變頻器水冷系統如何運行？
1.1 SFC工作原理
靜止變頻器根據發電機轉子位置以逐漸升高的頻率交替向發電機定子某兩相通入電流，產生超前於轉子磁場的定子旋轉磁場，通過定子磁場與轉子磁場的相互作用生成加速力矩將轉子加速到指定轉速。如圖1所示，控制機側變流器晶閘管的順序導通和換向，保證在定子兩相繞組中流通的直流電流Id產生的定子磁場?s總是超前於轉子磁場?f。
作為壹種自控式同步電機變頻驅動系統，需要實時準確觀測發電機轉子位置作為逆變橋換相依據。與此同時，由於晶閘管是半控型器件，當發電機轉速較低時，同步電機感應電勢無法滿足晶閘管關斷需求，需采用脈沖換相方式。當發電機轉速高於10%額定轉速時，感應電勢幅值升高，可采用負載換相方式。
圖1 SFC基本工作原理
1.2 水冷系統原理
靜止變頻器運行過程中，晶閘管產生大量熱量，通過水冷散熱方式，可高效、快速地帶出熱量，水冷系統流程圖如圖2所示，水冷系統包含內循環和外循環兩個回路。
在內循環回路中，主循環泵提供適當壓力，使冷卻介質流經晶閘管散熱器件，並將晶閘管中的熱量帶走。經過板式換熱器，內循環回路中的冷卻介質熱量傳遞到外循環回路冷卻介質中。內循環回路中的冷卻介質溫度降低再次流入晶閘管散熱器中，形成閉式循環。
在外循環回路中，板式換熱器的熱量通過冷卻介質回流到抽蓄電站水源，由於水源體量巨大，自然冷卻即可實現外循環冷卻介質重復利用。此外，為了保證冷卻系統容量穩定、保護靜止變頻器的冷卻管路以及滿足電氣運行要求，在內、外循環回路中均需要加入過濾器、去離子支路、穩壓支路等，提高冷卻介質質量。
圖2 水冷系統原理圖
2 水冷型SFC緊湊型閥組設計
本次提供的緊湊型閥組以12-6脈動拓撲結構為設計依據，在外形尺寸、檢修維護及可靠性方面進行了特殊設計，目的是應對小空間、設備改造、定期維護等需求。
2.1 整體布局概述
如圖3所示，本方案從左至右依次為控制櫃及水冷櫃、網橋櫃、直流電抗器櫃、機橋櫃。進線電纜從網橋櫃底部接入，通過銅排轉接至直流電抗器櫃和機橋櫃。布局中，控制櫃及水冷櫃背靠背布置，可節省橫向尺寸、並使櫃體寬度保持壹致。
圖3 SFC整體平面布局圖
按照該布局，設備整體二次控制部分集中在控制櫃內，與功率器件部分間隔遠，提高了操作的安全性。網橋櫃、直流電抗器櫃與機橋櫃為三聯櫃，櫃間接線及水路預先安裝，減少現場工作。
2.2 閥組布置及緊湊型結構設計
整體布局中，閥組的尺寸及出線位置決定了網橋櫃與機橋櫃的走線方式。在滿足檢修、維護的基礎上，減小閥組尺寸、合理布置閥組高度可增大櫃內走線空間，提高電氣安全裕度。閥組在機橋櫃與網橋櫃內均為三層布置，分別對應A、B、C三相。
單個閥組包括晶閘管、散熱器、晶閘管控制單元、電阻、電容、加壓裝置及其他輔助結構件。閥組作為完整模塊可進行單獨安裝和拆卸。如圖4所示，閥組為三層結構。晶閘管、散熱器、加壓裝置與輔助結構件構成的矽堆位於閥組中層，電阻及電容布置在閥組上層。
根據各器件在現場的維護頻次及難度，將需要水冷卻的電阻布置在閥組前側，電容布置在後側，便於電阻年檢及水接頭更換。電阻與矽堆高度方向預留90mm的空間，便於拆裝電阻底部的固定螺釘。晶閘管控制單元布置在閥組下層，通過矽堆的散熱器翅片固定並取晶閘管陰極電位。
晶閘管控制單元光纖插口朝外，接線端朝內，方便光纖的現場敷設。晶閘管壓接力135kN，根據國標GB/T 1972—2016選取承載力、剛度較大的A系列碟簧，計算單片碟簧工作狀態壓縮量為2.35mm。為確保檢修時有足夠空間取出晶閘管定位銷，須確保加壓機構加壓前後約有10mm的伸縮量，故碟簧片數定為4片，此時伸縮量為9.4mm。
電阻、電容固定用安裝板采用環氧玻璃布層壓板，具有較低的吸濕性和較高強度，防止晶閘管級間爬距在濕度較大環境失效。電阻外表面包覆PVDF外殼，絕緣能力強。各級電容之間的安裝板上開槽，增大電容間爬距。
圖4 矽堆及閥組布置圖
2.3 閥組水路設計
水冷型SFC采用純水對散熱器冷卻的方式間接冷卻晶閘管和電阻。每個散熱器均設置有壹個進水口和壹個出水口。圖4中，閥組前方橫向安裝壹根進水管和壹根回水管，並根據散熱器位置開設有水嘴。進水管水嘴通過四氟管連接到散熱器進水口，回水管水嘴連接到散熱器出水口，形成散熱器水路循環。
為減小水路流阻，確保電阻散熱效果，電阻與散熱器水路采用並聯方式。進水管、回水管單獨開設水嘴對應電阻，通過四氟管連接到電阻進、出水口，形成電阻水路循環。
網橋櫃、機橋櫃中，閥組按照A、B、C三相對應關系布置在同壹高度、同壹深度。該特點使櫃內主水管彎頭減少、布局精簡。為降低閥組水路最高點，避免水管對水冷系統形成負壓導致氣體聚集，主水管均從櫃體底部接入閥組，頂部閥組支路水管即為設備水位最高點。
3 水冷系統設計