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与流程

[0001][0002]
本发明涉及电力电子器件的冷却装置及其控制方法的技术领域，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。


背景技术：

[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。本发明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。


技术实现要素：

[0012]
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，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]
本发明采用如下的技术方案。
[0014]
本发明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；冷却介质驱动模块，用于驱动滤除气体后的冷却介质进入风冷热交换器，还用于将冷却介质到达风冷热交换器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入口端的流量记为起点流量；
[0016]
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，或者仅启动风冷热交换器；
[0017]
其中，仅启动风冷热交换器时，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入口端，仅流经风冷热交换器后，到达大功率电力电子设备换热器入口端的时长；依次启动风冷热交换器与水冷热交换器时，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入口端，依次流经风冷热交换器和水冷热交换器后，到达大功率电力电子设备换热器入口端的时长；
[0018]
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，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。
[0019]
冷却系统包括：风冷热交换器，水冷热交换器和旁路阀门；其中，水冷热交换器与旁路阀门并联连接；旁路阀门的一端连接风冷热交换器的出口端，旁路阀门的另一端连接大功率电力电子设备换热器的入口端；
[0020]
旁路阀门处于常闭状态，即正常工况下，风冷热交换器和水冷热交换器串联连接；当水冷热交换器不工作时，旁路阀门打开。
[0021]
风冷热交换器包括并联连接的变频风机和工频风机；其中，变频风机的组数不小于风冷热交换器中风机组数的25％；每组变频风机中的变频风机数量不小于每组工频风机中的工频风机数量；
[0022]
水冷热交换器包括变频风机，喷淋泵，换热盘管；其中，正常工况下，风冷热交换器和换热盘管串联连接。
[0023]
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的入口端连接；
[0024]
冷却介质驱动模块包括：主泵，脱气装置，流量计和计时器；
[0025]
主泵通电运行后，冷却介质进入脱气装置，冷却介质在脱气装置中滤除气体；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；
[0026]
计时器将冷却介质到达风冷热交换器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。
[0027]
大功率电力电子设备换热器的出口端分别安装第一温度传感器，第一电导率传感器和第一流量传感器；大功率电力电子设备换热器的入口端分别安装第二温度传感器、第二流量传感器、压力传感器、第二电导率传感器；其中，
[0028]
第一温度传感器，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；第二温度传感器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；
[0029]
第一流量传感器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；第二流量传感器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；
[0030]
第一电导率传感器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；第二电导率传感器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；
[0031]
压力传感器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；
[0032]
控制装置中，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。
[0033]
控制装置包括：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中的变频风机的运行频率；第二pid控制模块，用于控制水冷热交换器中的变频风机的运行频率；
