隨著風力發電技術的不斷發展，風電機組容量的迅速兆瓦化，其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件的散熱問題變得越來越嚴重。本文利用計算流體力學(CFD)軟件，采用有限體積法，以置入于固定空間的散熱元器件進行通風散熱數值模擬，建立了不同的通風冷卻方案，通過對各個方案的溫度和速度場分布來確定最佳通風散熱技術方案。計算結果表明，CFD軟件能較好的模擬房間的速度和溫度分布，為風電工程實施和電氣系統的安全與防護起到了一定的指導作用。
0 引言
隨著社會各界對新能源需求的日益提高，風力發電在新能源中所占的比重也在不斷加大。但是在風電工程的項目建設中存在各式各樣的問題，風電機組配件散熱就是其中的關鍵問題之一，特別是主要發熱元件電抗器的散熱問題，散熱不好將會嚴重地影響到電子器件的性能、可靠性和使用壽命[1]。因此，客觀、準確地進行散熱分析是促進風電工程規模化發展、大型風電場建設的重要前提和保障。
本文以新疆華冉風電項目為例，利用計算流體力學(CFD)軟件，對放置風力發電機組其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件房間入口和出口布局的不同方案進行數值模擬，得到了的速度分布和溫度分布情況，并確定最后的優化方案，得出的結論對風電工程的實施具有實際指導意義。
1 實際問題的提出
本文以設計院設計的彩板房內電氣設備布局為基礎，技術人員在其基礎上對房間內部電子元器件的通風形式進行布置，具體設計方案為：進風采用扁平風道彎頭式進風，出口均采用在墻壁上安裝軸流風機進行排風，設定進、出風口為不同位置（其中方案1-4為入口采用直通式，方案5-6入口采用百葉窗可調節角度式）的通風措施，原始設計方案三維模型如圖1所示。
(1)忽略電抗器周圍其他部件（例如桁架，電線等），僅考慮影響較大的擋板，并對13個電抗器作長方體考慮。
(2)不考慮軸流風機實際模型，僅采用墻體設置出口代替軸流風機排風效應。
網格類型全部采用六面體網格，本次模型網格數量1257506 hexahedral cells，在設置不同出口位置的同時不改變內部網格，只是對出口處網格進行略微改變，以保證網格變化和數量誤差造成的計算結果誤差。
本次計算采用湍流模型采用工程普遍應用的Realizable k-ε模型[2]，計算三維定常流場，入口流量為設計風速1.82m/s，出口為壓力出口0Pa，變頻器給定極限溫度323k，電抗器和變壓器給定極限溫度為393k，其他壁面按絕熱處理。
方程中壓力一速度耦合采用SIMPLEC算法，方程中的動量離散格式采用Standard格式，其它方程差值格式選用二階迎風格式進行求解[3-7]。
3 計算結果分析
3.1 流線圖分析
數值模擬出的流線速度圖可以看出整體流體流動現象，流線如圖7至13所示。通過方案1-3可以看出，在入口處，低溫氣體通過彎形管道流入彩板房內，一部分氣體由于壁面效應沿著壁面流動至出口，這部分氣體對散熱沒有起到有效作用；另外一部分氣體在內部流動，在經過變頻器、變壓器和電抗器周圍可以帶走個壁面產生的熱量。由于風流動方向和電抗器的排列方向基本一致，在加上電抗器之間間距較小，導致在間隙之間流動性較差。
方案4-5這種設計方案符合氣流組織的設置形式，屬于側送側回的形式，是用的最多的氣流組織形式[8-9]。入口百葉窗為可調節角度，對方案4和方案5分別與入口水平方向成30度和45度分別進行分析，看不同角度對電抗器間隙內速度和溫度的影響。主要設計目的是調節百葉窗口的人流角使得空氣能噴射到電抗器處，從而對間隙內進行散熱。
速度的大小是衡量散熱量的一個標準[10]，通過流線圖可以看到氣流在變頻器和變壓器周邊有較好的流動狀態，由于電抗器是主要發熱元件，因此對電抗器周邊的速度場和溫度場進行分析，通過比較速度和溫度的大小來確定最佳方案。
通過速度云圖14和15可以看出，不同方案速度流場差別較大，速度最大處集中在出口處，由于入口處氣流向上流動，在頂部速度也較大。由于速度差別較大，從速度云圖上看不出具體的變化情況，故選取電抗器中間點進行速度監測，監測點位置如圖15所示。
通過圖18和19可以看出，各個方案監測點的位置速度和溫度分布不盡相同，對不同方案的各點進行速度和溫度平均化（如表1所示）可以看到速度對溫度影響，即：速度大的地方溫度較低，速度小的地方溫度較高[11]。綜上所述，在同等流量下方案5-45平均速度要比最差方案大30%左右，平均溫度要比最高溫度低10°，由此可見預先對各種通風散熱方案的CFD模擬是有必要的。
