电力电子装置热管理技术

《电力电子装置热管理技术》以大功率电力电子设备的热设计为对象，以高压直流输电换流阀水冷却设备为案例，详细阐述了大功率电力电子装置的热管理技术。通过大量的工程设计和工程经验向读者全面阐述了工业化的大功率电力电子装置的热管理技术。全书共7章，详细介绍了电力电子器件的热特性、电力电子冷却的基本原理、电力电子设备用换热设计、HVDC换流阀冷却系统集成设计、电力电子设备换热仿真、冷却系统电气设计及冷却设备的运行维护。
《电力电子装置热管理技术》由行业内一线工程师撰写，讲解循序渐进，通俗易懂，并给出大量实例，不仅适合电力电子行业的操作人员、电力电子设备热设计工程技术人员学习和参考，同时也可以作为电子、机械、热能等相关专业本科生、研究生的参考书。

前言
第1章电力电子器件的热特性
1.1电力电子冷却装置
1.2电力电子器件的损耗与发热
1.3电力电子器件的失效机理与可靠性
1.4温度对器件性能的影响
第2章电力电子冷却的基本原理
2.1电力电子传热的基本理论
2.2风冷
2.3液冷
2.4热管冷却
2.5其他冷却方式
第3章电力电子设备用换热设计
3.1电力电子设备半导体冷却方式的选择与选型
3.2大功率电力电子装置液冷内冷系统设计计算
3.3大功率变流器液冷系统外冷设计计算
第4章HVDC换流阀冷却系统集成设计
4.1HVDC换流阀冷却系统概述
4.2换流阀冷却系统基本结构
4.3外循环冷却系统基本结构
4.4冷却系统的结构设计
4.5若干性能参数的测量
第5章电力电子设备换热仿真
5.1概述
5.2电力电子热处理器件设计仿真
5.3液冷却系统仿真
第6章冷却系统电气设计
6.1交流电源配置要求
6.2控制原理与方法
6.3电磁兼容
6.4换流阀冷却控制系统配置
6.5换流阀冷却控制系统通信
6.6换流阀冷却控制系统的保护
6.7换流阀冷却控制系统的故障诊断
第7章冷却设备的运行维护
7.1故障判定与运行维护的依据
7.2换流阀冷却控制系统的维护
7.3常规变流器冷却系统的维护
参考文献 

