应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统及控制方法技术方案

应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统及控制方法，系统包括冷却介质驱动模块、风冷热交换器、水冷热交换器；系统启动时，先启动冷却介质驱动模块，从起点时刻起，延迟预设的流动时间后，以当前时刻大功率电力电子设备换热器入口端的冷却介质温度，依次启动风冷热交换器与水冷热交换器，或仅启动风冷热交换器；系统停止时，先根据大功率电力电子设备换热器入口端的冷却介质温度停止水冷热交换器，再根据大功率电力电子设备换热器入口端和出口端的冷却介质温度停止风冷热交换器。本发明专利技术针对极端气候条件及干旱缺水地区大功率电力电子装置的冷却，解决极端高低温、大温差及联合冷却模式下的应用和控制问题，提高了系统可靠性和环境适应性。靠性和环境适应性。靠性和环境适应性。

【技术实现步骤摘要】
应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统及控制方法


[0001][0002]本专利技术涉及电力电子器件的冷却装置及其控制方法的
，更具体地，涉及应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统及控制方法。

技术介绍

[0003]直流输电换流阀、柔性直流换流阀、高压变频器、大功率无功补偿装置等大功率电力电子设备，具备功率密度高、热损耗大，对冷却介质的绝缘要求高的特点，而冷却系统的稳定可靠关系着这些大功率电力电子设备的运行安全，因此，需要对大功率电力电子器件的冷却系统进行研究。
[0004]现有技术中，大功率电力电子设备冷却系统的外部散热，主要采用以空气冷却器为主体的风冷系统，和以闭式冷却塔或开式冷却塔为主体的水冷系统。风冷系统，主要依靠冷空气吹过翅片进行散热，因此冷却后的水温会高于空气温度，当应用在极端高温环境下时，面临大功率电力电子设备水温要求为比最高环温还低，单独使用风冷将无法满足换热要求；为了避免风冷系统在极端高温环境下的弊端，提出采用水冷，虽然在面对极端高温环境时，水冷系统可以满足散热要求，但是，在极端高温环境下的地区往往也存在水资源缺乏的问题，而冷却塔耗水量大，这些高温且水匮乏的地区是无法提供稳定、可靠的水源的。因此，在这些地区使用的大功率电力电子设备的冷却系统的稳定可靠运行成为研究的重点。
[0005]现有技术1(CN 205265542 U)“一种换流阀外冷却系统”，包括空冷器、水冷塔、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀；空冷器和水冷塔通过管路串联后连接在换流阀两端作为换流阀外冷却回路，外冷却回路中还设置有与水冷塔并联的第二支路，第二电磁阀安装在第二支路上，第一电磁阀和第三电磁阀分别安装在水冷塔的出水端和进水端管路上；根据环境温度及换流阀冷却负荷(换流容量)通过电磁阀调整空冷器和水冷塔运行方式，适用于“干旱缺水、夏季酷热、冬季严寒”地区换流站工程的空冷器串联闭式水冷塔的冷却方式，耗水量小，能有效解决换流站选址时水源的困扰；运行方式灵活，能有效满足夏季极端高温时换流阀冷却负荷要求；冬季防冻措施简单。但现有技术1中，随着换流站建设规模的增大，空冷器和水冷塔的占地面积也不断增大，造成对土地资源的浪费；此外，更重要的是现有技术1中的冷却系统，根据环境温度及换流阀冷却负荷(换流容量)通过电磁阀调整空冷器和水冷塔运行方式，电磁阀的工作原理决定其工作的可靠性差，故障率高，在电磁阀进行切换操作时，会造成冷却系统的流量和压力的波动，导致冷却介质温度的波动，无法满足电力电子设备的恒温冷却。
