大功率风力发电机机舱能量节能调节系统设计
罗列，刘建炜，杨煜晟，谢英柏
（华北电力大学动力工程系，河北保定071000）
摘要：首先对风力发电机内部元件的发热状态以及特性进行分析，并介绍了目前风力发套循环系统对风力发电机内部温度进行调节的系统，并对其原理和工作方式进行了具体论述， 电机对于机舱内部温度控制的主要措施以及因为温度控制问题出现的事故.提出一种通过两通过和传统温度控制措施的比较，得到本系统在保证温度控制的网时，体现其优越的节能特性.系统节能环保，又有较大的发展前景.
关键词：风力发电机：制冷循环：液冷循环：节能调节
中图分类号：TK89文献标志码：B文章编号：1009-3230（2016）01-0040-05
Turbine Nacelle
LUO Lie LIU Jian wei YANG Yu sheng XIE Ying bai(North China Electric Power University.Baoding 071ooo Hebei Province China)
Abstraet: First this article analyzes the heat status and the characteristics of the intemalponents of wind turbine and describes the current wind turbines for cabin interier temperaturecontrol measures and major accidents occur due to temperature control problems. Proposing a saving energy system which adjust the intemal temperature of wind turbines by two circulatory systems andit is specifically address to its principles and working methods. By pared with conventionaltemperature control measures we know the system ensure control temperature and reflects itspeotection as well s has greater prospects for develpment. superior energy - saving features at the same time. System energy saving and envirommental
Key words: Wind turbine; Refrigeration circulation; Water cooling circulation; Energy saving
率至少为15kW，由于发热电阻加风扇对机舱温 小型风力发电机（180kW）其发热电阻加风扇的功度调节能力有限，所以需要投入大量的能量在温度控制上.本系统为一套压缩机配合工质的双循环液冷系统，能量调节效率较高，对机舱能量控制力较强，所需要的能量较低，可达到节能效果.
早10
我国风电发展迅速，随着其单机容量增大的同时对散热也提出了较高要求.而风能资源主要集 中在三北地区和东南沿海，三北地区温度较低、冬天尤为寒冷.为保证风力发电机组正常稳定工作不仅要考虑通风散热，还要考虑冬季低温时的空气调节，如果忽视机舱温度的调节将会带来严重的灾难性事故.目前对于风力发电机内部温度控制往往采取发热电阻配风扇的方式进行温度控制，对于
1风力发电机组
风能是一种可再生的清洁能源.相比于消耗燃煤的火力发电，人们对风力发电技术更加青.近些年来，国内风电装机容量迅猛增加，风电技术快速发展.随着风电技术的发展，风力发电机单
机容量不断增大，机舱散热要求不断提高，现有的冷却系统难以满足未来更大容量的风力发电机组.
1.1风力发电机工作原理
风力发电机是一种将风能转换为机械能的动力机械，主要由机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、发电机、变频控制柜、液压系统、冷却元件、塔和风速计风向标等部件构成.风力发电技术是利用风力带动风力发电机叶片旋转，再通过增速机将高转矩转化为高转速，来促使风力发电机发便可以开始发电. 电.按目前风力发电技术，只要风速大于3m/s，
1.2风力发电机机组的产热元件
在风力发电机运行的过程中，风力发电机的齿轮箱、发电机和变频控制柜等部件都会产生大量的热量，如果不加以控制，其发热量超过限度将会对风机的正常运行造成严重危害.现风力发电机单机容量日益增加，电磁负荷也不断提高，解决机舱温度问题已成为风力发电机进一步向大容量发展的咽喉因素".下面介绍齿轮箱、发电机和变频控制柜发热带来的危害.
