抽水蓄能電站具備消納新能源、削峰填谷、增強電網(wǎng)穩(wěn)定性和應(yīng)急供電等多重作用。為實現(xiàn)“雙碳”目標，“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃中提出力爭到2025年，抽水蓄能裝機容量達到6200萬kW以上、在建裝機容量達到6000萬kW左右，抽水蓄能迎來高速發(fā)展。

靜止變頻器（static frequency converter, SFC）是抽水蓄能電站的關(guān)鍵輔機設(shè)備，主要用于水泵工況起動機組，其運行可靠性直接決定機組的安全穩(wěn)定運行水平。

SFC由控制部分、換流橋功率部分及配套一次設(shè)備組成，換流橋采用晶閘管器件，其冷卻方式即為SFC冷卻方式。目前，國內(nèi)在運設(shè)備包括風冷型和水冷型兩種。本文從系統(tǒng)設(shè)計、功率輸出能力、能效水平、可靠性及運行維護等方面對兩種冷卻方式SFC進行對比研究，為抽蓄電站SFC的選擇提供參考。

1 SFC冷卻原理

SFC主要功能是將工頻電源轉(zhuǎn)換為變頻電源，拖動抽蓄機組從靜止到額定轉(zhuǎn)速。SFC系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。風冷型SFC冷卻系統(tǒng)主要由風機、風冷型散熱器及風壓繼電器等監(jiān)測元件組成。風冷型散熱器通常采用帶翅片的型材散熱器或熱管散熱器。當晶閘管工作時，散熱器將晶閘管熱量傳導至翅片，翅片布置于風道中，通過風機完成與空氣的熱量交換。

圖1 SFC系統(tǒng)組成示意圖

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)由內(nèi)、外水冷系統(tǒng)組成。內(nèi)水冷系統(tǒng)包括水冷型散熱器、水泵、穩(wěn)壓設(shè)備、去離子支路，以及溫度、壓力、電導率等表計。外水冷系統(tǒng)通常配置三通閥和壓力表計等，水冷型散熱器通常采用帶水道的型材散熱器。流過散熱器的冷卻水對晶閘管進行冷卻，然后通過板式換熱器與外水冷系統(tǒng)進行熱量交換，最終由外水冷系統(tǒng)將晶閘管發(fā)熱量帶走。SFC換流橋晶閘管散熱器如圖2所示。

圖2 SFC換流橋晶閘管散熱器

2 風冷及水冷系統(tǒng)對比研究

2.1 系統(tǒng)設(shè)計對比

目前在建抽蓄機組單機容量主要為250～400MW，對應(yīng)SFC容量在15～30MW，在該容量范圍內(nèi)，風冷型SFC和水冷型SFC設(shè)計方案不同。對于風冷型SFC，考慮到柜體尺寸限制，為滿足功率輸出，系統(tǒng)絕緣水平通常在10kV以內(nèi)，SFC工作電流根據(jù)輸出功率設(shè)計。對于水冷型SFC，由于水冷散熱器熱阻系數(shù)較低，工作電流較風冷型SFC大，系統(tǒng)絕緣水平通常在6kV以內(nèi)。

現(xiàn)采用抽蓄電站最常見的12-6脈動拓撲，基于相同的電壓安全系數(shù)及轉(zhuǎn)矩脈動原則，設(shè)計風冷型及水冷型SFC系統(tǒng)，設(shè)計方案技術(shù)參數(shù)詳見表1。

從表1中設(shè)計方案可以看出，風冷型SFC采用高直流電壓、小直流電流方案，直流電壓高增加了橋臂晶閘管串聯(lián)數(shù)量，直流電流小降低了晶閘管發(fā)熱量，與之配套的電纜、銅排截面積選型較小。水冷型SFC采用低直流電壓、大直流電流方案，直流電壓低可以減少單臂晶閘管串聯(lián)數(shù)量，直流電流大增加了晶閘管發(fā)熱量，與之配套的電纜、銅排截面積選型較大。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.2 功率輸出能力對比（略）

SFC功率輸出能力主要體現(xiàn)在一定輸出功率下的功率因數(shù)水平，以及影響功率因數(shù)的相關(guān)變量。作者就SFC起機過程中的兩個不同階段對功率因數(shù)進行了分析。

他們研究認為：1）在脈沖換相階段，風冷型及水冷型SFC系統(tǒng)換相總時間類似，等效換相重疊角水平類似，所以輸出功率水平相同；2）在負載換相階段，輸出變壓器接入系統(tǒng)工作，風冷型SFC及水冷型SFC電壓及電流工作在其設(shè)計值。由仿真結(jié)果可知，換相重疊角在類似水平，所以輸出的功率水平類似。