[0006]现有技术2(CN 104409122 B)“适用于严重缺水地区核电站的模块化表面式间接空冷系统”，包括依次连接的第一回路、第二回路和第三回路；第一回路是由反应堆、主泵、蒸汽发生器组成的回路；第二回路是由蒸汽发生器、给水泵、凝汽器以及汽轮机组成的回路；第三回路包括凝汽器、分别与凝汽器相连的高温主流管和低温主流管、设在高温主流管和低温主流管之间的一组模块式空冷系统以及设在低温主流管上的循环水泵。现有技术2
具有良好的经济型，可以充分利用地区地形优势，施工简单，建设费用低，初投资少，后期维护方便，省去了大型冷却塔因不可抗力而对整个核电站的影响以及节省了建立大型冷却塔的成本。现有技术2通过模块化设计和沿着管路敷设空冷系统，取消了水冷系统，适用于缺水地区，但是该冷却系统需要与工程项目因地制宜，因此技术方案的使用场合不包括各种大功率电力电子设备；而且采用的空冷系统无法解决极端低温的问题；进入大功率电子电子器件的冷却介质温度不能低于10℃，在极端低温下，容易导致器件凝露，影响器件绝缘。
[0007]现有技术3(CN 111379524 B)“一种缺水环境下气体冷却及排渣的反井钻进装备和工艺”，反井钻机液压控制系统的回油总管与风冷冷却器的高温液压油入口流体导通，风冷冷却器的低温液压油出口与液压油油箱的回油口流体导通；空气压缩机的出气口排出的冷空气进入到钻头的下方；反井导孔钻进时采用高压压缩空气洗井提升井底钻具产生的破碎岩渣，反井扩孔钻进时采用高压压缩空气进行扩孔钻头滚刀的冷却。本专利技术可以在不需要清洁水源的情况下解决散热问题，能够实现反井钻进液压油和扩孔钻头滚刀的有效冷却以及导孔钻进岩渣的有效收集排放。现有技术3在风冷系统基础上仅使用压缩空气进行冷却降温，取消了水冷系统，适用于缺水地区，但是压缩空气机在冷却工作中对于能耗要求高，运行成本高，而且大功率电力电子器件的功率密度高，采用压缩空气或空气无法实现冷却，无法使用大功率电力电子器件正常工作。直接采用风冷换热时，由于夏季空气温度高，无法将冷却介质冷却到大功率电力电子器件所需温度。
[0008]现有技术4(CN 107976088 A)“一种闭式循环水冷却工艺与装置”，采用逆流、顺流和湍流气化喷雾水滴的方式，对冷却空气进行降温，实现闭式循环水冷却，降低水资源消耗75％以上。但现有技术4中，冷却装置和管路的防腐蚀要求显著提高，设备造价高。喷雾水滴的形式会导致风冷换热器换热翅片结垢，长期使用会降低风冷换热器效率。喷雾水滴的方法与水冷换热器相比，喷雾降温是降低空气温度，与水冷换热器通过蒸发直接降低盘管内的冷却水相比，效率低，耗水量更大。
[0009]更重要的是，大功率电力电子设备对运行温度的要求十分严格，冷却介质温度的波动，尤其是冷却系统启动阶段和停止阶段的冷却介质波动极大，这会给大功率电力电子设备中的电力电气开关、电容器等关键性器件的运行造成不可挽回的影响，现有技术中为避免冷却介质温度的波动，往往采取频繁热交换器启停控制，对于大负荷状态下，这样频繁的启停控制，会给热交换器的性能造成极大的冲击，从而降低冷却系统的运行可靠性和经济性。
[0010]此外，大功率电力电子设备对冷却介质的绝缘要求高，目前比较成熟的冷却介质是采用极低电导率的去离子水或去离子水加一定比例的防冻剂。
[0011]因此，需要研究一种应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统及控制方法，削弱冷却介质温度的波动，同时解决系统在极端高温、极端低温及水源缺乏地区的冷却问题。