[0034]
其中，运行频率的控制包括：升高频率和降低频率。
[0035]
冷却系统还包括：加热装置，第一保温管路，第二保温管路，防冻棚和暖风机；
[0036]
加热装置的入口端与冷却介质驱动模块的出口端连接；加热装置的出口端经由第一保温管路与风冷热交换器的入口端连接；
[0037]
水冷热交换器的出口端布置有第二保温管路；
[0038]
风冷热交换器和水冷热交换器布置在防冻棚内，防冻棚内还设置有暖风机。
[0039]
冷却系统还包括：离子交换器，膨胀缓冲罐，氮气瓶；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。
[0040]
本发明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控制方法，包括：
[0041]
步骤1，主泵通电，启动冷却介质驱动模块；
[0042]
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；
[0043]
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；
[0044]
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
的冷却介质第一温度t1；若冷却介质第一温度t1大于风冷热交换器的启动温度t
fon
时，风冷热交换器进入变频冷却状态，水冷热交换器处于启动状态；
[0045]
步骤5，当风冷热交换器的变频风机的运行频率达到工频时，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第二温度t2；若冷却介质第二温度t2大于风冷热交换器的启动温度t
fon
、且小于大功率电力电子器件的目标冷却温度ts时，风冷热交换器进入工频冷却状态，水冷热交换器处于启动状态；
[0046]
步骤6，当风冷热交换器的变频风机和工频风机均投入运行、且变频风机的频率达到工频时，延迟第二流动时间τ2后，在t1 τ2时刻，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第三温度t3；若冷却介质第三温度t3大于水冷热交换器的启动温度t
won
时，风冷热交换器维持工频冷却状态，水冷热交换器进入变频冷却状态；若冷却介质第三温度t3不大于水冷热交换器的启动温度t
won
时，水冷热交换器进入预备停止状态，水冷热交换器的预备停止状态维持时间不小于第一时限；
[0047]
在水冷热交换器预备停止状态维持期间，若冷却介质第三温度t3一直小于水冷热交换器的停止温度t
woff
时，则停止水冷热交换器，即先停止水冷热交换器的变频风机，再停止喷淋泵；
[0048]
步骤7，水冷热交换器停止后，风冷热交换器维持工频冷却状态的运行持续时间不小于第二时限时，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第四温度 t4；当冷却介质第四温度t4小于风冷热交换器的停止温度t
foff
时，风冷热交换器进行工频停止状态；
[0049]
步骤8，当风冷热交换器的工频风机均停止运行时，风冷热交换器进入预备停止状态；风冷热交换器的预备停止状态维持时间不小于第三时限，并且维持期间大功率电力电子换热器出口端的冷却介质温度t
out
一直小于风冷热交换器的停止温度t
foff
，则停止风冷热交换器。
[0050]
优选地，步骤2中，风冷热交换器处于启动状态时，风冷热交换器的变频风机以启动频率运行；其中，启动频率不低于10hz；
[0051]
水冷热交换器处于启动状态时，水冷热交换器的换热盘管与风冷热交换器串联连接，即经由风冷热交换器冷却后的冷却介质流入水冷热交换器换热盘管中，水冷热交换器的变频风机和喷淋泵处于停止状态。
[0052]
优选地，步骤4包括：
[0053]
步骤4包括：
[0054]
步骤4.1，控制装置根据起点流量q1，按如下关系式折算得到第一流动时间τ1：
[0055][0056]
式中，q0为标准工况下冷却介质从冷却介质驱动模块出口端输出的标准流量，τ
01
为冷却介质在标准流量下，从风冷热交换器入口端，仅流经风冷热交换器，到达大功率电力电子设备换热器入口端的标准时长；
[0057]
步骤4.2，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温度t1；
[0058]
步骤4.3，若t1》t
fon
1时，风冷热交换器进入变频冷却状态；其中t
fon
为风冷热交换器的启动温度；风冷热交换器进入变频冷却状态时，由控制装置的第一pid控制模块对风冷
热交换器的变频风机进行升频控制，使得风冷热交换器的变频风机的运行频率从启动频率升高至工频。
[0059]
步骤4.3还包括：
[0060]
若t
fon-1≤t1≤t
fon
1时，风冷热交换器的变频风机维持现有运行频率不变；
[0061]
若t1《t
fon-1时，利用第一pid控制模块对风冷热交换器的变频风机进行降频控制，从现有运行频率降低至启动频率。
[0062]
优选地，步骤5中，若t
fon
1《t2《ts时，风冷热交换器进入工频冷却状态；其中ts为大功率电力电子器件的目标冷却温度；风冷热交换器进入工频冷却状态时，分组依次启动工频风机；
