直通式，方案5-6入口采用百叶窗可调节角度式）的通风措施，原始设计方案三维模型如图1所示。
图1 房间通风散热方案模型图
彩板房内部的形状和内部结构比较复杂，但在数值计算中主要反映总体结构的特性，为此对室内结构模型进行简化是必要的， 设计方案的简化模型如图2至图6所示：
(1)忽略电抗器周围其他部件（例如桁架，电线等），仅考虑影响较大的挡板，并对13个电抗器作长方体考虑。
(2)不考虑轴流风机实际模型，仅采用墙体设置出口代替轴流风机排风效应。
图2 方案1简化模型图
图3 方案2简化模型图
图4 方案3简化模型图
图5 方案4简化模型图
图6 方案5简化模型图
2 CFD物理模型的参数设置
网格类型全部采用六面体网格，本次模型网格数量1257506 hexahedral cells，在设置不同出口位置的同时不改变内部网格，只是对出口处网格进行略微改变，以保证网格变化和数量误差造成的计算结果误差。
本次计算采用湍流模型采用工程普遍应用的Realizable k-ε模型[2]，计算三维定常流场，入口流量为设计风速1.82m/s，出口为压力出口0Pa，变频器给定极限温度323k，电抗器和变压器给定极限温度为393k，其他壁面按绝热处理。
方程中压力一速度耦合采用SIMPLEC算法，方程中的动量离散格式采用Standard格式，其它方程差值格式选用二阶迎风格式进行求解[3-7]。
3 计算结果分析
3.1 流线图分析
数值模拟出的流线速度图可以看出整体流体流动现象，流线如图7至13所示。通过方案1-3可以看出，在入口处，低温气体通过弯形管道流入彩板房内，一部分气体由于壁面效应沿着壁面流动至出口，这部分气体对散热没有起到有效作用；另外一部分气体在内部流动，在经过变频器、变压器和电抗器周围可以带走个壁面产生的热量。由于风流动方向和电抗器的排列方向基本一致，在加上电抗器之间间距较小，导致在间隙之间流动性较差。
方案4-5这种设计方案符合气流组织的设置形式，属于侧送侧回的形式，是用的最多的气流组织形式[8-9]。入口百叶窗为可调节角度，对方案4和方案5分别与入口水平方向成30度和45度分别进行分析，看不同角度对电抗器间隙内速度和温度的影响。主要设计目的是调节百叶窗口的人流角使得空气能喷射到电抗器处，从而对间隙内进行散热。
图7 方案1速度流线图
图8 方案2速度流线图
图9 方案3速度流线图
3.2 速度和温度分析
速度的大小是衡量散热量的一个标准[10]，通过流线图可以看到气流在变频器和变压器周边有较好的流动状态，由于电抗器是主要发热元件，因此对电抗器周边的速度场和温度场进行分析，通过比较速度和温度的大小来确定最佳方案。
通过速度云图14和15可以看出，不同方案速度流场差别较大，速度最大处集中在出口处，由于入口处气流向上流动，在顶部速度也较大。由于速度差别较大，从速度云图上看不出具体的变化情况，故选取电抗器中间点进行速度监测，监测点位置如图15所示。
图14 方案1电抗器纵截面速度云图
图15 方案2电抗器纵截面速度云
通过温度云图17可以看出，不同方案的温度场分布并不相同，在电阻器周围温度分布较高，尤其在缝隙处存在着高温区，主要是电阻器之间间隙较小，空气不流通所致。
通过图18和19可以看出，各个方案监测点的位置速度和温度分布不尽相同，对不同方案的各点进行速度和温度平均化（如表1所示）可以看到速度对温度影响，即：速度大的地方温度较低，速度小的地方温度较高[11]。综上所述，在同等流量下方案5-45平均速度要比最差方案大30%左右，平均温度要比最高温度低10°，由此可见预先对各种通风散热方案的CFD模拟是有必要的。
图16 电抗器监测点示意图
4 结论
影响房间气流组织效果的因素有很多，其中送风口和出风口的位置对室内气流组织影响很大。通过用CFD软件对风电机组大功率电子元器件空间散热模拟，研究了不同送回风口型式对室内速度场和温度场的影响，分析后可得到以下几点结论：
1)对室内的流场数值模拟结果进行分析，可以直观的得出室内速度和温度的分布，对所有方案进行入口和出口位置的布局改进，由速度和温度变化确定方案5为最佳优化方案，入口百叶窗给定入射口速度与水平方向角度为45度左右，考虑实际安装成本问题也可以用方案2进行替代。
2)尽量加大电抗器相互之间的缝隙，增加间隙内空气的流通性，进而达到更好的换热效果。由于障碍物的影响会对气流流动有较大的影响，从而影响散热效果，具体摆放位置要以能够不阻挡对散热元器件的气流为主。
3)从计算结果来看，CFD软件在对风电配件散热方面的分析是有现实意义的，具有成本低、速度快、可以对不同优化方案的实施预测，对风电工程实施和电气系统的安全与防护起到了一定的指导作用。
参考文献
[1] 孙志坚.电子器件回路型热管散热器的数值模拟与实验研究[D][博士论文].:浙江大学，2007.09
[2] 王福军.计算流体力学分析[M].清华大学出版社,2004.
[3] 周沛丽.运用Fluent 软件对室内气流组织的模拟研究[D][硕士论文].华南理工大学.2005.5.
[4] 熊莉芳,林源,李世武.k −ε 湍流模型及其在FIUENT 软件中的应用[J].工业加热, 2007,36(4):13-15.
[5] 云和明,程林,陈保明,杜文静.电子元件的优化分析[J].工程热物理学报.2006.5.
[6] 徐燕飞.电气设备中元器件通风散热数值模拟与实验研究[D][硕士论文].西北工业大学.2006.3.
[7] 孙玮.热管型电子器件散热器的数值模拟和实验研究[D][硕士论文].:浙江大学，2003.01.
[8] 薛殿华.空气调节[M].清华大学出版社,1998.
[9] 陈付莲,沈毅力.CFD 在空调室内气流组织设计中的应用[D]制冷与空调.2004.4,26-28
[10] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].高等教育出版社,2006(4).
[11] 支淼川.电力电子设备水冷散热器的数值模拟[D][硕士论文].华北电力大学.2006.2.
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(8/5/2013) |
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