技术实现思路

[0012]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统及控制方法，针对极端气候条件及干旱缺水地区的大功率电力电子装置进行了冷却系统的设计和控制方法的设计，解决了极端高温、极端低温、大温差及联合
冷却模式下的应用和控制问题，提高了系统可靠性和环境适应性。
[0013]本专利技术采用如下的技术方案。
[0014]本专利技术一方面还提出应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，冷却系统的入口端与大功率电力电子设备换热器的出口端连接，冷却系统的出口端与大功率电力电子设备换热器的入口端连接；冷却系统包括风冷热交换器和水冷热交换器，风冷热交换器的入口端与大功率电力电子设备换热器的出口端连接，风冷热交换器的出口端与水冷热交换器的入口端连接，水冷热交换器出口端与大功率电力电子设备换热器的入口端连接。
[0015]冷却系统包括：冷却介质驱动模块；冷却介质驱动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，冷却系统的入口端与大功率电力电子设备换热器(22)的出口端连接，冷却系统的出口端与大功率电力电子设备换热器(22)的入口端连接；冷却系统包括风冷热交换器(3)和水冷热交换器(6)，风冷热交换器(3)的入口端与大功率电力电子设备换热器(22)的出口端连接，风冷热交换器(3)的出口端与水冷热交换器(6)的入口端连接，水冷热交换器(6)出口端与大功率电力电子设备换热器(22)的入口端连接；其特征在于，冷却系统包括：冷却介质驱动模块；冷却介质驱动模块，用于驱动滤除气体后的冷却介质进入风冷热交换器(3)，还用于将冷却介质到达风冷热交换器(3)入口端的时刻记为起点时刻，将冷却介质到达风冷热交换器(3)入口端的流量记为起点流量；冷却系统启动时，先启动冷却介质驱动模块后，从起点时刻起，延迟预设的流动时间后，以当前时刻大功率电力电子设备换热器(22)入口端的冷却介质温度，依次启动风冷热交换器(3)与水冷热交换器(6)，或者仅启动风冷热交换器(3)；其中，仅启动风冷热交换器(3)时，预设的流动时间是第一流动时间；第一流动时间，是根据起点流量，折算得到的冷却介质从风冷热交换器(3)入口端，仅流经风冷热交换器(3)后，到达大功率电力电子设备换热器(22)入口端的时长；依次启动风冷热交换器(3)与水冷热交换器(6)时，预设的流动时间是第二流动时间；第二流动时间，是根据起点流量，折算得到的冷却介质从风冷热交换器(6)入口端，依次流经风冷热交换器(3)和水冷热交换器(6)后，到达大功率电力电子设备换热器(22)入口端的时长；冷却系统停止时，先根据大功率电力电子设备换热器入口端的冷却介质温度停止水冷热交换器(6)，再根据大功率电力电子设备换热器出口端和入口端的冷却介质温度停止风冷热交换器(3)。2.根据权利要求1所述的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，其特征在于，冷却系统包括：风冷热交换器(3)，水冷热交换器(6)和旁路阀门(11)；其中，水冷热交换器(6)与旁路阀门(11)并联连接；旁路阀门(11)的一端连接风冷热交换器(3)的出口端，旁路阀门(11)的另一端连接大功率电力电子设备换热器(22)的入口端；旁路阀门(11)处于常闭状态，即正常工况下，风冷热交换器(3)和水冷热交换器(6)串联连接；当水冷热交换器(6)不工作时，旁路阀门(11)打开。3.根据权利要求2所述的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，其特征在于，风冷热交换器(3)包括并联连接的变频风机(4a)和工频风机(4b)；其中，变频风机(4a)的组数不小于风冷热交换器(3)中风机组数的25％；每组变频风机(4a)中的变频风机数量不小于每组工频风机(4b)中的工频风机数量；水冷热交换器(6)包括变频风机(7)，喷淋泵(8)，换热盘管；其中，正常工况下，风冷热交换器(3)和换热盘管串联连接。4.根据权利要求1至3中任一项所述的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，其特征在于，冷却介质驱动模块的入口端与大功率电力电子设备换热器(22)的出口端连接，冷却介质驱动模块的出口端与风冷热交换器(3)的入口端连接；冷却介质驱动模块包括：主泵(1)，脱气装置(28)，流量计和计时器；主泵(1)通电运行后，冷却介质进入脱气装置(28)，冷却介质在脱气装置(28)中滤除气