[0063]
其中，当前一组工频风机启动后，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第二中间温度t
′2，当t
fon
1《t
′2《ts时，启动下一组工频风机，同时，第一pid控制模块对风冷热交换器的变频风机进行降频控制，使得风冷热交换器的变频风机的运行频率从工频降低至启动频率；
[0064]
优选地，步骤6包括：
[0065]
步骤6.1，控制装置根据起点流量q1，按如下关系式折算得到第二流动时间τ2：
[0066][0067]
式中，q0为标准工况下冷却介质从冷却介质驱动模块出口端输出的标准流量，τ
02
为冷却介质在标准流量下，依次流经风冷热交换器和水冷热交换器，到达大功率电力电子设备换热器入口端的标准时长；
[0068]
步骤6.2，在t1 τ2时刻，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第三温度t3；
[0069]
步骤6.3，若t3》t
won
1时，水冷热交换器进入变频冷却状态；其中t
won
为水冷热交换器的启动温度；水冷热交换器进入变频冷却状态时，由控制装置的第二pid控制模块对水冷热交换器的变频风机进行升频控制，使得水冷热交换器的变频风机的运行频率从启动频率升高至工频；
[0070]
水冷热交换器的变频风机升频之前，喷淋泵先启动并以工频运行。
[0071]
步骤6.3还包括：
[0072]
若t
won-1≤t3≤t
won
1时，水冷热交换器的变频风机维持现有频率不变，并且风冷热交换器维持工频冷却状态；
[0073]
若t3《t
won-1时，水冷热交换器进入预备停止状态，水冷热交换器的预备停止状态维持时间不小于第一时限；其中，水冷热交换器的预备停止状态下，第二pid控制模块对水冷热交换器的变频风机进行降频控制，使得水冷热交换器的变频风机的频率从工频降低至启动频率；第一时限的取值范围为不小于120分钟。
[0074]
优选地，步骤7中，风冷热交换器的工频停止状态包括：分组依次停止工频风机；
[0075]
每一工频风机停止的同时，第一pid控制模块对风冷热交换器的变频风机进行控制，使得风冷热交换器的变频风机的运行频率先升高至工频后，再降低至启动频率；其中，第二时限的取值范围为不小于30分钟。
[0076]
优选地，步骤8中，风冷热交换器的预备停止状态下，第一pid控制模块对水冷热交
换器的变频风机进行低频控制，使得水冷热交换器的变频风机工作在启动频率；
[0077]
第三时限的取值范围为不小于300秒，并且维持期间大功率电力电子换热器出口端的冷却介质温度t
out
一直小于风冷热交换器的停止温度t
foff
，则停止风冷热交换器。
[0078]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：本发明提出了风冷和水冷联合冷却工艺路线和方法，解决高温环境、干旱缺水地区大功率电力电子冷却应用；风冷热交换器、水冷热交换器启停和调节控制均根据大功率电力电子设备进出口的冷却介质温度信号进行自适应调节，与环境温度无关联，从而解决了极端高温、极端低温、大温差及联合冷却模式下的应用和控制问题，在满足换热的条件下节省水资源，确保系统安全稳定运行。
[0079]
此外，风冷热交换器和水冷热交换器的风机达到启动条件时，待冷却介质流经大功率电力电子换热器进口管路处的温度传感器时，采集当前时刻的大功率电力电子换热器进口管路处的冷却介质温度，以当前时刻的实际温差为控制器输入变量，再对热交换器模块中的变频风机进行pid调节，防止由于控制温差与实际温差的不同步，而导致的冷却介质温度的波动。
[0080]
更进一步，为水冷热交换器和风冷热交换设计预备停止阶段，热交换器在预备停止阶段达到一定时限后，再停止的控制方式，有效地防止了因环境条件变化、负荷变化等各方面因素而导致的热交换器的频繁启停，从而有效地抑制了冷却系统在停止阶段的温度波动大的技术难题，防止控制偏差大，提高系统可靠性和环境适应性。
[0081]
系统内各模块的有益效果具体说明如下：
[0082]
1)冷却介质驱动模块能够去除冷却介质中的气体，还能够根据大功率电力电子装置进口冷却介质温度进行自动启停；
[0083]
2)根据负荷变化对风冷热交换器中的风机进行多台并联配置，风机根据大功率电力电子换热器进口管路冷却介质温度信号进行分组启停和调节控制，提高了温度控制曲线的线性程度和灵活性；
[0084]
3)风冷热交换器风机达到全部停止条件时，变频风机以不高于10hz的最低频率运行，待大功率电力电子换热器出口管路温度下降到目标温度后且持续时间≥300s，变频风机停止，防止风机频繁启停及负荷变化较快时，风冷热交换器的控制滞后；
[0085]
4)当大功率电力电子换热器进口管路冷却介质温度降低达到水冷热交换器停止条件后，水冷热交换器风机维持在最低频率运行，停止条件需保持大于120 分钟后允许停止，防止因环境条件变化及负荷变化导致水冷热交换器模块启停频繁、温度波动大；
[0086]
5)水冷热交换器风机及喷淋泵停止后，风机热交换器所有风机保持工频运行，持续时间≥60分钟后，根据大功率电力电子换热器进口管路冷却介质温度变化进行自动控制，防止环境条件变化、负荷变化、水冷热交换器风机和喷淋泵停止后，冷却介质温度波动过大；
[0087]
6)当大功率电力电子换热器进口管路冷却介质温度≤10℃时，加热装置启动，避免冬季环温极低、负荷较小时，风冷热交换器、水冷热交换器的内部盘管结冻损坏；
