해상 풍력 발전기의 패드형 변압기 제어 캐비닛을 위한 열 최적화 설계

전 세계 에너지 전환은 해상 풍력 발전을 촉진하지만, 복잡한 해양 환경은 터빈의 신뢰성에 도전을 제기합니다. 패드 장착 변압기 제어 캐비닛(PMTCCs)의 열 방출은 중요합니다—열이 방출되지 않으면 구성 요소가 손상됩니다. PMTCC 열 방출 최적화는 터빈 효율을 개선하지만 연구는 대부분 육상 풍력 발전소에 초점을 맞추고 해상 풍력 발전소를 간과하고 있습니다. 따라서 안전성을 높이기 위해 해상 조건에 맞게 PMTCC를 설계해야 합니다.

1. PMTCC 열 방출 최적화
1.1 열 방출 장치 추가

해상 PMTCC의 경우 소금 분무와 습기에 저항할 수 있는 완전 밀폐형 열 방출 장치를 추가하거나 최적화합니다. 변압기 옆에 설치되어 특수 인터페이스를 통해 연결되며 효과적인 냉각 루프를 형성합니다. 장치 내 공기 흐름: 그림 1 참조.

해상 풍력 발전소의 해양 기후 특성(큰 온도 변화, 높은 습도, 소금 분무 부식 등)으로 인해 변압기 제어 캐비닛의 열 방출 성능에 더 엄격한 요구 사항이 제시됩니다. 열 싱크 설계의 정밀 최적화를 달성하기 위해 이 연구는 ANSYS와 MATLAB을 혁신적으로 결합하여 유전자 알고리즘을 활용하여 열 싱크의 폭 매개변수를 최적화합니다.

ANSYS의 내장 파라미터 프로그래밍 언어의 최적화 알고리즘 직접 통합 제약 때문에 MATLAB을 중간 매개체로 사용합니다. ANSYS 2차 개발 인터페이스를 개발하여 ANSYS와 MATLAB 사이의 원활한 연결을 실현합니다. 열 싱크의 총 면적이 0.36 m²라고 가정하며, 열 싱크의 후면 폭 a_z와 측면 폭 a_c 사이의 관계는 다음과 같습니다:

자세한 계산과 시뮬레이션을 통해 열 싱크의 최적 후면 폭이 0.235 m로 결정되었으며, 두 개의 측면 열 싱크 폭은 1.532 m로 조정되었습니다. 이 최적화는 열 싱크의 총 면적을 유지하면서 열 방출 성능을 향상시킵니다.

1.2 강제 공기 냉각 기술

강제 공기 냉각은 팬을 사용하여 공기 순환을 가속화하여 공기 대류를 통해 온도 차를 확대하여 열 방출을 향상시킵니다. 안전하게 캐비닛 온도를 제어하지만, 덕트 내에서 마찰 및 국소 손실이 발생합니다. 최적화에는 덕트 폭을 100 mm에서 120 mm로 확장하고 수력 직경을 줄여 에너지 손실을 최소화하고 효율을 향상시키는 것이 포함됩니다. 냉각된 오일은 바닥 파이프를 통해 탱크로 반환되어 이중 냉각을 위한 폐쇄 루프를 형성합니다. 순환은 그림 2 참조.

열 방출 최적화를 위해 Oil Natural Air Forced (ONAF) 냉각 모드를 선택했습니다. 팬이 공기 흐름을 구동하여 냉각 공기가 하단에서 상단으로 흐르도록 하여 라디에이터의 전체 표면을 효과적으로 커버합니다.

1.3 주 변압기 챔버의 입구 및 배출구 최적화

변압기 제어 캐비닛의 전력 손실과 입구와 배출구 사이의 예상 온도 차에 따라 열역학을 사용하여 필요한 공기 흐름을 계산합니다. 공기 흐름 V의 공식은 다음과 같습니다:

공식에서:

• Q는 단위 시간당 열 방출량입니다;

• ρ는 공기 밀도입니다;

• b는 비열 용량입니다;

• ΔT는 입구와 배출구 사이의 온도 차입니다.

환기 효율이 감소할 가능성을 고려하여 측정된 공기 흐름률을 1.6V로 설정합니다. 효과적인 입구 면적 A를 계산하는 공식은 다음과 같습니다:

여기서 v는 입구와 배출구의 공기 속도를 나타냅니다. 변압기 제어 캐비닛의 전력 손실을 명확히 하고 입구와 배출구 사이의 예상 온도 차를 결정한 후, 열역학 원칙을 사용하여 필요한 공기 흐름 V를 계산합니다. 마지막으로, 공기 흐름 V에 따라 입구와 배출구의 특정 치수를 설계합니다:

• 입구: 폭 0.200 m, 높이 0.330 m;

• 배출구: 폭 0.250 m, 높이 0.264 m.

