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    • 鲁西换流站柔直阀控系统脉冲分配屏散热风道优化设计方法

        柔性直流输电(以下简称“柔直”)又称基于电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)的高压直流(VSC-HVDC),是近年来发展起来的一种新型直流输电技术,也是中国重点发展的智能电网领域。柔性直流输电在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市配网供电、异步电网互多端直流输电等方面具有极大的技术应用优势[1]。2001年德国学者R.Marquardt提出模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),具有模块化结构、效率高、谐波小以及可靠性高等诸多优点,特别适合应用于柔性高压直流输电场合[2]。近年国家电网公司和中国南网电网公司在国内建设了多个柔性高压直流输电工程,均采用了MMC电路拓扑[3]。

        

        基于MMC的柔直系统主要由换流阀和阀控系统构成,MMC的每个桥臂由大量的子模块级联构成,每个子模块又通过一对上下行光纤与阀控系统脉冲分配屏通信,这使得脉冲分配屏的子模块链接板数量庞大,其在运行时会产生大量热量。本文基于鲁西换流站换流单元三脉冲分配屏散热问题介绍了一种脉冲分配屏散热优化方案,在保证不改变现有标准屏柜结构下通过增加导流板的方式来改善屏柜散热问题,并通过借助计算机热仿真分析对比优化前后的结果,最后通过现场实施与持续跟踪验证本文提出的优化方案的有效性,对提高柔直系统运行的可靠性和经济性带来宝贵经验。

        

        1 脉冲分配屏介绍

        

        1.1 脉冲分配屏的功能

        

        脉冲分配屏(以下简称“VGC”)的作用是接收上层VCMI屏柜的控制保护命令,同时向上层VCMI屏柜反馈换流阀的故障信息;向下层功率模块控制器PMC发送控制命令,同时接收功率模块(模块化多电平换流器MMC的子模块)的状态和保护信息。鲁西换流站阀控系统一共有6面VGC屏柜,分别为VGC-AU、VGC-AL、VGC-BU、VGC-BL、VGC-CU和VGC-CL,对应于A、B、C三相桥臂的上、下桥臂。

        

        1.2 功能配置

        

        VGC是柔性直流输电系统的控制器和功率模块的枢纽。每面VGC屏柜中有三个配置结构相同的VGC机箱,VGC机箱主要包括2块电源板、1块VGCB板和13块LB板。其中两块冗余电源板分别接入两路48V直流电源,经两组冗余开关电源对机箱内其它板卡供电。VGC屏柜主要实现以下功能:

        

        将上层阀控VCMI屏柜中控制器的触发脉冲下发给换流阀主回路中各个功率模块的PMC板,同时将各功率模块的状态反馈给上层阀控控制器;VGC屏柜中的VGCB板直接与上层VCMI屏柜中的ACB板通信,接收ACB板的控制指令和数据,然后通过背板下发给同一机箱的所有LB板;VGC屏柜中的VGCB板收集背板上LB板发送给它的信息并上传给上层VCMI屏柜中的ACB板;VGC屏柜中的VGCB板接收同步信号,为VGC机箱提供时间基准;VGC屏柜中的LB板接收VGCB板的数据,并根据每个功率单元的情况处理完数据后将触发脉冲发送给具体功率模块上的PMC板;VGC屏柜中的LB板接收各功率模块的直流电压和故障状态,并上传给同一机箱的VGCB板,最终将这些信息全部上传至上层控制器。

        

        1.3 技术参数

        

        电气参数:采用标准IEC 60664-1,额定电压220VAC,输入范围100~240VAC,输出纹波50mV,掉电保持时间12ms,控制箱防护等级、尺寸IP20 7U,双电源热备;机械机构:屏体外形尺寸800×600×2260mm(W×D×H),屏体颜色RAL7032,自然散热,装置重量230kg,污秽等级为户内,防护等级IP30,能承受严酷等级1级的振动响应检验;环境条件:工作温度范围-10~55℃,存储温度范围-40~70℃,在极限值下不施加激励量,装置不出现不可逆变化,温度恢复后装置能正常工作。最湿月的月平均最大相对湿度为90%,同时该月的月平均最低温度为25℃且表面无凝露,最高温度为40℃时平均最大相对湿度不大于50%。大气压力80~110kPa(相对海拔高度2km及以下)。

        

        1.4 运行环境分析

        

        温度检测。对阀控运行环境温度进行了测量,包括阀控室门口、阀控屏柜进风口、阀控VGC机箱前面板、阀控VGC机箱后面板、阀控屏柜出风口,其现场测量数据为:柔直控保室门口温度为26.7度、阀控屏柜进风口温度为31.6度、出风口温度为39.1度。由于柔直控保室为密闭空间,而阀控机柜在柔直控保室最内侧其温度最高,其内部VGC机箱运行环境温度大于39.1度。

        

        仿真分析。屏内主要发热装置功率参数:机箱1~3均为100W,电源74W,仿真结果如图2、图3。根据温度云图[4]和风道示意图可知,屏内热空气由下往上运动,会形成累积,导致上层机箱进风的空气温度较高。

        

        2 优化方案

        

        方案描述:为了提高柜内气体流动效率,在后门下部加装过滤器风扇,与上部风扇形成下进(向内吹风)上出(向外抽风)的气流循环,并在机箱间加装导流板以改善最上方机箱进风温度。

        

        柜内发热量和所需通风量计算公式V=3.1×(PD)/ɅT[m3/h],其中V[m3/h]为过滤风扇风量;PD[Watt]为发热量,机柜内元件产生的热量;ɅT为周围环境和机柜的温差;V1为仅装过滤棉和百叶窗的风机(自由风量);V2为符合系统防护等级并装有排气过滤器。

        

        计算取值:△T以柜内温度控制在35℃计算,环境温度为25℃,△T=10℃;机柜现有风扇为威图SK3325107,风扇自由通风量=230m³/h,组合通风量=170m³/h,因为配合过滤器使用所以取值为组合风量170m³/h;考虑到机柜内部空间已不能改变,所以改造后选用薄型过滤器风扇,自由通风量为391m³/h,组合通风量=340 m³/h,配合过滤器风扇所以取值为340m³/h。则计算结果为:原方案为过滤器(百叶窗)+过滤器风扇,3.1×PD/10=170,散热功率PD=170×10/3.1=548W;改造后为过滤器风扇+过滤器风扇,3.1×PD/10=340,散热功率PD=340×10/3.1=1097W。

        

        为更进一步验证此方案的实际效果,在对现场屏柜进行导流板安装改造后进行了温度检测,自改造后脉冲分配屏连续两年长期运行稳定,未出现LVDS通信故障。

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