[0088]
7)水冷热交换器模块内换热盘管一直串接在冷却系统回路中，根据大功率电力电子设备进口管路冷却介质温度传感器进行温度控制，不需要进行切换，系统简单可靠；
[0089]
8)冷却系统室外部分设置了加热、防冻棚、暖风机、保温等措施，当环温极低、负荷较小或冷却系统停机，通过关闭风冷热交换器、水冷热交换器四周的防冻棚，防冻棚内启动
暖风机，避免设备结冻损坏和进入大功率电力电子设备的冷却介质温度过低。
附图说明
[0090]
图1是本发明应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统的结构示意图；
[0091]
图1中的附图标记说明如下：
[0092]
1-主泵；
[0093]
2-第一阀门；
[0094]
3-风冷热交换器；
[0095]
4a-风冷热交换器变频风机；
[0096]
4b-风冷热交换器工频风机；
[0097]
5-第二阀门；
[0098]
6-水冷热交换器；
[0099]
7-水冷热交换器变频风机；
[0100]
8-喷淋泵；
[0101]
9-第三阀门；
[0102]
10-第四阀门；
[0103]
11-旁路阀门；
[0104]
12-第一过滤器；
[0105]
13-第五阀门；
[0106]
14-第六阀门；
[0107]
15-第七阀门；
[0108]
16-离子交换器；
[0109]
17-第八阀门；
[0110]
18-第二过滤器；
[0111]
19-膨胀缓冲罐；
[0112]
20-氮气瓶；
[0113]
21-第一流量传感器；
[0114]
22-大功率电力电子设备换热器；
[0115]
23-控制装置；
[0116]
24-加热装置；
[0117]
25-防冻棚；
[0118]
26-暖风机；
[0119]
27a-第一保温管路；27b-第二保温管路；
[0120]
28-脱气装置；
[0121]
29a-第一温度传感器；
[0122]
29b-第二温度传感器；
[0123]
30-第二流量传感器；
[0124]
31-压力传感器；
[0125]
32-第二电导率传感器；
[0126]
33-第一电导率传感器；
[0127]
图2是本发明应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统控制方法的步骤框图。
具体实施方式
[0128]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0129]
如图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。
[0130]
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。
[0131]
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，比如水冷热交换器6发生故障，旁路阀门11打开，冷却系统中只有风冷热交换器3工作，由于第一阀门2、第二阀门5、第三阀门9和第四阀门10都是常开阀门，使得水冷热交换器6内的换热盘管一直串接在冷却系统回路中，根据大功率电力电子设备进口管路冷却介质温度传感器进行温度控制，不需要进行切换，系统简单可靠。
[0132]
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；
[0133]
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。
[0134]
冷却系统包括：冷却介质驱动模块；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；
[0135]
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；
[0136]
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；其中，起点时刻和起点流量均上传至冷却系统中的控制装置23。
[0137]
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。
[0138]
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；启动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。
[0139]
第一流动时间为根据起点流量，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；第二流动时间为
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。
[0140]
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。
[0141]
本发明优选实施例中，风冷换热交器的变频风机作为最后一组需要停止的风机，当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同时满足变频风机停止工作的温度时，变频风机才停止。而风冷换热交器中的工频风机停止时与大功率电力电子设备换热器出口端冷却介质温度无关联。
