摘要：本文通过对原2MW风机变频器研究与分析，设计开发了4000米海拔以内的高原型风电变频器，解决了海拔高、低空气密度、空气湿度大、温差大等环境因素带来的绝缘、散热、雷击影响、低温适应性等问题，重新设计研究的2MW风电高原型变频器应用后运行稳定，投运风场获得高度肯定。
关键词：高原型 变频器设计 环境 推广应用
一、前言
云南地处于高海拔地区，具有实际可开发风场场址最高海拔4300米、最低1400米，全省累计设置现场测风塔660座，90％的测风塔位于海拔2000米以上，属典型的高海拔山地风场。高海拔山地风场位于高山山脊和高山台地上，是各区域内的制高点和风能资源相对较好的地带，但其空气密度低、气温低、湿度大、覆冰等气候灾害影响较大。
目前，市场上主流的兆瓦级风电变频器只适应海拔高度为2000米以下的风电场，无法适应风资源良好的西南、西北高原以及国外类似环境的广大风区。因此为了扩大2MW风电变频器的适应范围，在原有2MW风电变频器的基础上，开发了新型2MW风电高原型变频器，使产品适应海拔区间扩大至4000米。
二、关键共性技术分析
与平原相比，高原的气候特点主要表现在：低气压和低氧、气候寒冷、干燥、多风、光照强度大等几个方面。高原气候的气压、温度、湿度等主要气候因素综合作用的结果，并不是使一个产品所有的电气性能都受到不利的影响，只是使部分电气性能受到影响而变差。对于不同产品（产品不同部件），影响的方面也不一样。对输变电设备、高压电机等产品，外绝缘的影响较为突出；对有通风散热结构的旋转电机和有风冷式散热器的产品，温升的影响较为突出；对以空气为灭弧介质的低压电器产品，灭弧能力和电寿命的影响较为突出。总之，各种设备使用在高原环境上的设计应该减低这些影响，提高绝缘配合，同时增大电气间隙，在选择材料上和器件上综合考虑，从结构设计和选择高原型器件入手，解决相关技术问题。
三、高原型变频器设计研究
（1）散热问题
针对散热的问题，变频器配合整机系统热设计的要求，选用水冷设计，方便通过液冷的方式将损耗的能量传导到远离变频器和机舱的换热器上，再通过气热换热器将损耗的能量带走。避免热量在变频器和机舱等重要空间的累积导致该部分温升过高的问题。在其他方面，变频器充分考虑高原环境的影响，将器件载流的降额系数降低到平原的0.9倍，用更大的裕量应对高原散热的影响。
（2）对绝缘方面的影响
在绝缘方面，变频器按照比IEC标准更加严格的标准设计了变频器内部的安规距离，下表为变频器设计的安规距离和IEC标准的比较。由于海拔升高，产品绝缘表面及不同电位的带点间隙比较容易击穿，特别是对电气间隙和爬电距离的影响较大。参考GB/T 20626.1-2006规定，对应用在海拔4000米的变频器内部设计按照1.29倍的修正处理。
表1 变频器设计安全距离和IEC标准比较
从上表可以看出，变频器对安规距离的设计超过了标准的要求。参考GB/T 20626.1-2006规定，海拔升高，空气密度降低，造成绝缘强度降低。一般海拔每升高100m，绝缘强度约降低1%，对于高原型双馈变频器而言，柜内的低压器件包括主断路器、并网接触器、熔断器、空气开关等使用于2000m以上的海拔时候，工频耐受电压值和冲击耐受电压值应符合常规型相应产品标准的要求。在产品使用地点海拔与试验地点海拔不同时，试验电压值应乘以修正系数，修正系数可按GB/T 20626.1-2006中5.6.1规定的系数进行修正。
另外，对单板都进行了三防处理，加强绝缘能力。
（3）雷击影响
针对雷击的风险，变频器构建了三级防雷体系，如下图所示：
图 变频器三级防雷系统图
通过三级防雷系统的设计，将雷电流在进入敏感器件前在系统外泄放掉，保证雷电流引起的过电压处于一个较低的过电压值。
（4）低温适应性
在低温适应性方面，系统规划了加热除湿系统，当环境温度低于0度时系统自动开始加热，使系统保持在0度以上的工作温度，另外，系统设计过程中也都选用低温型器件，通过双保障系统的设计，极大提高了变频器系统在低温环境的生存能力。
（5）防凝露设计
在防凝露方面，通过加热除湿系统，让柜体内温度始终高于环境温度，也就高于空气的露点温度，可以杜绝凝露现象发生。另外变频器在设计中的采用分层理念生成的小空间布局使各功能区域的加热除湿系统更加均匀有效。其次通过三防措施到位，防止凝露潮湿的影响。
（6）器件选型
高海拔对低压电器的选型有着较大的影响，除了对电气间隙以及器件的绝缘的影响，同时还影响着一些开关器件的内部特性，比如绝缘强度、材料和寿命、低压电器的动作特性、分断能力等等。需要就相关影响进行针对性选型。
（7）设计参数介绍
网侧、机侧变换器设计根据国标GB/T 3859.2-1993 半导体变频器应用导则中规定，高原型变频器在平原环境下做试验，按照如下曲线进行考核：
图2：变频器电容电量与海拔高度变化曲线图
2.0MW 高原型变频器实际参数如下表：
四、实际应用推广情况
随着三北地区的风电机组的大量安装以及限电影响，云贵高原成为近年陆上风电的新兴开发区域，同时由于该地区一般为III类或IV类风场，相应电价较高，基本无限电影响，具有较好的投资收益。本项目主要针对高原这一细分市场，在原2MW变频器基础上设计开发了4000米海拔以内的2MW高原型变频器，解决了海拔高导致低空气密度、空气湿度大、温差大等环境因素带来的绝缘、散热等问题，运行稳定，并获得大量订单与大批量装机，投运风场获得高度肯定。
参考文献
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[2]张皓，续明进. 高压大功率变流变频调速技术[M]. 北京：机械工业出版社，2006，8.