大功率电力电子器件自然循环沸腾冷却系统北大核心

为了满足大功率电力电子器件日益增长的冷却需求,本文提出了一种自然循环沸腾冷却系统,其利用相变过程实现高效冷却,并采用自然循环方式驱动冷却介质。基于两相流动与传热的理论基础,建立了均相流系统仿真模型,并以大功率电力电子器件的典型代表换流阀为例,进行了换流阀自然循环沸腾冷却系统设计。在此基础上,搭建了换流阀自然循环沸腾冷却系统实验平台,开展不同变量下换流阀自然循环沸腾冷却试验。仿真和实验结果表明:均相流模型能够准确地反映系统两相流动过程,所设计的自然循环沸腾冷却系统的温控效果具有可实施性。     

大功率电力电子器件纯水冷却系统树脂泄漏问题的分析与处理

大功率电力电子器件的纯水冷却系统中,要利用离子交换罐置换出循环冷却水中不锈钢管道析出的离子,通常以离子交换树脂作为管道内重要的水处理媒介,但在高压直流输电电站运行中,常出现树脂泄漏的情况。以某直流输电变电站电力电子换流阀纯水冷却系统的树脂罐树脂泄漏问题为例,从树脂流经的管道和精密过滤器承受的压力等方面分析了问题产生的原因,提出了交换罐设计的改进建议。通过两年的运行观察,证明了改进方案的可行性。     

表贴式内肋阵自循环蒸发冷却系统沸腾换热流动实验研究

为进一步了解表贴式内肋阵自循环蒸发冷却系统内部的沸腾两相流动换热规律,采用横截面积为180mm×20mm的内肋阵液盒作为研究对象,对内肋阵液盒内部沸腾换热流动过程进行了可视化观察,同时针对该内肋阵液盒内两相流动建立Friedel、L-M两种两相流动阻力压降仿真计算模型。实验发现液盒通道内的流型随着热负荷的变化,主要呈现泡状流和雾状流2种流型,液盒背面温度较为均匀,维持在65～70℃左右。液盒内部肋阵的存在,增强了通道内汽泡扰动,同时在肋柱后方存在明显尾迹涡流。通过研究对比发现Friedel模型计算结果与实验结果的最大相对误差小于15%,说明该模型更适用表贴式内肋阵蒸发冷却系统的压降计算。     

蒸发冷却技术在环网控制装置上应用的可行性研究

针对环网控制换流阀,充分考虑其冷却需求和运行环境,开展了蒸发冷却技术的应用研究工作,提出了贴壁式自循环蒸发冷却技术方案;针对阀柜的功率模块单元设计蒸发冷却液盒单元,并在阀体额定工况下对液盒的换热能力、控温水平进行实验考核;同时建立液盒内气液两相流模型,对功率模块单元冷却过程中的热场进行了仿真计算;实验测试和仿真计算结果显示贴壁式蒸发冷却技术方案在环网控制装置上应用是可行的,且具有换热效率高、温度分布均匀的优势。     

±800kV哈密换流站阀外冷技术方案的比较与选择

在直流输电工程中,换流站实现了直流和交流的相互转换,换流阀是实现能量转换的核心设备。换流站换流阀外冷却系统是换流阀正常工作的保障,是高压直流输电工程长期可靠运行的前提和基础。根据哈密换流站干旱少雨、夏季极端炎热、昼夜温差大的自然气候条件,提出了3种可行的换流阀外冷系统技术方案:循环蓄冷式低耗能冷却系统、喷雾机械通风冷却系统、空冷器与冷却塔串联冷却系统,并根据换流阀冷却需求,对这3种系统分别进行分析,核算出系统所需主要设备的技术性参数,最后对3种外冷系统进行经济性分析;最终经过比较,得出空冷器与冷却塔串联的冷却系统方案设备能耗相对较小,运行维护简单,现场应用经验丰富,经济性好,哈密换流站外冷系统优先选用此种冷却系统方案。     

特高压换流阀内冷却系统对电压分布的影响

特高压换流阀是直流输电系统的核心设备,在其运行及试验过程中,会承受很高的直流电压应力。在电压应力下换流阀组件电压分布受冷却系统的影响较大。为改善阀内电压分布均匀性,根据换流阀的冷却系统参数对阀内冷却介质的电阻值进行计算,采用EMTDC软件仿真研究了不同电阻值对阀内电压分布的影响,得到阀组件在直流电压工况下的电压分布不均匀系数,对换流阀塔进行直流耐压试验,验证了仿真结果的可靠性。根据仿真、试验结果提出了换流阀冷却系统结构的改进方案,对改进后的阀塔进行仿真和试验,结果显示电压分布均匀性有明显改善。     