能源和环境问题是当今世界面临的两大问题。能源结构在日新月异的发展。随着绿色能源时代的到来，以可再生能源、核能、天然气等代表的能源体系将替代以煤、石油等化石原料为主的能源体系。这些能源转换形式往往以电能的形式为人们所用，进而推动了科技的高速发展，而现代科技的飞速发展得益于电气工程设备运用。2014年在巴黎召开的国际大电网会议（CIGRE）评出的20世纪影响人类十大工程技术中，电力工程排在第一。
电能作为人类能源消耗主流，其生产、传输及合理开发备受关注。能源的转换离不开电力电子技术，未来几乎所有的电能必须经过电力电子的变换方可使用。电力变换需要大量的电力电子装置，这些装置需要电力电子热管理技术。
国际上推动大功率电力电子技术和产业发展的是西门子、ABB和阿尔斯通等少数国际大公司，并处于垄断地位。我国无论是在产业上、技术上跟国际水平都还有很大差距，有学者认为当前我国总体上与国际发达国家水平相差10年左右。但是，我国电力电子技术在某些领域的应用非常突出。我国从2000年来在直流输电方面取得了世界瞩目的成绩，中国西电集团、中国电力科学研究院、许继集团等获得了换流阀自主设计生产。这些成绩也得益于电力电子设备制造的长足发展，其中重要一环是电力电子装置的纯水冷却设备。
2000年以前，我国的直流输电系统用纯水冷却设备基本都是从国外进口（如ABB和西门子等），随着近10年来行业技术的发展，直流输电工程换流阀用纯水冷设备也逐步实现了国产化，并逐步取代了进口产品的市场。2014年我国国家电网中标巴西美丽山项目。采用的换流阀是西门子换流阀，而换流阀冷却系统则为广州高澜节能技术股份有限公司生产（以下简称高澜股份）。高澜股份是换流阀冷却装置国产化厂商的代表者之一，是国内最早的HVDC换流阀和SVC换流阀水冷系统的生产厂家。同时高澜股份还将以高压直流输电换流阀用纯水冷却装置为案例推广到其他大功率电力电子设备如变流器纯水冷却系统方面，目前已广泛应用于发电、输电、配电及用电各个环节电力电子装置的冷却。高澜股份将累积了多年的设计和维护经验分享给各设计和运行人员。
从目前来看，在我国有不少介绍电子设备的相关热设计的书籍，但是，专门介绍电力电子设备冷却的书籍甚少。因此一般电力电子工程师从电子设备、化工、热能工程相关专业的角度来面对电力电子热设计。
从国内电子设备相关的书籍来看，与电子设备热设计和冷却技术相关的书籍都有一些。早在1989年丁连芬等校译了美国军工可靠性热设计标准［1］，同年由谢德仁［2］主编东南大学出版的《电子设备热设计》从电子设备的热设计出发，认为其设计必需根据设备功能的要求和所处的环境条件来进行。考虑的主要因素包括设备的尺寸、质量、电子元器件的耗热量、温度控制范围、电路形式、结构组装特点、热环境和热耗散空间等。1992年，国防工业出版社出版了［美］巴科恩《电子设备的热控制与分析》，到2012年该书进行了再版。1995年徐维新［3］ 编著的《电子设备冷却技术》从电子设备可靠性进行热设计。根据我国军标和美国军标可靠性任务中将热管理和设计作为一个大类。而后邱成悌2001年［4］、2005年［5］编修了《电子设备结构设计原理》，近年来，余建祖［6］（2008年）、赵惇殳［7］（2009年）、王健石［8］（2011年）编撰了电子设备热设计相关书籍，而热设计和热管理的每项任务是为了满足电力电子系统的可靠性指标。因此，要求热设计工作必须在总体设计的初期阶段进行。热设计人员应从系统工程观点出发拟定一个合理、经济、可行的热设计方案，以满足电子设备温升控制的指标。
化工、热能工程相关专业大多从冷却单元和冷却系统角度的角度来考虑此类问题。另外由于计算机技术的迅猛发展，模拟仿真丰富了热设计的研究方式，市面上也出现了众多的商业软件和书籍。近年来大量的采用ANSYS进行结构热设计仿真模拟［9-11］，而ANSYS Icepak、FloTHERM、FloEFD等软件更是直接针对电子设备热设计进行模拟仿真。MATLAB可以对系统进行静动态分析［12］，还可以运用MATLAB/Simulink和AMESim软件建立了冷却系统联合仿真［13］，其他关于液态系统热设计的软件如Flowmaster、Pipeflow、TRNSYS等一维系统设计软件，甚至电力设计软件只要建模正确均可以进行系统设计和元件的仿真模拟。文献［14］采用简化模型（Compact Thermal Model，CTM）和详细器件模型（Detailed Thermal Model，DTM）建立热电等效模拟，采用PSpice仿真模拟，此种方法可以计算上万个单元串并联的情况。
从国内文献检索来看，我国进行高热流密度电子设备的散热技术的研究较早［15］，但是，着重研究大功率电力电子冷却要到2000年，将封闭循环水冷却系统用于国产±20Mvar STATCOM中［16］。2000年后，我国大量引入远距离高压直流输电技术、大功率无功补偿SVC技术，而其关键技术在其大功率换流阀器件，这种大功率电力电子设计热设计基本上属于其三大设计之一。后来，宗朝晖［17］、陈建业［14］、张小京［18］、冷明全［19］等人对电力电子的冷却技术进行补充，使得电力电子的冷却技术到电力电子冷却装置的理论和技术更加具体。
《电力电子装置热管理技术》将前人的电力电子装置的冷却技术、热设计技术、运行维护等技术综合成热管理技术。本书分为7章。主要策划人为吴文伟（高澜股份的总经理，公司的创始人，高压大功率电力电子设备纯水冷却核心技术人员）。策划顾问为清华大学陈建业教授（作为高澜股份的技术顾问，是高压大功率电力电子设备纯水冷却行业的先行者）。主要撰写和审稿人员为文玉良、陆建峰、卢志敏，其他参与人员有冷明全、刘重强、吴健超、吴安兵、张彬等高澜股份一线工程师。
第1章介绍电力电子器件的热特性，主要执笔人为文玉良博士，高级工程师，高澜股份的节能研究院副院长，长期从事电力电子产品的冷却工作。
第2章为介绍了电力电子传热的基本理论，主要执笔人为中山大学陆建峰教授（高澜股份的技术顾问，研究领域主要为新能源传热和节能）。电力电子传热包括三种基本传热方式：热传导、对流和辐射；电力电子的封装包含了三种基本进行了理论分析。同时介绍了电力电子的几种冷却方式：风冷包括自然对流冷却和强迫对流；液冷和热管及其他半导体微通道等冷却方式。
第3章介绍电力电子设备半导体冷却方式的选择和选型，主要执笔人为文玉良。其中简单介绍风冷和热管散热器两个案例；其次以液冷系统为例，重点介绍直流输电换流阀纯水冷却装置用水冷系统的换热设计；再次介绍一般电力电子装置的纯水冷却装置用水冷系统及其案例；最后介绍其他电力电子设备的冷却系统及其案例。
第4章以高压直流输电换流阀冷却系统集成设计为例来介绍电力电子装置的换热设备集成设计的液冷有关技术。主要执笔人为卢志敏，高澜股份的副总工程师，长期从事换流阀冷却系统集成设计工作。参与人包括吴安兵、刘重强工程师。换流阀冷却系统主要包括主循环系统、副循环系统以及外冷却系统设备的相关设计和选型。
第5章介绍电力电子设备仿真的相关的软件和方法。主要执笔人为文玉良，参与人有刘重强。其中第一小节为概述，第二小节介绍采用元件设计仿真；第三小节涉及系统级仿真设计，重点介绍Flowmater和Pipeflow两个软件。最后一个小节介绍其他各种方针和模拟的思路。
第6章介绍电力电子装置冷却系统电气设计。主要执笔人为吴文伟，参与人有冷明全、吴健超、张彬等工程师。该章包括电力电子热能管理的电气控制有关知识体系，重点以换流阀冷却系统的控制为主阐述控制系统配置、换流阀冷却控制系统通信、系统保护和故障诊断等内容。
第7章介绍电力电子冷却设备的风冷设备和水冷设备的运行维护，重点在其设备的运动部件和易损部件。主要执笔人为卢志敏，参与人为刘重强。其中第一小节进行概述，第二小节介绍采用元件设计仿真。
本书涉及的内容均出自作者和相关的编写人员发表的学术论文中，在此表示感谢。还要感谢广东省战略新兴项目（2012A090100005）、国家电网智能电网研究院委托的换流阀高效节能智能化冷却设备技术研究项目、南方电网超高压输电公司委托的直流阀冷系统水质分析及离子交换树脂试验检测平台等项目给予的资助。
由于作者水平有限，本书编写过程中存在缺陷和不足，欢迎广大读者和专家学者批评指正。