抽水蓄能電站具備消納新能源、削峰填谷、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性和應(yīng)急供電等多重作用。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃中提出力爭(zhēng)到2025年，抽水蓄能裝機(jī)容量達(dá)到6200萬(wàn)kW以上、在建裝機(jī)容量達(dá)到6000萬(wàn)kW左右，抽水蓄能迎來(lái)高速發(fā)展。

靜止變頻器（static frequency converter, SFC）是抽水蓄能電站的關(guān)鍵輔機(jī)設(shè)備，主要用于水泵工況起動(dòng)機(jī)組，其運(yùn)行可靠性直接決定機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

SFC由控制部分、換流橋功率部分及配套一次設(shè)備組成，換流橋采用晶閘管器件，其冷卻方式即為SFC冷卻方式。目前，國(guó)內(nèi)在運(yùn)設(shè)備包括風(fēng)冷型和水冷型兩種。本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功率輸出能力、能效水平、可靠性及運(yùn)行維護(hù)等方面對(duì)兩種冷卻方式SFC進(jìn)行對(duì)比研究，為抽蓄電站SFC的選擇提供參考。

1 SFC冷卻原理

SFC主要功能是將工頻電源轉(zhuǎn)換為變頻電源，拖動(dòng)抽蓄機(jī)組從靜止到額定轉(zhuǎn)速。SFC系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)冷型散熱器及風(fēng)壓繼電器等監(jiān)測(cè)元件組成。風(fēng)冷型散熱器通常采用帶翅片的型材散熱器或熱管散熱器。當(dāng)晶閘管工作時(shí)，散熱器將晶閘管熱量傳導(dǎo)至翅片，翅片布置于風(fēng)道中，通過(guò)風(fēng)機(jī)完成與空氣的熱量交換。

圖1 SFC系統(tǒng)組成示意圖

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)由內(nèi)、外水冷系統(tǒng)組成。內(nèi)水冷系統(tǒng)包括水冷型散熱器、水泵、穩(wěn)壓設(shè)備、去離子支路，以及溫度、壓力、電導(dǎo)率等表計(jì)。外水冷系統(tǒng)通常配置三通閥和壓力表計(jì)等，水冷型散熱器通常采用帶水道的型材散熱器。流過(guò)散熱器的冷卻水對(duì)晶閘管進(jìn)行冷卻，然后通過(guò)板式換熱器與外水冷系統(tǒng)進(jìn)行熱量交換，最終由外水冷系統(tǒng)將晶閘管發(fā)熱量帶走。SFC換流橋晶閘管散熱器如圖2所示。

圖2 SFC換流橋晶閘管散熱器

2 風(fēng)冷及水冷系統(tǒng)對(duì)比研究

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比

目前在建抽蓄機(jī)組單機(jī)容量主要為250～400MW，對(duì)應(yīng)SFC容量在15～30MW，在該容量范圍內(nèi)，風(fēng)冷型SFC和水冷型SFC設(shè)計(jì)方案不同。對(duì)于風(fēng)冷型SFC，考慮到柜體尺寸限制，為滿足功率輸出，系統(tǒng)絕緣水平通常在10kV以內(nèi)，SFC工作電流根據(jù)輸出功率設(shè)計(jì)。對(duì)于水冷型SFC，由于水冷散熱器熱阻系數(shù)較低，工作電流較風(fēng)冷型SFC大，系統(tǒng)絕緣水平通常在6kV以內(nèi)。

現(xiàn)采用抽蓄電站最常見的12-6脈動(dòng)拓?fù)?，基于相同的電壓安全系?shù)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原則，設(shè)計(jì)風(fēng)冷型及水冷型SFC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方案技術(shù)參數(shù)詳見表1。

從表1中設(shè)計(jì)方案可以看出，風(fēng)冷型SFC采用高直流電壓、小直流電流方案，直流電壓高增加了橋臂晶閘管串聯(lián)數(shù)量，直流電流小降低了晶閘管發(fā)熱量，與之配套的電纜、銅排截面積選型較小。水冷型SFC采用低直流電壓、大直流電流方案，直流電壓低可以減少單臂晶閘管串聯(lián)數(shù)量，直流電流大增加了晶閘管發(fā)熱量，與之配套的電纜、銅排截面積選型較大。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.2 功率輸出能力對(duì)比（略）

SFC功率輸出能力主要體現(xiàn)在一定輸出功率下的功率因數(shù)水平，以及影響功率因數(shù)的相關(guān)變量。作者就SFC起機(jī)過(guò)程中的兩個(gè)不同階段對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行了分析。

他們研究認(rèn)為：1）在脈沖換相階段，風(fēng)冷型及水冷型SFC系統(tǒng)換相總時(shí)間類似，等效換相重疊角水平類似，所以輸出功率水平相同；2）在負(fù)載換相階段，輸出變壓器接入系統(tǒng)工作，風(fēng)冷型SFC及水冷型SFC電壓及電流工作在其設(shè)計(jì)值。由仿真結(jié)果可知，換相重疊角在類似水平，所以輸出的功率水平類似。