体；滤除气体后的冷却介质从冷却介质驱动模块的出口端输出；计时器将冷却介质到达风冷热交换器(3)入口端的时刻记为起点时刻，流量计将冷却介质到达风冷热交换器(3)入口端的流量记为起点流量；并且，起点时刻和起点流量均上传至冷却系统中的控制装置(23)。5.根据权利要求1所述的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，其特征在于，大功率电力电子设备换热器(22)的出口端分别安装第一温度传感器(29a)，第一电导率传感器(33)和第一流量传感器(21)；大功率电力电子设备换热器(22)的入口端分别安装第二温度传感器(29b)、第二流量传感器(30)、压力传感器(31)、第二电导率传感器(32)；其中，第一温度传感器(29a)用于检测大功率电力电子设备换热器出口端的冷却介质温度并上传至冷却系统中的控制装置(23)；第二温度传感器(29b)用于检测大功率电力电子设备换热器入口端的冷却介质温度并上传至冷却系统中的控制装置(23)；第一流量传感器(21)用于检测净化离子态杂质后的冷却介质流量并上传至冷却系统中的控制装置(23)；第二流量传感器(30)用于检测大功率电力电子设备换热器入口端的冷却介质流量并上传至冷却系统中的控制装置(23)；第一电导率传感器(33)用于检测大功率电力电子设备换热器出口端的冷却介质电导率并上传至冷却系统中的控制装置(23)；第二电导率传感器(32)用于检测大功率电力电子设备换热器入口端的冷却介质电导率并上传至冷却系统中的控制装置(23)；压力传感器(31)用于检测大功率电力电子设备换热器入口端的冷却介质压力并上传至冷却系统中的控制装置(23)；控制装置(23)中，对冷却介质温度、流量、压力和电导率进行判断，当任一项参数不能满足大功率电力电子设备的要求值时，控制装置发出预警，并进行控制调节。6.根据权利要求5中所述的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，其特征在于，控制装置(23)还包括：第一PID控制模块，第二PID控制模块；其中，第一PID控制模块，用于控制风冷热交换器(3)中的变频风机(4a)的运行频率；第二PID控制模块，用于控制水冷热交换器(6)中的变频风机(7)的运行频率；其中，运行频率的控制包括：升高频率和降低频率。7.根据权利要求1至3中任一项所述的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，其特征在于，冷却系统还包括：加热装置(24)，第一保温管路(27a)，第二保温管路(27b)，防冻棚(25)和暖风机(26)；加热装置(24)的入口端与冷却介质驱动模块的出口端连接；加热装置(24)的出口端经由第一保温管路(27a)与风冷热交换器(3)的入口端连接；水冷热交换器(6)的出口端布置有第二保温管路(27b)；风冷热交换器(3)和水冷热交换器(6)均布置在防冻棚(25)内，防冻棚(25)内还设置有暖风机(26)。8.根据权利要求1至3中任一项所述的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统，其特征在于，
冷却系统还包括：离子交换器(16)，膨胀缓冲罐(19)，氮气瓶(20)；离子交换器，用于净化冷却介质中的离子态杂质，使得冷却介质电导率小于0.3μS/cm；膨胀缓冲罐，用于缓冲冷却系统中冷却介质因温度变化导致体积变化后产生的压力波动；氮气瓶，用于当膨胀缓冲罐的压力低于工作压力时，向膨胀缓冲罐补充氮气，保证膨胀缓冲罐压力平衡。9.适用于权利要求1至8中任一项所述的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统的应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：步骤1，主泵通电，启动冷却介质驱动模块；步骤2，在t0时刻，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质运行温度T0；当大功率电力电子换热器入口端的冷却介质运行温度T0大于风冷热交换器的启动温度T
Fon
时，风冷热交换器和水冷热交换器均进入启动状态；步骤3，冷却介质驱动模块采集冷却介质到达风冷热交换器入口端的时间和流量，分别记为起点时刻t1和起点流量Q1；起点时刻t1和起点流量Q1上传至控制装置；步骤4，延迟第一流动时间τ1后，在t1+τ1时刻，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：关胜利，崔鹏飞，吴安兵，耿曼，张彬，
申请(专利权)人：广州高澜节能技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：