2.3 系統(tǒng)效能對比

水冷型SFC系統(tǒng)和風冷型SFC系統(tǒng)由于設(shè)計參數(shù)差異，能效參數(shù)存在區(qū)別，發(fā)熱量越高，能效參數(shù)越差。SFC系統(tǒng)的發(fā)熱量主要來自晶閘管損耗、直流電抗器損耗及輸入/輸出變壓器損耗等，現(xiàn)以30MW容量SFC系統(tǒng)為例進行能效分析，各部分發(fā)熱量見表2。

表2 發(fā)熱量參數(shù)

綜上分析，兩種類型SFC的發(fā)熱量差異主要體現(xiàn)在晶閘管部分，風冷型SFC晶閘管發(fā)熱量占系統(tǒng)容量的0.56%，水冷型SFC晶閘管發(fā)熱量占系統(tǒng)容量的0.66%，水冷型SFC晶閘管發(fā)熱量比風冷型SFC高30kW，約17.9%，水冷型SFC總發(fā)熱量比風冷型SFC高37kW，約11.3%，所以風冷型SFC系統(tǒng)效能更優(yōu)。

2.4 可靠性對比

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)復雜度高，故障率相對較高，尤其是易出現(xiàn)漏水、電導率異常、壓力異常等問題。水冷型SFC需要外冷卻水，若電站下庫深度較淺，技術(shù)供水或公共供水處距離水面較近，夏季天氣炎熱，外冷水水溫接近環(huán)境溫度，不利于與內(nèi)冷水換熱。而冬季，在北方地區(qū)，下庫水溫可低至5℃左右，可能會使內(nèi)水冷水溫下降至露點溫度以下，若無防凝露措施，閥組會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，引起閥組短路。

風冷型SFC冷卻系統(tǒng)構(gòu)成簡單，故障率極低。風冷型SFC采用空氣換熱，需配置環(huán)境溫度治理設(shè)備，維持SFC小室溫度在其工作范圍。SFC設(shè)備不受廠房外環(huán)境溫度影響，穩(wěn)定性更高。

2.5 運行維護對比

水冷型SFC冷卻系統(tǒng)需要定期進行補氣或補水工作，無法做到免維護。每年定檢運行維護工作難度較大，如泵的機油更換、穩(wěn)壓罐的壓力檢測、過濾器的濾網(wǎng)更換等，不僅需要一定的專業(yè)知識，且運維工作量遠高于風冷型SFC冷卻系統(tǒng)。

風冷型SFC冷卻系統(tǒng)運行穩(wěn)定性高，基本做到免維護，每年定檢工作主要是風機電源回路測量及柜門濾網(wǎng)更換等，運維工作量小，并且難度低。

2.6 經(jīng)濟性對比

風冷型及水冷型SFC經(jīng)濟性對比可以從三個方面來看。

首先，從冷卻系統(tǒng)對比來看，水冷系統(tǒng)包含水泵、穩(wěn)壓設(shè)備、去離子設(shè)備及相應(yīng)表計、管路等設(shè)備成本，遠高于風冷型SFC配置的風機及監(jiān)測元件成本。

其次，從SFC運行需求來看，水冷型SFC通常采用水-水冷卻方式，外水冷系統(tǒng)需要從電站公共供水系統(tǒng)敷設(shè)管道到SFC小室，并設(shè)置相關(guān)的閥門及表計；風冷型SFC將與散熱器換熱的空氣排到SFC小室，需要配置空調(diào)或排扇等冷卻設(shè)備，設(shè)備及施工費用總體低于水冷型SFC。

最后，風冷型SFC冷卻系統(tǒng)基本可以做到免維護，運維成本極低；水冷型SFC運維工作相對復雜，日常運行中需要補水補氣，與此同時需要對水泵及去離子罐中的樹脂進行定期維護，維護成本較高。

綜上所述，風冷型SFC設(shè)備的經(jīng)濟性相對較好。

3 結(jié)論

本文從系統(tǒng)設(shè)計、功率輸出能力、能效指標、可靠性及運行維護等方面對風冷型SFC系統(tǒng)及水冷型SFC系統(tǒng)進行對比分析。

系統(tǒng)設(shè)計方面，相同電壓水平的水冷型SFC輸出功率設(shè)計值更高；功率輸出能力方面，系統(tǒng)容量相同時，二者在脈沖換相階段及負載換相階段的功率因數(shù)水平相同，輸出功率水平類似；系統(tǒng)效能方面，根據(jù)器件發(fā)熱特點，風冷型SFC優(yōu)于水冷型SFC；可靠性方面，風冷型SFC冷卻系統(tǒng)配置簡單，且不受廠房外的環(huán)境影響，可靠性更高；運行維護方面，風冷型SFC系統(tǒng)運維工作簡單，且運維工作量小。

本文編自2022年第7期《電氣技術(shù)》，論文標題為“風冷型及水冷型靜止變頻器設(shè)備對比研究”，作者為漫自強、劉歡 等。