2.7 冷却系统

风力发电机运行过程中，齿轮箱、发电机、控制变频器、刹车机构、调向装置及变桨系统等部件都会产生热量，其热量大小取决于设备类型及厂商的生产工艺。目前，兆瓦级机组中主要散热部件为齿轮箱、发电机和控制变频器。因此要解决机组的散热问题，首先应对以上三大部件进行散热分析。

齿轮箱在运转中，必然会有一定的功率损失，损失的功率将转换为热量，使齿轮箱的油温上升。若温度上升过高，会引起润滑油的性能变化，黏度降低、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，会导致齿轮啮合齿面或轴承表面损伤，最终造成设备事故。由此造成的停机损失和修理费用都是十分可观的。因此，控制齿轮箱的温升是保证风电齿轮箱持久、可靠运行的必要条件。冷却系统应能有效地将齿轮动力传输过程中发出的热量散发到空气中去。此外，在冬季如果长期处于0℃以下时，应考虑给齿轮箱的润滑油加热，以保证润滑油不至于在低温黏度变低时无法飞溅到高速轴轴承上进行润滑而造成高速轴轴承损坏。目前大型风力发电机组齿轮箱均带有强制润滑冷却系统和加热器，但在一些地区，如我国广东省的沿海地带，气温很少低于0℃，则无须考虑加热器。

发电机在工作过程中也会产生大量的热，其各种损耗是电机发热的内在因素，主要包括：①铁损耗，包括转子表面损耗、转子磁场中的高次谐波在定子上产生的附加损耗、齿内的脉振损耗、定子的谐波磁势磁通在转子表面上产生的损耗，以及定子端部的附加损耗（这是定子端接部分的漏磁通在附近各部件中产生的铁损耗）; ② 铜损耗，包括绕组导线中的铜损耗（常称为基本铜损耗）和槽内横向漏磁通使导线截面上电流分布不均匀所增加的附加铜损耗；③励磁损耗，指维持发电机励磁所产生的损耗，主要是励磁绕组中的铜耗和励磁回路中元件损耗；④机械损耗，主要是轴承损耗和通风损耗（包括风摩损耗）及炭刷损耗。

单机容量增大是当今风电技术的发展趋势，而发电机容量的提高主要通过增大发电机的线性尺寸和增加电磁负荷两种途径来实现。由于发电机的损耗与线性尺寸的三次方成正比，因此增加线性尺寸的同时也会引起损耗增加，造成发电机效率下降；而通过增加电磁负荷的途径，也因受到磁路饱和的限制很难实现。目前，提高单机容量的主要措施是增加线性尺寸，但增加线性尺寸的同时会增加线棒铜损，线圈的温度将增加，绝缘老化加剧，最终可能达到无法容许的程度。这时就必须采用合适的冷却方式有效地带走各种损耗所产生的热能，将电机各部分的温升控制在允许范围内，保证发电机安全可靠地运行。可以说，发电机单机容量的增加主要是依靠电机冷却技术的提高来实现的。

控制变频器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入电流与发电机输出电流进行变频处理的变频设备。随着风力发电机组的发展，系统的辅助及控制装置越来越多，控制变频器所承担的任务也因此越来越复杂，产生的热量越来越大，为了保护风力发电机组系统各部件长期稳定运行，需要及时对其进行冷却处理。

由于风力发电机组散热量来自机舱内各个组件，因此对机组采用的冷却方案取决于机组所选用的设备类型、散热量大小和组件在机舱内部的位置等因素，冷却方案设计具有灵活性、多样性。总体而言，早期的风力发电机组由于功率较小，其发热量也不大，只需通过自然通风就可以达到冷却要求。随着风力发电机组的功率逐步增大，自然通风已经无法满足机组的冷却需求，目前运行的风力发电机组普遍采用强制风冷与液冷的冷却方式，其中功率较小的风力发电机组多采用强制风冷方式，而对于中大型风力发电机组，则需采用循环液冷的方式才能满足冷却要求。

2.7.1 空冷方式

空冷方式是指利用空气与风力发电机组直接进行热交换达到冷却效果，它包括自然通风冷却和强制风冷两种方式。

1．自然通风冷却

自然通风是指风力发电机组不设置任何冷却设备，机组暴露在空气中，由空气自然流通将热量带走。早期的风力发电机组发电功率和散热量都较小，只需通过自然通风即可满足冷却需求。

2．强制风冷

强制风冷是指在自然通风无法满足冷却需求时，通过在风力发电机组内部设置风扇，当机舱内的空气温度超过某一值时，控制系统将机舱与外界相连的片状阀开启，并使用风扇对风力发电机组内各部件进行强制鼓风从而达到冷却效果。由于风冷通风系统的好坏直接影响到风力发电机组的冷却效果，与风力发电机组的安全稳定运行密不可分，因此通风系统的设计显得至关重要。风路是否顺畅，能否带走风力发电机组各个发热部位的热量，对风力发电机组的性能有很大的影响。

