2.7 冷卻系統

風力發電機運行過程中，齒輪箱、發電機、控制變頻器、剎車機構、調向裝置及變槳系統等部件都會產生熱量，其熱量大小取決于設備類型及廠商的生產工藝。目前，兆瓦級機組中主要散熱部件為齒輪箱、發電機和控制變頻器。因此要解決機組的散熱問題，首先應對以上三大部件進行散熱分析。

齒輪箱在運轉中，必然會有一定的功率損失，損失的功率將轉換為熱量，使齒輪箱的油溫上升。若溫度上升過高，會引起潤滑油的性能變化，黏度降低、老化變質加快，換油周期變短。在負荷壓力作用下，若潤滑油膜遭到破壞而失去潤滑作用，會導致齒輪嚙合齒面或軸承表面損傷，最終造成設備事故。由此造成的停機損失和修理費用都是十分可觀的。因此，控制齒輪箱的溫升是保證風電齒輪箱持久、可靠運行的必要條件。冷卻系統應能有效地將齒輪動力傳輸過程中發出的熱量散發到空氣中去。此外，在冬季如果長期處于0℃以下時，應考慮給齒輪箱的潤滑油加熱，以保證潤滑油不至于在低溫黏度變低時無法飛濺到高速軸軸承上進行潤滑而造成高速軸軸承損壞。目前大型風力發電機組齒輪箱均帶有強制潤滑冷卻系統和加熱器，但在一些地區，如我國廣東省的沿海地帶，氣溫很少低于0℃，則無須考慮加熱器。

發電機在工作過程中也會產生大量的熱，其各種損耗是電機發熱的內在因素，主要包括：①鐵損耗，包括轉子表面損耗、轉子磁場中的高次諧波在定子上產生的附加損耗、齒內的脈振損耗、定子的諧波磁勢磁通在轉子表面上產生的損耗，以及定子端部的附加損耗（這是定子端接部分的漏磁通在附近各部件中產生的鐵損耗）; ② 銅損耗，包括繞組導線中的銅損耗（常稱為基本銅損耗）和槽內橫向漏磁通使導線截面上電流分布不均勻所增加的附加銅損耗；③勵磁損耗，指維持發電機勵磁所產生的損耗，主要是勵磁繞組中的銅耗和勵磁回路中元件損耗；④機械損耗，主要是軸承損耗和通風損耗（包括風摩損耗）及炭刷損耗。

單機容量增大是當今風電技術的發展趨勢，而發電機容量的提高主要通過增大發電機的線性尺寸和增加電磁負荷兩種途徑來實現。由于發電機的損耗與線性尺寸的三次方成正比，因此增加線性尺寸的同時也會引起損耗增加，造成發電機效率下降；而通過增加電磁負荷的途徑，也因受到磁路飽和的限制很難實現。目前，提高單機容量的主要措施是增加線性尺寸，但增加線性尺寸的同時會增加線棒銅損，線圈的溫度將增加，絕緣老化加劇，最終可能達到無法容許的程度。這時就必須采用合適的冷卻方式有效地帶走各種損耗所產生的熱能，將電機各部分的溫升控制在允許范圍內，保證發電機安全可靠地運行。可以說，發電機單機容量的增加主要是依靠電機冷卻技術的提高來實現的。

控制變頻器包括對系統運行進行實時監控的控制設備以及對發電機轉子繞組輸入電流與發電機輸出電流進行變頻處理的變頻設備。隨著風力發電機組的發展，系統的輔助及控制裝置越來越多，控制變頻器所承擔的任務也因此越來越復雜，產生的熱量越來越大，為了保護風力發電機組系統各部件長期穩定運行，需要及時對其進行冷卻處理。

由于風力發電機組散熱量來自機艙內各個組件，因此對機組采用的冷卻方案取決于機組所選用的設備類型、散熱量大小和組件在機艙內部的位置等因素，冷卻方案設計具有靈活性、多樣性。總體而言，早期的風力發電機組由于功率較小，其發熱量也不大，只需通過自然通風就可以達到冷卻要求。隨著風力發電機組的功率逐步增大，自然通風已經無法滿足機組的冷卻需求，目前運行的風力發電機組普遍采用強制風冷與液冷的冷卻方式，其中功率較小的風力發電機組多采用強制風冷方式，而對于中大型風力發電機組，則需采用循環液冷的方式才能滿足冷卻要求。

2.7.1 空冷方式

空冷方式是指利用空氣與風力發電機組直接進行熱交換達到冷卻效果，它包括自然通風冷卻和強制風冷兩種方式。

1．自然通風冷卻

自然通風是指風力發電機組不設置任何冷卻設備，機組暴露在空氣中，由空氣自然流通將熱量帶走。早期的風力發電機組發電功率和散熱量都較小，只需通過自然通風即可滿足冷卻需求。

2．強制風冷

強制風冷是指在自然通風無法滿足冷卻需求時，通過在風力發電機組內部設置風扇，當機艙內的空氣溫度超過某一值時，控制系統將機艙與外界相連的片狀閥開啟，并使用風扇對風力發電機組內各部件進行強制鼓風從而達到冷卻效果。由于風冷通風系統的好壞直接影響到風力發電機組的冷卻效果，與風力發電機組的安全穩定運行密不可分，因此通風系統的設計顯得至關重要。風路是否順暢，能否帶走風力發電機組各個發熱部位的熱量，對風力發電機組的性能有很大的影響。