影響房間氣流組織效果的因素有很多，其中送風口和出風口的位置對室內氣流組織影響很大。通過用CFD軟件對風電機組大功率電子元器件空間散熱模擬，研究了不同送回風口型式對室內速度場和溫度場的影響，分析后可得到以下幾點結論：
1)對室內的流場數值模擬結果進行分析，可以直觀的得出室內速度和溫度的分布，對所有方案進行入口和出口位置的布局改進，由速度和溫度變化確定方案5為最佳優化方案，入口百葉窗給定入射口速度與水平方向角度為45度左右，考慮實際安裝成本問題也可以用方案2進行替代。
2)盡量加大電抗器相互之間的縫隙，增加間隙內空氣的流通性，進而達到更好的換熱效果。由于障礙物的影響會對氣流流動有較大的影響，從而影響散熱效果，具體擺放位置要以能夠不阻擋對散熱元器件的氣流為主。
3)從計算結果來看，CFD軟件在對風電配件散熱方面的分析是有現實意義的，具有成本低、速度快、可以對不同優化方案的實施預測，對風電工程實施和電氣系統的安全與防護起到了一定的指導作用。
參考文獻
[1] 孫志堅.電子器件回路型熱管散熱器的數值模擬與實驗研究[D][博士論文].:浙江大學，2007.09
[2] 王福軍.計算流體力學分析[M].清華大學出版社,2004.
[3] 周沛麗.運用Fluent 軟件對室內氣流組織的模擬研究[D][碩士論文].華南理工大學.2005.5.
[4] 熊莉芳,林源,李世武.k ε 湍流模型及其在FIUENT 軟件中的應用[J].工業加熱, 2007,36(4):13-15.
[5] 云和明,程林,陳保明,杜文靜.電子元件的優化分析[J].工程熱物理學報.2006.5.
[6] 徐燕飛.電氣設備中元器件通風散熱數值模擬與實驗研究[D][碩士論文].西北工業大學.2006.3.
[7] 孫瑋.熱管型電子器件散熱器的數值模擬和實驗研究[D][碩士論文].:浙江大學，2003.01.
[8] 薛殿華.空氣調節[M].清華大學出版社,1998.
[9] 陳付蓮,沈毅力.CFD 在空調室內氣流組織設計中的應用[D]制冷與空調.2004.4,26-28
[10] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].高等教育出版社,2006(4).
[11] 支淼川.電力電子設備水冷散熱器的數值模擬[D][碩士論文].華北電力大學.2006.2.
0 引言
隨著社會各界對新能源需求的日益提高，風力發電在新能源中所占的比重也在不斷加大。但是在風電工程的項目建設中存在各式各樣的問題，風電機組配件散熱就是其中的關鍵問題之一，特別是主要發熱元件電抗器的散熱問題，散熱不好將會嚴重地影響到電子器件的性能、可靠性和使用壽命[1]。因此，客觀、準確地進行散熱分析是促進風電工程規模化發展、大型風電場建設的重要前提和保障。
本文以新疆華冉風電項目為例，利用計算流體力學(CFD)軟件，對放置風力發電機組其配件變頻器、變壓器以及電抗器等大功率電力電子器件房間入口和出口布局的不同方案進行數值模擬，得到了的速度分布和溫度分布情況，并確定最后的優化方案，得出的結論對風電工程的實施具有實際指導意義。
1 實際問題的提出
本文以設計院設計的彩板房內電氣設備布局為基礎，技術人員在其基礎上對房間內部電子元器件的通風形式進行布置，具體設計方案為：進風采用扁平風道彎頭式進風，出口均采用在墻壁上安裝軸流風機進行排風，設定進、出風口為不同位置（其中方案1-4為入口采用直通式，方案5-6入口采用百葉窗可調節角度式）的通風措施，原始設計方案三維模型如圖1所示。
圖1 房間通風散熱方案模型圖
(1)忽略電抗器周圍其他部件（例如桁架，電線等），僅考慮影響較大的擋板，并對13個電抗器作長方體考慮。
(2)不考慮軸流風機實際模型，僅采用墻體設置出口代替軸流風機排風效應。
圖2 方案1簡化模型圖
圖3 方案2簡化模型圖
圖4 方案3簡化模型圖
圖5 方案4簡化模型圖
圖6 方案5簡化模型圖
網格類型全部采用六面體網格，本次模型網格數量1257506 hexahedral cells，在設置不同出口位置的同時不改變內部網格，只是對出口處網格進行略微改變，以保證網格變化和數量誤差造成的計算結果誤差。
本次計算采用湍流模型采用工程普遍應用的Realizable k-ε模型[2]，計算三維定常流場，入口流量為設計風速1.82m/s，出口為壓力出口0Pa，變頻器給定極限溫度323k，電抗器和變壓器給定極限溫度為393k，其他壁面按絕熱處理。