[0142]
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，
[0143]
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；
[0144]
第一流量传感器21用于检测净化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；
[0145]
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；
[0146]
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；
[0147]
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。
[0148]
控制装置23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，用于变频控制水冷热交换器6中的变频风机7的运行频率；
[0149]
其中，运行频率的控制包括：升高频率和降低频率。
[0150]
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；
[0151]
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；
[0152]
水冷热交换器6的出口端布置有第二保温管路27b。
[0153]
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。当环温极低、负荷较小或冷却系统停机，通过关闭风冷热交换器、水冷热交换器四周的防冻棚，防冻棚内启动暖风机，避免设备结冻损坏和进入大功率电力电子设备的冷却介质温度过低。
[0154]
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。
[0155]
冷却系统中，第五阀门13，用于调节进入大功率电力电子器件的冷却介质流量；第六阀门14，用于调节进入离子交换器16进行电导率处理的冷却介质流量；第七阀门15和第八阀门17关闭时，可以对离子交换器16进行检修；第二过滤器18，用于拦截离子交换器16工作过程中产生的树脂，防止进入到冷却介质中。
[0156]
如图2，应用于大功率电力电子器件风水双级冷却系统控制方法，包括步骤 1至8。
[0157]
步骤1，主泵通电，启动冷却介质驱动模块。
[0158]
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。
[0159]
步骤2中，风冷热交换器处于启动状态时，风冷热交换器的变频风机以启动频率运行；其中，启动频率不低于10hz；
[0160]
水冷热交换器处于启动状态时，水冷热交换器的换热盘管与风冷热交换器串联连接，即经由风冷热交换器冷却后的冷却介质流入换热盘管中，水冷热交换器的变频风机和喷淋泵处于停止状态。
[0161]
步骤3，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。
[0162]
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温度t1；若冷却介质第一温度t1大于风冷热交换器的启动温度t
fon
时，风冷热交换器进入变频冷却状态，水冷热交换器处于启动状态。
[0163]
具体地，步骤4包括：
[0164]
步骤4.1，控制装置根据起点流量q1，按如下关系式折算得到第一流动时间τ1：
[0165][0166]
式中，q0为标准工况下冷却介质从冷却介质驱动模块出口端输出的标准流量，τ
01
为冷却介质在标准流量下，从风冷热交换器入口端，仅流经风冷热交换器，到达大功率电力电子设备换热器入口端的标准时长；
[0167]
步骤4.2，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温度t1；
[0168]
步骤4.3，若t1》t
fon
1时，风冷热交换器进入变频冷却状态；其中t
fon
为风冷热交换器的启动温度；风冷热交换器进入变频冷却状态时，由控制装置的第一pid控制模块对风冷热交换器的变频风机进行升频控制，使得风冷热交换器的变频风机的运行频率从启动频率升高至工频。
[0169]
进一步，步骤4.3还包括：
[0170]
若t
fon-1≤t1≤t
fon
1时，风冷热交换器的变频风机维持现有运行频率不变；
[0171]
若t1《t
fon-1时，利用第一pid控制模块对风冷热交换器的变频风机进行降频控制，从现有运行频率降低至启动频率。
[0172]
步骤5，当风冷热交换器的变频风机的运行频率达到工频时，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第二温度t2；若冷却介质第二温度t2大于风冷热交换器的启动温度t
fon
、且小于大功率电力电子器件的目标冷却温度ts时，风冷热交换器进入工频冷却状态，水冷热交换器处于启动状态。
[0173]
具体地，步骤5中，若t
fon
1《t2《ts时，风冷热交换器进入工频冷却状态；其中ts为大功率电力电子器件的目标冷却温度；风冷热交换器进入工频冷却状态时，分组依次启动工频风机；