蒸发冷却技术在大功率整流装置中的应用

介绍蒸发冷却技术在大功率整流装置中的应用,针对三峡700MW水轮发电机模型实验台所需的大功率直流电源,搭建壁挂式蒸发冷却三相不可控整流装置,测取大功率电力电子器件壳温随负荷的变化规律,计算大功率电子电子器件与介质间的热阻,并与国家标准中电力电子器件采用水冷方式的相关参数进行比较。由于蒸发冷却技术利用汽化潜热传热,与水冷采用单相液体传热相比,具有更高的换热系数,使大功率电力电子器件与环境间的热阻更小。对蒸发冷却散热器的仿真验证了仿真结果与实验测量结果的一致。研究表明,蒸发冷却技术应用于大功率整流装置中,具有可靠性高、噪声低、体积小、绝缘性好、冷却效率高等优越性。     

直流换流阀单元模块蒸发冷却系统的仿真分析与试验

对直流换流阀的发热问题和目前主流的水冷技术存在的缺陷进行研究,提出采用蒸发冷却技术用于直流换流阀单元模块的冷却。针对由5英寸晶闸管集成的直流换流阀单元模块,设计包含贴壁式蒸发器、集气管、回液管和冷凝器等组成的蒸发冷却系统。建立单元模块蒸发冷却的仿真分析模型,得到不同功率工况下晶闸管表面的温度分布情况。试验数据与仿真结果误差在8%以内,验证了计算和试验的准确性。研究表明,蒸发冷却技术的应用使得晶闸管的温度分布更加均匀,冷却余量增大,可保障直流换流阀单元模块的载流能力,这将为直流换流站采用蒸发冷却系统提供分析和设计依据。     

换流站阀冷却系统可靠性分析与评估

近年来换流阀冷却系统频繁故障导致直流系统单双极闭锁,其可靠性对跨区电网的稳定运行影响非常大,然而相关文献对高压直流输电系统进行可靠性评估时,凡涉及到阀冷却系统均以故障忽略不计为参数假设进行研究,与工程实际情况有一定的偏差。文中结合了故障树(FTA)法,根据系统抽样样本的统计特征来获得系统的可靠性参数,建立了换流阀冷却系统可靠性模型,为决策者提供基础数据支撑。     

柴达木换流站阀冷却系统运行分析

换流站阀冷却系统用于换流阀冷却降温,由于格尔木高海拔因素和日夜温差变化,阀冷却系统应防止结温过高导致换流阀晶闸管击穿。通过分析柴达木换流站阀冷却系统控制过程和运行工况,判断其是否符合设计要求,能否满足降温需求。     

直流输电系统逆阻型IGCT换流阀研究

换相失败是基于晶闸管换流阀的高压直流（HVDC）输电系统常见故障,严重威胁电网安全运行。为有效解决换相失败难题,此处从电力电子器件的基本特性出发,提出了基于逆阻型集成门极换流晶闸管（IGCT）换流阀的换相失败抑制方法和直流输电系统拓扑方案。搭建了系统仿真模型,对比研究了在直流系统逆变侧出现换相失败故障后,采用晶闸管换流阀和逆阻型IGCT换流阀对直流系统的影响情况。仿真结果表明,逆阻型IGCT换流阀对换相失败故障的抑制效果良好。根据目前IGCT器件的研制水平,设计了逆阻型IGCT换流阀,并提出了控制逻辑。基于研究成果,进行了逆阻型IGCT换流阀样机研制。为验证样机性能,搭建了合成试验回路系统,开展了逆阻型IGCT换流阀的通流试验和电流关断试验,试验结果证明IGCT换流阀的设计和研制满足要求。研究结果可为以后直流输电工程的系统研究和换流站关键设备设计提供参考。     

特高压换流阀冷却系统配水仿真及试验研究

换流阀阀塔冷却系统配水均匀性是换流阀乃至大电网是否能安全稳定运行的重要影响因素之一。基于某型号换流阀阀塔结构,采用三维仿真计算及试验测试结合的方法,对其冷却系统各支路流量分配情况进行了分析,结果表明:不同进口总流量下,流量分布规律较一致;在设计流量下,各支路流量偏差率及不均匀度可分别控制在5%和3%以内,满足工程使用基本需求;同时,通过对仿真与试验结果进行对比分析,证明了仿真计算方法的准确性,为换流阀等大型水冷式电力一次设备的冷却系统配水问题提供了一种设计验证方法。     

±1100kV/5000A特高压直流输电换流阀非周期触发试验仿真研究与试验验证

换流阀是直流输电工程中的核心设备,除电气设计及结构设计均比较复杂外,电器元件的选择也是核心工作,随着大功率电力电子器件的飞速发展,其技术的先进性和运行的可靠性也得到了大幅度提升,6英寸晶闸管现已在特高压直流输电换流阀上得到了普遍使用。换流阀在挂网运行之前需要对其进行绝缘型式试验,绝缘型式试验是对换流阀的绝缘性能进行全面的考核,文中将对±1 100 kV直流输电换流阀绝缘型式试验中的非周期触发试验进行研究,非周期触发试验是对换流阀考核最为严格和全面的一项试验,旨在考核换流阀在操作冲击电压下通过冲击电流的能力,同时也考核了VCM对换流阀晶闸管器件开通和关断的控制及保护能力。笔者利用PSCAD仿真软件对±1 100 kV换流阀的非周期触发试验进行了仿真分析,分析结果可知,给单阀施加规定的操作冲击电压574.4 kV时,单阀通过冲击电流的能力约为6 045 A,并得到试验验证。     

