A. 变频器水冷系统如何运行
1 水冷型SFC工作原理
1.1 SFC工作原理
静止变频器根据发电机转子位置以逐渐升高的频率交替向发电机定子某两相通入电流，产生超前于转子磁场的定子旋转磁场，通过定子磁场与转子磁场的相互作用生成加速力矩将转子加速到指定转速。如图1所示，控制机侧变流器晶闸管的顺序导通和换向，保证在定子两相绕组中流通的直流电流Id产生的定子磁场s总是超前于转子磁场f。
作为一种自控式同步电机变频驱动系统，需要实时准确观测发电机转子位置作为逆变桥换相依据。与此同时，由于晶闸管是半控型器件，当发电机转速较低时，同步电机感应电势无法满足晶闸管关断需求，需采用脉冲换相方式。当发电机转速高于10%额定转速时，感应电势幅值升高，可采用负载换相方式。
图1 SFC基本工作原理
1.2 水冷系统原理
静止变频器运行过程中，晶闸管产生大量热量，通过水冷散热方式，可高效、快速地带出热量，水冷系统流程图如图2所示，水冷系统包含内循环和外循环两个回路。
在内循环回路中，主循环泵提供适当压力，使冷却介质流经晶闸管散热器件，并将晶闸管中的热量带走。经过板式换热器，内循环回路中的冷却介质热量传递到外循环回路冷却介质中。内循环回路中的冷却介质温度降低再次流入晶闸管散热器中，形成闭式循环。
在外循环回路中，板式换热器的热量通过冷却介质回流到抽蓄电站水源，由于水源体量巨大，自然冷却即可实现外循环冷却介质重复利用。此外，为了保证冷却系统容量稳定、保护静止变频器的冷却管路以及满足电气运行要求，在内、外循环回路中均需要加入过滤器、去离子支路、稳压支路等，提高冷却介质质量。
图2 水冷系统原理图
2 水冷型SFC紧凑型阀组设计
本次提供的紧凑型阀组以12-6脉动拓扑结构为设计依据，在外形尺寸、检修维护及可靠性方面进行了特殊设计，目的是应对小空间、设备改造、定期维护等需求。
2.1 整体布局概述
如图3所示，本方案从左至右依次为控制柜及水冷柜、网桥柜、直流电抗器柜、机桥柜。进线电缆从网桥柜底部接入，通过铜排转接至直流电抗器柜和机桥柜。布局中，控制柜及水冷柜背靠背布置，可节省横向尺寸、并使柜体宽度保持一致。
图3 SFC整体平面布局图
按照该布局，设备整体二次控制部分集中在控制柜内，与功率器件部分间隔远，提高了操作的安全性。网桥柜、直流电抗器柜与机桥柜为三联柜，柜间接线及水路预先安装，减少现场工作。
2.2 阀组布置及紧凑型结构设计
整体布局中，阀组的尺寸及出线位置决定了网桥柜与机桥柜的走线方式。在满足检修、维护的基础上，减小阀组尺寸、合理布置阀组高度可增大柜内走线空间，提高电气安全裕度。阀组在机桥柜与网桥柜内均为三层布置，分别对应A、B、C三相。
单个阀组包括晶闸管、散热器、晶闸管控制单元、电阻、电容、加压装置及其他辅助结构件。阀组作为完整模块可进行单独安装和拆卸。如图4所示，阀组为三层结构。晶闸管、散热器、加压装置与辅助结构件构成的硅堆位于阀组中层，电阻及电容布置在阀组上层。
根据各器件在现场的维护频次及难度，将需要水冷却的电阻布置在阀组前侧，电容布置在后侧，便于电阻年检及水接头更换。电阻与硅堆高度方向预留90mm的空间，便于拆装电阻底部的固定螺钉。晶闸管控制单元布置在阀组下层，通过硅堆的散热器翅片固定并取晶闸管阴极电位。
晶闸管控制单元光纤插口朝外，接线端朝内，方便光纤的现场敷设。晶闸管压接力135kN，根据国标GB/T 1972—2016选取承载力、刚度较大的A系列碟簧，计算单片碟簧工作状态压缩量为2.35mm。为确保检修时有足够空间取出晶闸管定位销，须确保加压机构加压前后约有10mm的伸缩量，故碟簧片数定为4片，此时伸缩量为9.4mm。
电阻、电容固定用安装板采用环氧玻璃布层压板，具有较低的吸湿性和较高强度，防止晶闸管级间爬距在湿度较大环境失效。电阻外表面包覆PVDF外壳，绝缘能力强。各级电容之间的安装板上开槽，增大电容间爬距。
图4 硅堆及阀组布置图
2.3 阀组水路设计
水冷型SFC采用纯水对散热器冷却的方式间接冷却晶闸管和电阻。每个散热器均设置有一个进水口和一个出水口。图4中，阀组前方横向安装一根进水管和一根回水管，并根据散热器位置开设有水嘴。进水管水嘴通过四氟管连接到散热器进水口，回水管水嘴连接到散热器出水口，形成散热器水路循环。
为减小水路流阻，确保电阻散热效果，电阻与散热器水路采用并联方式。进水管、回水管单独开设水嘴对应电阻，通过四氟管连接到电阻进、出水口，形成电阻水路循环。
网桥柜、机桥柜中，阀组按照A、B、C三相对应关系布置在同一高度、同一深度。该特点使柜内主水管弯头减少、布局精简。为降低阀组水路最高点，避免水管对水冷系统形成负压导致气体聚集，主水管均从柜体底部接入阀组，顶部阀组支路水管即为设备水位最高点。
3 水冷系统设计