[0174]
其中，当前一组工频风机启动后，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第二中间温度t
′2，当t
fon
1《t
′2《ts时，启动下一组工频风机，同时，第一pid控制模块对风冷热交换器的变频风机进行降频控制，使得风冷热交换器的变频风机的运行频率从工频降低至启动频率。
[0175]
步骤6，当风冷热交换器的变频风机和工频风机均投入运行、且变频风机的频率达到工频时，延迟第二流动时间τ2后，在t1 τ2时刻，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第三温度t3；若冷却介质第三温度t3大于水冷热交换器的启动温度t
won
时，风冷热交换器维持工频冷却状态，水冷热交换器进入变频冷却状态；若冷却介质第三温度t3不大于水冷热交换器的启动温度t
won
时，水冷热交换器进入预备停止状态，水冷热交换器的预备停止状态维持时间不小于第一时限；
[0176]
在水冷热交换器预备停止状态维持期间，若冷却介质第三温度t3一直小于水冷热交换器的停止温度t
woff
时，则停止水冷热交换器，即先停止水冷热交换器的变频风机，再停止喷淋泵。
[0177]
具体地，步骤6包括：
[0178]
步骤6.1，控制装置根据起点流量q1，按如下关系式折算得到第二流动时间τ2：
[0179][0180]
式中，q0为标准工况下冷却介质从冷却介质驱动模块出口端输出的标准流量，τ
02
为冷却介质在标准流量下，依次流经风冷热交换器和水冷热交换器，到达大功率电力电子设备换热器入口端的标准时长；
[0181]
步骤6.2，在t1 τ2时刻，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第三温度t3；
[0182]
步骤6.3，若t3》t
won
1时，水冷热交换器进入变频冷却状态；其中t
won
为水冷热交换器的启动温度；水冷热交换器进入变频冷却状态时，由控制装置的第二pid控制模块对水冷热交换器的变频风机进行升频控制，使得水冷热交换器的变频风机的运行频率从启动频率升高至工频；
[0183]
水冷热交换器的变频风机升频之前，喷淋泵先启动并以工频运行。
[0184]
进一步，步骤6.3还包括：
[0185]
若t
won-1≤t3≤t
won
1时，水冷热交换器的变频风机维持现有频率不变，并且风冷热交换器维持工频冷却状态；
[0186]
若t3《t
won-1时，水冷热交换器进入预备停止状态，水冷热交换器的预备停止状态维持时间不小于第一时限；其中，水冷热交换器的预备停止状态下，第二pid控制模块对水
冷热交换器的变频风机进行降频控制，使得水冷热交换器的变频风机的频率从工频降低至启动频率；第一时限的取值范围为不小于120分钟。
[0187]
步骤7，水冷热交换器停止后，风冷热交换器维持工频冷却状态的运行持续时间不小于第二时限时，采集大功率电力电子换热器入口端的冷却介质第四温度 t4；当冷却介质第四温度t4小于风冷热交换器的停止温度t
foff
时，风冷热交换器进行工频停止状态。
[0188]
具体地，步骤7中，风冷热交换器的工频停止状态包括：分组依次停止工频风机；
[0189]
每一工频风机停止的同时，第一pid控制模块对风冷热交换器的变频风机进行控制，使得风冷热交换器的变频风机的运行频率先升高至工频后，再降低至启动频率；其中，第二时限的取值范围为不小于30分钟。
[0190]
步骤8，当风冷热交换器的工频风机均停止运行时，风冷热交换器进入预备停止状态；风冷热交换器的预备停止状态维持时间不小于第三时限，并且维持期间大功率电力电子换热器出口端的冷却介质温度t
out
一直小于风冷热交换器的停止温度t
foff
，则停止风冷热交换器。
[0191]
具体地，步骤8中，风冷热交换器的预备停止状态下，第一pid控制模块对水冷热交换器的变频风机进行低频控制，使得水冷热交换器的变频风机工作在启动频率；
[0192]
第三时限的取值范围为不小于300秒，并且维持期间大功率电力电子换热器出口端的冷却介质温度t
out
一直小于风冷热交换器的停止温度t
foff
，则停止风冷热交换器。
[0193]
在某换流站的极1采用本发明提出的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，具体控制数据和内容详见表1：
[0194]
表1冷却系统的控制数据和内容
[0195]
[0196][0197]
由表1可以看出，当大功率电力电子器件入口温度达到风冷热交换器任意一组风机启动温度时，延时90s再执行风冷热交换器的控制，本发明优选实施例中，第一流动时间为90s。当大功率电力电子器件入口温度达到水冷热交换器风机启动温度时，冷却塔风机启动后，空冷器风机全部工频运行不停运，变频风机先按最低频率10hz运行，25s后进行pid调节，本发明优选实施例中，第一流动时间为25s。
[0198]
当大功率电力电子器件入口温度小于42℃时，延时4小时对水冷热交换器停机，本发明优选实施例中，第一时限为4小时；水冷热交换器停机后，风冷热交换器全部工频运行60分钟，即第二时限为60分钟，然后风冷热交换器按逻辑控制停机，其中第三时限为30分钟。
[0199]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。