強制風冷系統在具體實施時還可根據系統散熱量的大小和各部件的散熱特性選用不同的冷卻方式。一般功率在300kW以下的機組，其齒輪箱多數是靠齒輪轉動攪油飛濺潤滑，齒輪箱的熱平衡受機艙內通風條件的影響較大，且發電機與控制變頻器的散熱量較小，因此可在齒輪箱高速軸上裝冷卻風扇，隨齒輪箱運轉鼓風強化散熱，同時還可加大機組內部通風空間和繞組內部風道，增大熱交換面積，達到對系統各部件冷卻的效果。與之相比，功率在300kW以上的機組，其齒輪箱與發電機所產生的熱量有較大增加。對于齒輪箱而言，僅依靠在高速軸上裝冷卻風扇或在箱體上增加散熱肋片都不足以控制住溫升，只有采用循環供油潤滑強制冷卻才能解決問題，即在齒輪箱配置循環潤滑冷卻系統和監控裝置，用油泵強制供油，潤滑油經過濾和電動機鼓風冷卻再分配到各個潤滑點，保持齒輪箱油溫在允許的最高溫度以下。這種循環潤滑冷卻方式較為完善可靠，但對齒輪箱而言，增加了一套附屬裝置，所需費用大約為一臺齒輪箱價格的10%。發電機的散熱則通過設置內、外風扇產生冷卻風對其進行表面冷卻。理論上風扇的風量大、風速高，對進一步降低發電機溫升有好處，但這會導致冷卻風扇尺寸過大，進而增大了發電機風摩耗，降低發電機效率。因此，在設計時需合理確定風扇尺寸，使發電機的風摩耗能控制在較低水平而又能保證其溫升符合要求。

風冷系統具有結構簡單、初投資與運行費用都較低、利于管理與維護等優點，然而其制冷效果受氣溫影響較大，制冷量較小，同時由于機艙要保持通風，導致風沙和雨水侵蝕機艙內部件，不利于機組的正常運行。隨著機組功率的不斷增加，采用強制風冷已難以滿足系統冷卻要求，液冷系統應運而生。

2.7.2 液冷方式

由熱力學知識可知，風力發電機組冷卻系統中的熱平衡方程式為

Q=qmcp（t2-t1）

式中 Q——系統的總散熱量；

qm——冷卻介質的質量流量；

cp——冷卻介質在進口溫度t1與出口溫度t2溫度范圍內的平均定壓質量比熱。

由于液體工質的密度與比熱容都遠遠大于氣體工質，因此冷卻系統采用液體冷卻介質時能夠獲得更大的制冷量而結構更為緊湊，能有效地解決風冷系統制冷量小與體積龐大的問題。

對于兆瓦級的風力發電機組而言，其齒輪箱與發電機的發熱量較大，通常需采用液冷方式進行冷卻，冷卻系統的結構如圖2-31所示。

冷卻系統內冷卻介質先流經油冷器，與高溫的齒輪箱潤滑油進行熱交換，帶走齒輪箱所產生的熱量，然后流入設置在發電機定子繞組周圍的換熱器，吸收發電機產生的熱量，最后由水泵送至外部散熱器進行冷卻，再繼續進行下一輪循環熱交換。在通常情況下，冷卻水泵始終保持工作，循環將系統內部熱量帶至外部散熱器進行散熱。而潤滑油泵可由齒輪箱箱體內的溫度傳感器控制，當油溫高于額定溫度時，潤滑油泵啟動，油被送到齒輪箱外的油冷器進行冷卻。當油溫低于額定溫度時，潤滑油回路切斷，停止冷卻。由于各風力發電機組采用的控制變頻器不同，其功能與散熱量也有所差異。當控制變頻器的散熱量較小時，可在機艙內部設置風扇，對控制變頻器與其他散熱部件進行強制空冷；當控制變頻器的散熱量較大時，可在控制變頻器外部設置換熱器，由冷卻介質將產生的熱量帶走，從而達到對控制變頻器的溫度控制。

對于發電功率更大的兆瓦級風力發電機組，其齒輪箱、發電機與控制變頻器的散熱量都比較大，對系統的冷卻可采用對發電機和控制變頻器進行液冷與對齒輪箱潤滑油進行強制空冷相結合的冷卻方式，圖2-32所示即為采用此冷卻方式的某1.5MW風力發電機組冷卻系統。機組的冷卻系統包括油冷與水冷系統兩部分，其中油冷系統負責齒輪箱的冷卻，水冷系統則負責發電機與控制變頻器的冷卻。在油冷系統中，潤滑油對齒輪箱進行潤滑，溫度升高后的潤滑油被送至機艙中部上方的潤滑油冷卻裝置進行強制空冷，冷卻后的潤滑油再回到齒輪箱進行下一輪的潤滑。水冷系統則是由乙二醇水溶液-空氣換熱器，水泵，閥門以及溫度、壓力、流量控制器等部件組成的閉合回路，回路中的冷卻介質流經發電機和控制變頻器換熱器將它們產生的熱量帶走，溫度升高后進入機艙尾部上方的外部散熱器進行冷卻，溫度降低后回到發電機和控制變頻器進行下一輪冷卻循環。

與采用風冷冷卻的風力發電機組相比，采用液冷系統的風力發電機組結構更為緊湊，雖增加了換熱器與冷卻介質的費用，卻大大提高了風力發電機組的冷卻效果，從而提高了風力發電機組的工作效率。同時由于機艙可以設計成密封型，避免了艙內風沙雨水的侵入，給機組創造了有利的工作環境，還延長了設備的使用壽命。