1.2.1齿轮箱
齿轮箱在运转过程中，机械传动将会产生热量，导致齿轮箱的油温上升.高温会引起齿轮箱润滑油的性能变化，粘度降低、老化变质加快，换油周期变短.在负荷压力作用下，若润滑油膜遭到破坏而失去润滑作用，会导致齿轮嗮合齿面或轴承表面损伤，最终造成设备事故，并且齿轮箱维修过程复杂，特别是对于海上风机，其维护过程需要多重设备和适合的天气，因此齿轮箱故障导致的停机时间和维护费用在各类故障中最高.齿轮箱的平均工作温度在45~65℃范围内，以算得其运动粘度随温度变化见表1. 美孚MobilSHC75w-90LS型润滑油为例，经计
表1
润滑油运动粘度随温度变化
环猫度/C-40-25-100102540运动粘度(×10m²/s) 22715410887715341
可见运动粘度随温度增大呈指数级减小，在
温度高于40℃时，运动粘度已经低于41×10-6m²/s，若温度继续升高，润滑油运动粘度更低，也将严重影响齿轮箱正常工作.
1.2.2发电机
发电机在工作过程中会产生大量的热，这些热量的主要来源是发电机工作时其内部产生的包括铜损、铁损、励磁损耗和机械损耗的各种损耗.目前提高风力发电机单机容量的主要措施是增加线负荷，但增加线负荷的同时会增加铜损，将导致线圈的温度增加，绝缘老化加剧，发电机正常工作温度在40C和60℃之间，可是往往仅通过传 统风冷方式并无法起到理想的降温效果，严重者铁心温度甚至超过110℃C，发电机温度过高对风机将属于重大安全隐患.
1.2.3变控制柜
控制变频柜包括对系统运行进行实时监控的控制设备以及对发电机转子绕组输人电流与发电机输出电流进行变频处理的变频设备，随着风力发电机的发展，系统的辅助及控制装置越来越多，控制变柜所承担的任务也因此越来越复杂，产生的热量越来越大.逆变ICBT是大功率电机变（7）为150~175°℃，温度过高将会击穿P/N 频控制柜的主回路元器件，其P/N结最高结温结，计算得到变频控制柜工作温度为-5~40℃[，为了保护风力发电机系统各部件长期稳定运行，需要及时对其进行冷却处理.
1.2.4其他发热元件
除了发电机，齿轮箱，控制变频柜以外还有很多部件会产热，从而威胁到了整个系统的长久稳定工作.因此控制内部的温度是保证风力发电机持久可靠运行的必要条件.
1.3风力发电机机组的加热方式
热，而机舱温度在夏季需要降温，冬季需要升温保 因为机舱内发热元件一年四季均需进行散证内部传感器和电路处于正常工作状态，传统的加热设备一般采用”加热电阻风扇”的方式，夏季用风扇进行风冷散热，冬季启动加热电阻加热，其中加热器功率高、耗电量大，降低了整个风力发电机的效率.面且其冷却系统与加热系统被此独
立工作，缺乏统一的调配与控制，机舱中散热元件发出热量直接排到大气外，不能得到有效的利用.且现有的制冷系统采用风冷方式，该方式的制冷效果相比液冷方式要差很多；加热系统采用电阻加热，能耗高，经济性差.面本文所设计的双循环机舱节能调节系统能有效克服原有系统的缺点，节能高效地控制机舱的温度升降.
立，不能进行统一调配.有时二者同时工作，一方面冷却系统将齿轮箱、电机、控制变频器产生的热量散发到机舱外.另一方面加热系统消耗电能为机舱加热，造成能量的浪费.
为了便于说明传统散热方式，先介绍热阻R，由Founrier方程，面积为A长度为的固体两段热量可以由边界条件得到：
2.1系统概述
如图1系统由内循环即液冷循环系统和外循环系统位于发电机机舱外部，主要用于两个 环即制冷循环系统两个系统构成，其中外制冷循情况：
式中：K，为导热系数；A为热流通过的面积：d/dx为温度梯度；-4为固体两端的温差.
高温时，难以通过内循环制冷时，辅助内液冷循环进行制冷.
定义热阻R（摄氏度/千卡/小时）：
低温时，内循环难以维持机舱内空气温度，在对内部空气进行加热后，对内液冷循环进行制冷.
