摘要：华锐 1.5MW 双馈型机组，机组UPS位于机舱NCC310柜顶部并盖有顶罩，空气流通不畅，夏季高温环境下机舱 UPS 温度相对较高，致使UPS频繁发生故障，UPS损坏直接导致机组失去低电压穿越能力，给机组稳定运行带来安全隐患。
华锐SL1500 风机ABB系统和Bachmann简版机组进行LVRT改造后，为了使电网电压跌落期间变桨系统和主控系统能正常工作，增加了230VAC交流UPS为系统中的交流接触器线圈、定子接触器线圈和网侧接触器线圈、轮毂制动电源和振动传感器等供电，如果UPS损坏，当电网发生故障时，定子接触器及网侧接触器线圈等立刻失电，机组脱网并故障停机。
但是在机组实际运行中发现，机组经常在夏天报230VAC交流UPS故障，甚至机组交流UPS在实际运行中寿命大约在1年左右就会损坏，严重影响了机组正常运行，直接导致机组丧失低电压穿越能力，并且由于UPS价格较高，给风电场造成很高的运行成本和安全隐患。
关键词：风力发电机；UPS；防雷设计；散热系统
1引言
通过风电场实地考察、针对华锐机组的相关维护经验并对大量数据的分析的基础之上发现，NCC310控制柜在夏天时控制柜温度较高，平均达到50℃左右，控制柜上部能达到的60℃左右，均由于NCC310控制柜内元器件长时间工作产生的热量会升至柜子上部UPS处，并且虽然UPS本身带有散热风扇，但是顶罩空间小，密闭性能好，空气流通不畅，导致控制柜上部温度高温，而230VAC交流UPS长期在这种环境下工作。
对于UPS而言，构成UPS核心部分为电池，所以电池组寿命的长短是决定UPS器件寿命的关键因素，温度上升10℃，电池寿命降低一半；而通过调查数据了解到，华锐机组长期在密闭高温环境下工作，必然对机组寿命产生很大影响，这是导致交流UPS损坏的重要原因。
2研究现状
目前国内主流机组上海电气风机、金风风机等均将控制柜置于塔基，UPS也在塔基位置，不存在高温故障停机问题，华锐风机和南车风机将控制柜放置于机舱，由于发电机、齿轮箱、变频柜等发热量大的单元存在于机舱，导致机舱温度整体偏高，最终导致UPS高温故障停机，尝试将UPS单独成柜放置于塔基是一种比较好的解决UPS高温问题的方案。
3 UPS下置设计
1、柜体结构设计
i.将 UPS电源柜放置于塔基，并独立成柜，安装方式为壁挂式，如果没有挂点，可以采用落地式安装，并配安装支架，控制柜尺寸W×D×H（宽×深×高）=800×358×805，电源箱材质选用不锈钢材质，材质厚度1.5mm，采用前单开门结构，箱体外门采用单点锁定式门锁。
ii.箱门和箱体确保密封良好，门板带有一定的折弯角度，确保美观，箱体下端设敲落孔用于电缆（线）穿线，并采取防水接头安在在穿线孔，满足防尘要求。
箱体深、宽和高方向的尺寸误差应至少满足GB/T 1804-2000 《一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差》中的C级要求，即（120，400）范围内误差为±1.2mm，（400，1000）范围内误差为±2mm，（1000，2000）范围内误差为±3mm。
箱体表面防腐可采用热镀锌加喷漆双层工艺，颜色RAL7035要求涂层的化学性能：耐盐雾试验时间不低于1440小时，热镀锌温度不大于80℃，锌层厚度不小于80µm；热镀锌加喷漆总厚度不小于140µm。油漆采用具有良好耐久性、耐磨性和复涂性的烘干型或自干型聚氨酯涂料。
iii.在结构设计中充分考虑现场施工的环境，以现场施工改动小、施工简单、安全可靠为目标。
2、防雷设计