高压直流输电换流阀过负荷能力计算方法

作为高压直流输电系统的核心设备之一,换流阀的安全与否直接关系到整个系统的可靠性。由于某种原因需直流输电系统过负荷运行时,应保证各设备的安全可靠运行,由换流阀的安全极限所决定的过负荷限值即为换流阀的过负荷能力。文中先讨论了影响换流阀过负荷能力的主要因素,再根据晶闸管结温和阀冷却系统冷却容量两个方面对阀的过负荷能力计算方法进行了研究,并对南方电网所辖的高肇直流输电工程中阀的过负荷能力进行了计算。     

大功率电力电子装置冷却系统的原理与应用

大功率电力电子器件在工作过程中将产生很大的热量，因此其冷却问题是关系到装置性能和可靠性的一个至关重要的问题，文中详细讨论国内外现在广泛采用的几种不同类型冷却系统的结构、原理和优缺点。国内外的经验表明，封闭式循环水冷却系统是目前高压大功率电力电子装置冷却方式中优势最为明显，应用前景最好的一种。     

高温超导电机转子冷却技术的研究

本文针对高温超导电机关键技术之一的转子冷却技术,从旋转管道流动和池沸腾的基本理论出发,对现有的集中式旋转热管、浸泡式冷却方式和三种新型的冷却方式即:分布式旋转热管、分层开放式蒸发冷却和旋转管道蒸发冷却,总结并建立了分别适用于这些转子冷却方式的沸腾换热模型;另外对于旋转管道蒸发冷却的流体动力学问题,参照静止两相流流动阻力的计算模型来分析这种冷却方式的流动阻力。在模型计算、载荷和漏热等边界条件基础上,采用ANSYS温度场静态计算模块对各种冷却方式进行了仿真,得到各种工况的温度分布。建立了一台能实现五种高温超导电机冷却方式的综合性实验平台,对五种冷却方式进行了详细的换热和流动的实验研究,从温升和分布均匀度而言,浸泡式冷却的效果最好,其他几种方式次之。同时对比实验数据与仿真结果,表明理论模型能较为准确地预测实验结果。     

蒸发冷却电机中汽液两相沿程摩擦阻力的研究

该文旨在提高蒸发冷却电机中冷却介质两相流动的沿程摩擦阻力的计算精度。用5种计算方法(2种均相模型计算方法,L-M方法,Chisholm方法和Friedel方法)计算冷却介质两相流动的摩阻放大倍数和沿程摩擦阻力;以李家峡400兆瓦蒸发冷却电机为参照,搭建起两相流实验台,在0.146～0.152MPa压力范围内对冷却介质的两相流动进行了实验研究。在2.59、3.45、4.3g/s3种流量条件下比较实验数据与计算结果后发现,基于分相模型的L-M方法对放大倍数和沿程摩擦阻力的预测结果最准确,最大误差不超过15%,根据冷却介质的流量修正系数C后,计算精度大大提高,误差不超过6%。这说明修正后的L-M方法可以应用于蒸发冷却电机的设计计算,为冷却系统的循环计算奠定了理论基础。     

蒸发冷却技术在高频大功率变压器中的应用研究

电力系统电力电子设备能耗日益提升,对电力电子变换器的高频大功率变压器功率密度提出更高要求,对大功率变压器的散热提出了更大挑战.以电力电子变压器产品为例,建立170 kVA高频大功率变压器模型,明确了常规风冷散热方式下变压器温升过高的关键问题,设计U型蒸发器为换热元件,利用常温自循环蒸发冷却实现变压器的良好散热,分析了变压器系统的传热过程.根据U型蒸发器的散热功率,仿真验证了引入U型蒸发器后,变压器磁芯的散热问题得到解决.整个蒸发器内部温度分布较为均匀,验证了蒸发冷却中相变过程的均温性.最后,给出了电力电子变压器样机实验结果,验证了蒸发冷却变压器散热效果.     

三峡至常州±500kV高压直流输电用晶闸管阀技术特点

介绍了三峡至常州±500kV高压直流输电用晶闸管阀体结构;并从电力电子器件、晶闸管控制单元、晶闸管模块、电抗器、冷却系统和绝缘防火结构等几方面,分析了瑞士ABB公司提供的高压晶闸管阀技术特点,以及高压换流阀技术发展趋势。     

蒸发冷却换流阀系统余热利用可行性研究

针对换流阀的结构特点及发热功率的大小,采用电阻加热块模拟换流阀发热,建立换流阀蒸发冷却系统实验平台,对不同功率热负荷下的余热情况进行探索。研究表明:不同功率热负荷下,液盒出口温度稳定在55℃左右,具有较高的回收利用价值,并据此提出了采用溴化锂制冷机耦合蒸发冷却系统的余热回收技术方案,建立余热回收系统仿真计算模型。结果表明,系统综合利用效率为60%,年供冷量达430 GJ,并且具有巨大的节能减排效益,该技术应用前景广阔。