对于横截面积A=Lxb.且有n个平板相登而成的物体，则此物体固体传导的热阻R（摄氏度/瓦特）为：
外制冷循环是由压缩机、循环泵、冷凝器和蒸发器构成的闭合回路：内液冷循环系统由变频控制柜、变频控制柜换热器、发电机、发电机换热器、齿轮箱、齿轮箱换热器、载冷剂换热器（蒸发器）的用于加热舱内空气的双向换热器.其中变频控 和循环泵构成，寒冷条件下还有与一段导管并联制柜、发电机和齿轮箱与各自的换热器串接后，再并接在一起与载冷剂换热器和循环泵接成回路.
式中：C为自身散热补偿常数.
1.3.1传统工作方式举例计算
传统的工作方式即风冷方式，一面是通过机械动力（风扇）形成对流，一面是以空气本身的温差形成对流，两种情况均为平板和空气热交换，由上公式知热阻R在温度和形状固定的情况下为定值.查表得40C时.纯铜：K、=332kK/（hm℃），设L=3m，b=1m，n=30，1=3m计算得R=8×10C/W.从热阻的值可以看出传统风冷方式对于风力发电机，尤其是大型发电机的散 热效果很低，很难起到需求的散热效果.也就是说，现有大功率风力发电机的冷却系统难以满足下一代大容量风力发电机的冷却需求，面且加热系统能耗高，冷却系统与加热系统缺乏统一调配与控制，不能确保风力发电机安全高效运行，因此有必要对目前采用的冷却和加热方式进行优化和改进.
内液冷循环系统中串接有的并联管路和加热换热器的部位，位于变频控制柜换热器、发电机换热器和齿轮箱换热器载冷剂出口端，作用是在冬季机舱温度过低时，同时吸收舱内发热元件的热量，并且在此加热换热器处进行对舱内温度的加热和对管内制冷剂的降温，加热换热器和并联管路设置有电动二通阀用以控制通路开关.其中所使用的加热换热器可考虑翅片管式换热器和辨绕 式换热器.
系统将两个液冷系统结合使用，可在不增加风力发电机体积和重量的前提下满足大功率风力发电机的散热要求.外循环系统通过蒸发器吸收制热工质的热量，实现内外散热系统的协调.内循环系统中的加热换热器可以利用机舱内部件散发的热量来加热机舱内空气，减少加热耗电量.
2双循环机舱节能调节系统设计
目前风力发电机舱的制冷系统与加热系统独
随着环境温度降低，齿轮箱、发电机、变频控制柜放出的热量通过蒸发器外管外表面的翅片传给机舱外空气的量逐渐增大，这时所需外循环对内循环的制冷要求也降低.此外外界环境温度降低，机舱内空气温度也会降低，当机舱内空气温度降至设定额定值以下，机舱内空气也不再需要冷却，这时制冷机停运，即不需要外循环辅助冷却时外循环停止工作.
随着环境温度继续降低，齿轮箱、发电机、变频控制柜放出的热量仍会通过换热器转递给内循环工质，若蒸发器内循环出口传感器检测到工质温度设定值时，则适当降低内循环循环泵转速，此外通过电动二通阀控制使内循环中加热换热器通 道打开，与加热换热器并联的管道关闭，即工质流动时经过加热换热器这时加热换热器吸收内循环工质的热量，热量进人加热换热器后加热机舱内空气.
图1系统简介图
此外，外循环系统还可在配备相应传感器和相应的程序控制之下，能够根据机舱外自然环境变化和机舱内各部件运行情况选择最优运行方式，舱外环境符合条件时，内循环系统还可以通过蒸发器外管上的翅片将发电机、齿轮箱和变频控制柜的热量散发到空气中，实现节能运行.
当环境温度非常低时，加热换热器已经无法满足加热舱内空气使舱内元件处于工作温度范围之内时，则启动蓄电池，加热电阻发热，与助热风扇配合工作，对机舱内空气进行加热，使得机舱内温度达到各个元器件正常工作温度范围.