方程中壓力一速度耦合采用SIMPLEC算法，方程中的動量離散格式采用Standard格式，其它方程差值格式選用二階迎風格式進行求解[3-7]。
3 計算結果分析
3.1 流線圖分析
數值模擬出的流線速度圖可以看出整體流體流動現象，流線如圖7至13所示。通過方案1-3可以看出，在入口處，低溫氣體通過彎形管道流入彩板房內，一部分氣體由于壁面效應沿著壁面流動至出口，這部分氣體對散熱沒有起到有效作用；另外一部分氣體在內部流動，在經過變頻器、變壓器和電抗器周圍可以帶走個壁面產生的熱量。由于風流動方向和電抗器的排列方向基本一致，在加上電抗器之間間距較小，導致在間隙之間流動性較差。
方案4-5這種設計方案符合氣流組織的設置形式，屬于側送側回的形式，是用的最多的氣流組織形式[8-9]。入口百葉窗為可調節角度，對方案4和方案5分別與入口水平方向成30度和45度分別進行分析，看不同角度對電抗器間隙內速度和溫度的影響。主要設計目的是調節百葉窗口的人流角使得空氣能噴射到電抗器處，從而對間隙內進行散熱。
圖7 方案1速度流線圖
圖8 方案2速度流線圖
圖9 方案3速度流線圖
速度的大小是衡量散熱量的一個標準[10]，通過流線圖可以看到氣流在變頻器和變壓器周邊有較好的流動狀態，由于電抗器是主要發熱元件，因此對電抗器周邊的速度場和溫度場進行分析，通過比較速度和溫度的大小來確定最佳方案。
通過速度云圖14和15可以看出，不同方案速度流場差別較大，速度最大處集中在出口處，由于入口處氣流向上流動，在頂部速度也較大。由于速度差別較大，從速度云圖上看不出具體的變化情況，故選取電抗器中間點進行速度監測，監測點位置如圖15所示。
圖14 方案1電抗器縱截面速度云圖
圖15 方案2電抗器縱截面速度云
通過圖18和19可以看出，各個方案監測點的位置速度和溫度分布不盡相同，對不同方案的各點進行速度和溫度平均化（如表1所示）可以看到速度對溫度影響，即：速度大的地方溫度較低，速度小的地方溫度較高[11]。綜上所述，在同等流量下方案5-45平均速度要比最差方案大30%左右，平均溫度要比最高溫度低10°，由此可見預先對各種通風散熱方案的CFD模擬是有必要的。
圖16 電抗器監測點示意圖
影響房間氣流組織效果的因素有很多，其中送風口和出風口的位置對室內氣流組織影響很大。通過用CFD軟件對風電機組大功率電子元器件空間散熱模擬，研究了不同送回風口型式對室內速度場和溫度場的影響，分析后可得到以下幾點結論：
1)對室內的流場數值模擬結果進行分析，可以直觀的得出室內速度和溫度的分布，對所有方案進行入口和出口位置的布局改進，由速度和溫度變化確定方案5為最佳優化方案，入口百葉窗給定入射口速度與水平方向角度為45度左右，考慮實際安裝成本問題也可以用方案2進行替代。
2)盡量加大電抗器相互之間的縫隙，增加間隙內空氣的流通性，進而達到更好的換熱效果。由于障礙物的影響會對氣流流動有較大的影響，從而影響散熱效果，具體擺放位置要以能夠不阻擋對散熱元器件的氣流為主。
3)從計算結果來看，CFD軟件在對風電配件散熱方面的分析是有現實意義的，具有成本低、速度快、可以對不同優化方案的實施預測，對風電工程實施和電氣系統的安全與防護起到了一定的指導作用。
參考文獻
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[4] 熊莉芳,林源,李世武.k ε 湍流模型及其在FIUENT 軟件中的應用[J].工業加熱, 2007,36(4):13-15.
[5] 云和明,程林,陳保明,杜文靜.電子元件的優化分析[J].工程熱物理學報.2006.5.
[6] 徐燕飛.電氣設備中元器件通風散熱數值模擬與實驗研究[D][碩士論文].西北工業大學.2006.3.
[7] 孫瑋.熱管型電子器件散熱器的數值模擬和實驗研究[D][碩士論文].:浙江大學，2003.01.
[8] 薛殿華.空氣調節[M].清華大學出版社,1998.
[9] 陳付蓮,沈毅力.CFD 在空調室內氣流組織設計中的應用[D]制冷與空調.2004.4,26-28
[10] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].高等教育出版社,2006(4).
[11] 支淼川.電力電子設備水冷散熱器的數值模擬[D][碩士論文].華北電力大學.2006.2.
浙公網安備: 33028102000314號