风力发电机防雷技术规范及相关国家标准作参考，风力发电机组雷电防护区域做出一下分类：
•LPZ0A：受直接雷击和全部雷电电磁场威胁的区域。该区域的内部系统可能受到全部或部分雷电电涌电流的影响。这个区域实际上就是直击雷防护系统没有保护到的区域，也是电磁环境参数最高的区域。
•LPZ0B：直接雷击的防护区域，但该区域仍受到全部雷电电磁场的威胁，内部系统可能受到部分雷电电涌电流的影响。这个区域实际上就是直击雷已经得到防护，但没有受到电磁屏蔽或SPD保护的区域。
•LPZ1：该区域受到直接雷击的防护，空间屏蔽可以衰减雷电电磁场。由于分流和边界处SPD的作用使电涌电流受到限制。
•LPZ2～n：该区域的附加空间屏蔽可以进一步衰减雷电电磁场。由于分流和边界处附加SPD的作用使电涌电流受到进一步限制的区域。
风力发电机防雷区域的划分：根据风力发电机防雷区域的分类及实际风力发电机各部分雷电区域分布的概率，在雷电区域在风力发电机组上大致划分为如图3.0所示：
图1：风力发电机雷电区域划分
为防止雷击对UPS的损害及对信号的干扰，需安装防雷浪涌保护模块。220V 输入及输出回路并联防雷保护装置。24V控制、反馈回路中加装共模防雷浪涌保护装置，并置于柜体中，从塔基UPS柜至机舱的电缆采用带屏蔽层的电缆，屏蔽层进行接地处理。
3、加热除湿设计
因 UPS 放置于塔基平台后独立成柜，考虑低温及潮湿环境，需在安放 UPS 的柜内设计加热除湿控制回路，确保 UPS 运行在适宜的环境下。通过温湿度控制电路采集柜内环境温度及湿度，并控制继电器K1或K3，由 K1 控制加热器（-R1）对柜内进行加热，由 K3 控制加热器（-R1）对柜内进行除湿，具体如图3所示。
图2：加热除湿电路原理图
加热器选型：是根据柜内温度与环境温度的差值以及柜内热损耗，从而确定加热需要的功率来选取的，现在一般都是按照德国威图公司提供的经验公式来选取的。其计算如下：
W=KXAXΔT
K ---- 热传导系数（W/m2K），其值根据柜体材料不同而不同，一般来说，钢板为5.5，
铝板为11，塑料为0.3；
A ---- 柜体实际散热面积（m2），柜体的安装方式对柜体的散热有较大影响，威图提供
了如下几种典型安装方式的散热面积的计算：
（宽= 柜体宽，高= 柜体高，深= 柜体深）
1． 单个柜体，四周有空：A=1.8X 高X（宽+ 深）+1.4X 宽X 深
2． 单个柜体，用于壁装：A=1.4X 宽X（高+ 深）+1.8X 深X 高
3． 起始或终端柜体，四周有空：A=1.4X 宽X（高+ 深）+1.8X 宽X 高
4． 起始或终端柜体，用于壁装：A=1.4X 高X（宽+ 深）+1.4X 宽X 深
5． 位于中间的柜体，四周有空：A=1.8X 宽X 高+1.4X 宽X 深+ 深X 高
6． 位于中间的柜体，用于壁装：A=1.4X 宽X（高+ 深）+ 深X 高
7． 位于中间的柜体，用于壁装，顶部覆盖：A=1.4X 宽X 高+0.7X 宽X 深+ 深X 高
Δ T ---- 柜体内外的温差，柜体内部的温度（一般为25℃）减去柜体外面的温度（即
工作现场的环境温度）。
a）散热功率计算
UPS柜加热器的选型依据是柜内温度与环境的温度的差值及控制柜尺寸计算。
根据威图计算公式：QE=QV- KXAXΔT
其中：A（㎡）为柜体散热面积
由于UPS柜单独成柜，四周有空，根据组合控制柜散热面积A（㎡）的计算公式：
其中：H为柜体高度、D为柜体深度、W为柜体的宽度
K为热传导系数（W/㎡K），由于机组变频柜采用不锈钢板材质，因此热传导系数为5.5 W/㎡K。