2.3 系統(tǒng)效能對(duì)比

水冷型SFC系統(tǒng)和風(fēng)冷型SFC系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)參數(shù)差異，能效參數(shù)存在區(qū)別，發(fā)熱量越高，能效參數(shù)越差。SFC系統(tǒng)的發(fā)熱量主要來(lái)自晶閘管損耗、直流電抗器損耗及輸入/輸出變壓器損耗等，現(xiàn)以30MW容量SFC系統(tǒng)為例進(jìn)行能效分析，各部分發(fā)熱量見表2。

表2 發(fā)熱量參數(shù)

綜上分析，兩種類型SFC的發(fā)熱量差異主要體現(xiàn)在晶閘管部分，風(fēng)冷型SFC晶閘管發(fā)熱量占系統(tǒng)容量的0.56%，水冷型SFC晶閘管發(fā)熱量占系統(tǒng)容量的0.66%，水冷型SFC晶閘管發(fā)熱量比風(fēng)冷型SFC高30kW，約17.9%，水冷型SFC總發(fā)熱量比風(fēng)冷型SFC高37kW，約11.3%，所以風(fēng)冷型SFC系統(tǒng)效能更優(yōu)。

2.4 可靠性對(duì)比

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)復(fù)雜度高，故障率相對(duì)較高，尤其是易出現(xiàn)漏水、電導(dǎo)率異常、壓力異常等問(wèn)題。水冷型SFC需要外冷卻水，若電站下庫(kù)深度較淺，技術(shù)供水或公共供水處距離水面較近，夏季天氣炎熱，外冷水水溫接近環(huán)境溫度，不利于與內(nèi)冷水換熱。而冬季，在北方地區(qū)，下庫(kù)水溫可低至5℃左右，可能會(huì)使內(nèi)水冷水溫下降至露點(diǎn)溫度以下，若無(wú)防凝露措施，閥組會(huì)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，引起閥組短路。

風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，故障率極低。風(fēng)冷型SFC采用空氣換熱，需配置環(huán)境溫度治理設(shè)備，維持SFC小室溫度在其工作范圍。SFC設(shè)備不受廠房外環(huán)境溫度影響，穩(wěn)定性更高。

2.5 運(yùn)行維護(hù)對(duì)比

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)需要定期進(jìn)行補(bǔ)氣或補(bǔ)水工作，無(wú)法做到免維護(hù)。每年定檢運(yùn)行維護(hù)工作難度較大，如泵的機(jī)油更換、穩(wěn)壓罐的壓力檢測(cè)、過(guò)濾器的濾網(wǎng)更換等，不僅需要一定的專業(yè)知識(shí)，且運(yùn)維工作量遠(yuǎn)高于風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)。

風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，基本做到免維護(hù)，每年定檢工作主要是風(fēng)機(jī)電源回路測(cè)量及柜門濾網(wǎng)更換等，運(yùn)維工作量小，并且難度低。

2.6 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

風(fēng)冷型及水冷型SFC經(jīng)濟(jì)性對(duì)比可以從三個(gè)方面來(lái)看。

首先，從冷卻系統(tǒng)對(duì)比來(lái)看，水冷系統(tǒng)包含水泵、穩(wěn)壓設(shè)備、去離子設(shè)備及相應(yīng)表計(jì)、管路等設(shè)備成本，遠(yuǎn)高于風(fēng)冷型SFC配置的風(fēng)機(jī)及監(jiān)測(cè)元件成本。

其次，從SFC運(yùn)行需求來(lái)看，水冷型SFC通常采用水-水冷卻方式，外水冷系統(tǒng)需要從電站公共供水系統(tǒng)敷設(shè)管道到SFC小室，并設(shè)置相關(guān)的閥門及表計(jì)；風(fēng)冷型SFC將與散熱器換熱的空氣排到SFC小室，需要配置空調(diào)或排扇等冷卻設(shè)備，設(shè)備及施工費(fèi)用總體低于水冷型SFC。

最后，風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)基本可以做到免維護(hù)，運(yùn)維成本極低；水冷型SFC運(yùn)維工作相對(duì)復(fù)雜，日常運(yùn)行中需要補(bǔ)水補(bǔ)氣，與此同時(shí)需要對(duì)水泵及去離子罐中的樹脂進(jìn)行定期維護(hù)，維護(hù)成本較高。

綜上所述，風(fēng)冷型SFC設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好。

3 結(jié)論

本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功率輸出能力、能效指標(biāo)、可靠性及運(yùn)行維護(hù)等方面對(duì)風(fēng)冷型SFC系統(tǒng)及水冷型SFC系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，相同電壓水平的水冷型SFC輸出功率設(shè)計(jì)值更高；功率輸出能力方面，系統(tǒng)容量相同時(shí)，二者在脈沖換相階段及負(fù)載換相階段的功率因數(shù)水平相同，輸出功率水平類似；系統(tǒng)效能方面，根據(jù)器件發(fā)熱特點(diǎn)，風(fēng)冷型SFC優(yōu)于水冷型SFC；可靠性方面，風(fēng)冷型SFC冷卻系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，且不受廠房外的環(huán)境影響，可靠性更高；運(yùn)行維護(hù)方面，風(fēng)冷型SFC系統(tǒng)運(yùn)維工作簡(jiǎn)單，且運(yùn)維工作量小。

本文編自2022年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“風(fēng)冷型及水冷型靜止變頻器設(shè)備對(duì)比研究”，作者為漫自強(qiáng)、劉歡 等。