强制风冷系统在具体实施时还可根据系统散热量的大小和各部件的散热特性选用不同的冷却方式。一般功率在300kW以下的机组，其齿轮箱多数是靠齿轮转动搅油飞溅润滑，齿轮箱的热平衡受机舱内通风条件的影响较大，且发电机与控制变频器的散热量较小，因此可在齿轮箱高速轴上装冷却风扇，随齿轮箱运转鼓风强化散热，同时还可加大机组内部通风空间和绕组内部风道，增大热交换面积，达到对系统各部件冷却的效果。与之相比，功率在300kW以上的机组，其齿轮箱与发电机所产生的热量有较大增加。对于齿轮箱而言，仅依靠在高速轴上装冷却风扇或在箱体上增加散热肋片都不足以控制住温升，只有采用循环供油润滑强制冷却才能解决问题，即在齿轮箱配置循环润滑冷却系统和监控装置，用油泵强制供油，润滑油经过滤和电动机鼓风冷却再分配到各个润滑点，保持齿轮箱油温在允许的最高温度以下。这种循环润滑冷却方式较为完善可靠，但对齿轮箱而言，增加了一套附属装置，所需费用大约为一台齿轮箱价格的10%。发电机的散热则通过设置内、外风扇产生冷却风对其进行表面冷却。理论上风扇的风量大、风速高，对进一步降低发电机温升有好处，但这会导致冷却风扇尺寸过大，进而增大了发电机风摩耗，降低发电机效率。因此，在设计时需合理确定风扇尺寸，使发电机的风摩耗能控制在较低水平而又能保证其温升符合要求。

风冷系统具有结构简单、初投资与运行费用都较低、利于管理与维护等优点，然而其制冷效果受气温影响较大，制冷量较小，同时由于机舱要保持通风，导致风沙和雨水侵蚀机舱内部件，不利于机组的正常运行。随着机组功率的不断增加，采用强制风冷已难以满足系统冷却要求，液冷系统应运而生。

2.7.2 液冷方式

由热力学知识可知，风力发电机组冷却系统中的热平衡方程式为

Q=qmcp（t2-t1）

式中 Q——系统的总散热量；

qm——冷却介质的质量流量；

cp——冷却介质在进口温度t1与出口温度t2温度范围内的平均定压质量比热。

由于液体工质的密度与比热容都远远大于气体工质，因此冷却系统采用液体冷却介质时能够获得更大的制冷量而结构更为紧凑，能有效地解决风冷系统制冷量小与体积庞大的问题。

对于兆瓦级的风力发电机组而言，其齿轮箱与发电机的发热量较大，通常需采用液冷方式进行冷却，冷却系统的结构如图2-31所示。

冷却系统内冷却介质先流经油冷器，与高温的齿轮箱润滑油进行热交换，带走齿轮箱所产生的热量，然后流入设置在发电机定子绕组周围的换热器，吸收发电机产生的热量，最后由水泵送至外部散热器进行冷却，再继续进行下一轮循环热交换。在通常情况下，冷却水泵始终保持工作，循环将系统内部热量带至外部散热器进行散热。而润滑油泵可由齿轮箱箱体内的温度传感器控制，当油温高于额定温度时，润滑油泵启动，油被送到齿轮箱外的油冷器进行冷却。当油温低于额定温度时，润滑油回路切断，停止冷却。由于各风力发电机组采用的控制变频器不同，其功能与散热量也有所差异。当控制变频器的散热量较小时，可在机舱内部设置风扇，对控制变频器与其他散热部件进行强制空冷；当控制变频器的散热量较大时，可在控制变频器外部设置换热器，由冷却介质将产生的热量带走，从而达到对控制变频器的温度控制。

对于发电功率更大的兆瓦级风力发电机组，其齿轮箱、发电机与控制变频器的散热量都比较大，对系统的冷却可采用对发电机和控制变频器进行液冷与对齿轮箱润滑油进行强制空冷相结合的冷却方式，图2-32所示即为采用此冷却方式的某1.5MW风力发电机组冷却系统。机组的冷却系统包括油冷与水冷系统两部分，其中油冷系统负责齿轮箱的冷却，水冷系统则负责发电机与控制变频器的冷却。在油冷系统中，润滑油对齿轮箱进行润滑，温度升高后的润滑油被送至机舱中部上方的润滑油冷却装置进行强制空冷，冷却后的润滑油再回到齿轮箱进行下一轮的润滑。水冷系统则是由乙二醇水溶液-空气换热器，水泵，阀门以及温度、压力、流量控制器等部件组成的闭合回路，回路中的冷却介质流经发电机和控制变频器换热器将它们产生的热量带走，温度升高后进入机舱尾部上方的外部散热器进行冷却，温度降低后回到发电机和控制变频器进行下一轮冷却循环。

与采用风冷冷却的风力发电机组相比，采用液冷系统的风力发电机组结构更为紧凑，虽增加了换热器与冷却介质的费用，却大大提高了风力发电机组的冷却效果，从而提高了风力发电机组的工作效率。同时由于机舱可以设计成密封型，避免了舱内风沙雨水的侵入，给机组创造了有利的工作环境，还延长了设备的使用寿命。