∆T为柜体内外温度差，柜体内部温度我们选择控制柜允许工作的最高温度35℃，柜体外部温度为10℃，
即柜体内外温度差∆T=25℃。
因此依据计算公式，UPS柜需要散热功率结果如下表所示：
最终选取的加热器设计参数如下：
加热器参数如下表：
4、散热设计
UPS 在考虑低温环境下加热的同时，还需考虑高温环境下，对 UPS 进行散热，确保 UPS 正常运行。UPS 夏季频繁故障停机主要原因也是由于环境温度过高引起，因此散热电路必不可少。通过温度控制电路采集柜内环境温度，并控制触发接触器 K2，由 K2 控制散热风扇（-M1）对柜内进行散热，具体如图3所示。
图3：UPS电源柜散热电路原理图
b）散热风扇选型
风扇选型也是根据柜内温度与环境温度的差值以及柜内热损耗，从而确定风扇所需要的散热量来选取的，现在一般都是按照德国威图公司提供的经验公式来选取的。其计算如下：
QE=QV- KXAXΔT
式中：QE---- 总的散热量（W）；
QV---- 柜内元器件总的热损耗（W）；
K ---- 热传导系数（W/m2K），其值根据柜体材料不同而不同，一般来说，钢板为5.5，
铝板为11，塑料为0.3；
A ---- 柜体实际散热面积（m2），柜体的安装方式对柜体的散热有较大影响，威图提供
了如下几种典型安装方式的散热面积的计算：
（宽= 柜体宽，高= 柜体高，深= 柜体深）
1． 单个柜体，四周有空：A=1.8X 高X（宽+ 深）+1.4X 宽X 深
2． 单个柜体，用于壁装：A=1.4X 宽X（高+ 深）+1.8X 深X 高
3． 起始或终端柜体，四周有空：A=1.4X 宽X（高+ 深）+1.8X 宽X 高
4． 起始或终端柜体，用于壁装：A=1.4X 高X（宽+ 深）+1.4X 宽X 深
5． 位于中间的柜体，四周有空：A=1.8X 宽X 高+1.4X 宽X 深+ 深X 高
6． 位于中间的柜体，用于壁装：A=1.4X 宽X（高+ 深）+ 深X 高
7． 位于中间的柜体，用于壁装，顶部覆盖：A=1.4X 宽X 高+0.7X 宽X 深+ 深X 高
Δ T ---- 柜体内外的温差，柜体内部的温度（一般为35℃）减去柜体外面的温度（即
工作现场的环境温度）。
散热功率计算
UPS柜散热风扇的选型依据是柜内温度与环境的温度的差值及控制柜尺寸计算。
根据威图计算公式：QE=QV- KXAXΔT
其中：A（㎡）为柜体散热面积
由于UPS柜位于两个柜体中间，根据组合控制柜散热面积A（㎡）的计算公式：
其中：H为柜体高度、D为柜体深度、W为柜体的宽度
K为热传导系数（W/㎡K），由于机组变频柜采用不锈钢板材质，因此热传导系数为5.5 W/㎡K。
∆T为柜体内外温度差，柜体内部温度我们选择控制柜允许工作的最高温度35℃，柜体外部温度为15℃，
即柜体内外温度差∆T=20℃。
因此依据计算公式，华锐1.5MW机组机舱NCC310柜需要散热功率结果如下表所示：
c）UPS柜内电气元件发热功率
查询设计资料得知，柜内主要发热元件是UPS本体，UPS本体的发热功率QV=325W
d）风扇选型步骤
根据公式QE=QV- KXAXΔT=3255W-228W=97W
根据图1，找到散热能力F值对应的横线；找到温差值对应的斜线；两条线的交叉点延伸垂线到横坐标，此值就是你所要确定的初步风量Fc。
修正初步风量值，确定F：①海拔1000米以下：F=Fc；②海拔1000米至2000米：F=1.3Fc；③海拔2000米以上：F=1.6Fc；④其他相对密闭场合：F=2-3Fc。