2.2机舱能量调节系统运行
发电机工作时，风轮叶片旋转，其转速通过转轴传递转矩给齿轮箱进行增速，后与发电机内部转子连接，带动转子切割磁场线产生电势能.此 外为了避免转速引起供电频率的改变，确保满足并网要求，舱内还配备了变频控制柜对供电频率进行自动控制.此过程中齿轮箱、发电机、变频控制柜会产生大量的热量.
3系统公式求解
下面以夏天制冷为例计算模型.
3.1系统传热系数
当温度较高时，制冷循环分别从三个放热元件获得热量，其吸收热量Q满足以下公式：
若自然环境处于较高温状态时，当机舱内温度高于额定值时，齿轮箱、发电机、变频控制柜放热量比较大，外循环开始工作，冷却工质通过压缩机压缩成气态进人冷凝器，在冷凝器内被机舱外空气冷却成液态后进人蒸发器内管，在内管收内管与外管之间流动的内循环工质放出的热量.此时内循环工质降温后经循环泵升压后分别进人齿轮箱换热器、发电机换热器、变频控制柜换热器，吸热温度升高后经电动二通阀回到蒸发器，工质 在蒸发器内管与外管间流动，既可以通过内管壁面通过外循环工质进行降温，还可以通过蒸发器外管壁面翅片进行空冷，从而一定程度上降低了制冷负荷，达到节能目的.
式中：k，为热量吸收比，即工质分别从三个换热器处得到的热量，一般取0.9；其中Q、Q、Q分别 为工质从发电机、齿轮箱和变频控制柜吸收的热量.
（1）工质从发电机吸收的热量Q
单位时间内循环工质从发电机吸收的热量按下式计算：
(2）工质从齿轮箱吸收的热量Q2
运行在额定温度范围.
（3）工质从变频控制柜吸收的热量Q
（3）本系统将制冷与加热装置有机地结合在式：F，为发电机换热系数；F为齿轮箱换热系数：一起，具有冷却能力强，制冷和加热能耗相对传统
F为变频控制柜换热系数；k.为发热元件外壳与方式较低等特点，能够确保大功率风力发电机安制冷剂换热系数（n=1 2.3）；为发电机内温度；全高效地运行.为齿轮箱内温度；t为变频控制柜内温度；为制冷剂温度.
（4）本系统在寒冷环境下运行时，能够充分利用发电机等发热元件散发出的热量对机舱进行加热，达到节能减排的效果.
3.2制冷循环电能消耗量
参考文献
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式中：P为外制冷循环电功率；k为制冷循环制冷系数.
4节能性分析
体吸收热量，可直接从发热元件内部获得热量，相 由模型分析及推倒公式可知，本系统通过液比于传统风冷方式而言，传统方式更依赖大功率的风扇转动导致的金属表面的降温，不仅效率低下面且难以对元件核心内部温度有直接调节.而本系统通过换热器与制冷工质在导管内流动，属于与发热元件发热处直接对流换热，由于换热率高可以大幅度吸收热量，此外，在低温时直接放热到机舱加热舱内空气，高温时通过外压缩机制冷循环，在蒸发器处于外管散热给外空气，于内管与制冷循环的制冷工质进行热交换.在考虑散热总能量一定的情况下，相比于传统散热方式，本系统 由于可将一部分散热能量用于加热舱内空气，不仅需要电制冷的能量较少，面且效率相比于传统的散热方式要高很多，由此可知本系统的确为降低了能耗，可以满足现在及未来风力发电机的散热要求.
5结束语
大功率风力发电机机舱能量节能调节系统设计符合节能减排的要求，且能够满足未来更大容量的风力发电机的冷却需求.
（1）传统的”电阻加风扇”机舱温度调控方式不仅能耗高，而且调温效果不是很理想，不能满足大容量机组的散热需求.
交换，换热效果好、效率高，能够确保大容量机组 （2）本系统通过两套独立的子系统进行热量