根据所需散热能力从图表中找到∆T=20℃，可知风扇散热能力是F=15m3/h，由于UPS柜属于密闭空间，我们选择最大修正值F=3Fc=45m3/h，柜内还有其他的发热元件，例如继电器、空开、浪涌等，由于继电器、空开、浪涌发热量特别小，这里不做精准计算，但这里已经做好3倍的冗余，初步预计满足散热能力的要求。
图4：风扇风量选型表
风扇选型设计：
根据风扇选型计算我们知道在现有散热能力基础上还需要45m3/h风量，UPS控制柜内安装两个轴流风扇，一个是进气风扇，一个是排气风扇，使柜内空气形成对流。根据下表技术参数，满足设计要求。
轴流风扇参数如下表：
4、UPS控制回路设计
4.1机舱内原 UPS 控制回路
原机舱内 UPS 控制回路，主要有以下几个支路：
1）220V 电源输入回路，由-F134.6 断路器控制；
3）UPS输出回路，主要为交流接触器线圈-K152.2、定子接触器-K150.1和网侧接触器线圈-K340.4、轮毂制动整流桥电源-T26.3等和振动传感器-B227.4等供电。
2）延时输出启动控制回路，由-K134.7 延时继电器控制，当 UPS有220V输入时，-K134.7 得电开始计时，过时间延时（默认为 10s）动作，给 UPS 启动信号，此时 UPS 有220V电源输出；
3）故障反馈回路，UPS 故障信号反馈直接输入机舱主控 PLC 模块，用于检测 UPS 状态；
4）UPS 关闭输出控制回路，由-K248.5 动作执行，当 UPS 发生故障时，由机舱主控 PLC 控制模块发出信号给-K248.5，-K248.5 动作通过AP9610卡使 UPS 关闭，UPS 锁电源输出。
４.2 UPS改造控制电路设计
根据UPS 改造电路框图，大部分与 UPS 相关的控制电路移置塔底，如 UPS 电源输入回路、启动控制回路。UPS 输出回路、告警反馈回路、UPS 关机回路保留在机舱。
UPS电源柜取电位置在塔基辅助电源柜端子排-X202.4处，同时需在辅助电源柜内增加一个16A的空开Q1，安装方式与塔基辅助电源柜QF202.7并联。机舱原有F134.6额定电流U1是10A，同时增加了一个500W的加热器，2个18W的散热风扇，通过功率及电流计算公式P=UI
U2=U1+（500+2*18）/2=10+2.43=12.43A，
新增加16A空开Q1大于12.43A，满足使用要求，电路图如图2所示。
UPS电源柜内输入回路增加一个10A的空开，输出回路进机舱位置依然使用原有的F134.6空开，方便机舱断电检修。
同时与K248.8继电器并联一个复位开关，机舱检修人员可以通过机舱关断塔基UPS供电，同时在塔基UPS电源柜内增加一个10A的短路空开，方便在UPS损坏时，直接启用此空开。
5 结论
机组交流UPS在实际运行中寿命大约在1年左右就会损坏，严重影响了机组正常运行，直接导致机组丧失低电压穿越能力，并且此UPS价格较高，给风电场造成很高的运行成本以及安全隐患。UPS下置技术改造方案可有效降低UPS故障停机概率，保证机组在电网发生故障时具备低电压穿越能力，提高机组发电量，保证机组稳定运行。
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论文作者:李高峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：柜内论文; 机组论文; 机舱论文; 回路论文; 温度论文; 接触器论文; 电源论文; 《电力设备》2018年第33期论文;