입구 압력 손실과 개구 면적 간의 상관관계 분석 결과, 개구 면적을 늘리면 효과적으로 가스 압력 손실을 줄이고 열 방출 효율을 향상시킬 수 있음을 확인했습니다. 제어 캐비닛의 구조적 강도를 보장하면서 입구 개구 면적을 0.066 m²로 설정하였습니다. 효과적인 환기 면적을 증가시키기 위해 격자와 루버 커버를 결합하는 방법을 채택하여 환기 통로를 늘리면서 먼지와 비의 침입을 방지합니다. 주 변압기 챔버의 하부에 지상에서 약 40 cm 위에 추가적인 공기 입구 창을 설치하여 입구 면적을 더욱 확장합니다.

하단 공기 흡입 및 상단 공기 배출 원칙에 따라 입구와 배출구의 배치를 최적화하였습니다. 입구는 주 변압기 챔버의 하부에, 배출구는 상부에 위치하여 자연 대류를 형성합니다. 이렇게 하면 뜨거운 공기가 부드럽게 상승하여 배출구에서 배출되고, 차가운 공기가 입구에서 들어와 효과적인 공기 순환을 생성하여 열 방출 효율을 향상시킵니다.

1.4 제어 캐비닛 구조 최적화

해상 풍력 발전소의 소금, 습기, 부식 물질 등의 독특한 문제를 해결하기 위해 고성능 방부 재료와 첨단 밀봉 기술을 사용하여 제어 캐비닛의 전반적인 보호를 강화합니다.

향상된 열 방출 설계:

• 최적화된 환기 창: 배출 창 부족으로 인한 열 방출 부족 문제를 해결하기 위해 상단과 측면에 추가적인 배기구를 전략적으로 배치합니다. 계산을 통해 구조적 무결성을 유지하면서 공기 흐름을 극대화하는 최적의 크기와 수량을 결정합니다:

• 상단 배치 배기구 80개(각 1.0 m × 0.2 m);

• 측면 배치 배기구 20개(각 2.0 m × 0.15 m).

케이블 진입 및 공기 흐름 최적화:

• 직사각형 입구: 프레임 베이스의 채널 강철에 직사각형 케이블 진입 포트를 가공하여 케이블 설치를 간소화하고 공기 흐름 경로를 개선합니다.

• 슬라이딩 바닥 판: 슬라이딩 바닥 판은 케이블을 단자로 라우팅하면서 효과적인 밀봉을 유지하여 내부 구성 요소를 보호합니다.

이러한 최적화는 열 관리와 시스템 신뢰성을 향상시키는 구조적이고 잘 구분된 케이블 배치를 제공합니다.

2. 실험 검증
2.1 실험 설정

열 방출 설계의 타당성을 검증하기 위해 해상 풍력 발전소 환경을 종합적으로 시뮬레이션하는 실험 플랫폼을 구축했습니다. 두 개의 팬을 사용하여 해상 풍속과 방향을 재현했습니다. 실험 장비는 표 1에 나열되어 있습니다.

팬을 사용하여 해상 풍속과 방향을 모방하여 해상 풍력 발전소 환경을 시뮬레이션할 때, 풍속의 균일성과 방향 다양성에 주의해야 합니다. 균일한 풍속은 제어 캐비닛의 열 방출 성능을 정확하게 평가하는 데 중요하며, 다양한 풍향은 해상 풍향의 변화를 더 포괄적으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 따라서 실험 중에는 팬을 정밀하게 제어하여 실제 해상 풍력 발전소 특성과 일치하도록 풍속과 방향을 맞추어야 합니다.

2.2 실험 결과 및 분석

해상 풍력 발전소 풍력 터빈 박스형 변압기 제어 캐비닛의 열 방출을 최적화한 후, 최적화 전후의 제어 캐비닛 각 부분의 열 방출 효율을 기록하였으며, 이를 표 2에 나타냈습니다.

2.3 결과 및 논의

표 2의 실험 데이터를 기반으로, 해상 풍력 발전소 패드 장착 변압기 제어 캐비닛의 열 방출 효율이 최적화 후 크게 향상되었습니다:

• 주요 영역 개선:

• 상단 환기 창: 효율이 772 W·℃⁻¹에서 1,498 W·℃⁻¹로 증가;

• 측면 환기 창: 효율이 735 W·℃⁻¹에서 1,346 W·℃⁻¹로 개선;

• 케이블 입구 영역: 효율이 892 W·℃⁻¹에서 1,683 W·℃⁻¹로 상승.
  이러한 결과는 강제 냉각 공기 시스템과 최적화된 입구/배출구 설계의 효과를 입증합니다.

• 라디에이터에서의 최대 개선:
  내부 라디에이터 효율이 가장 크게 향상되었습니다—980 W·℃⁻¹에서 1,975 W·℃⁻¹로 증가—최적화된 핀 매개변수와 캐비닛 구조가 열 성능 향상에 중요한 역할을 함을 보여줍니다.

3. 결론

이 연구는 해상 풍력 발전소의 혹독한 환경이 제어 캐비닛의 열 방출에 미치는 영향을 분석했습니다. 열 전달 원칙을 기반으로 목표 최적화 방안을 제안하고 실험적으로 검증했습니다. 최적화된 설계는 열 방출 효율을 향상시키고 내부 온도를 낮추는 동시에 부식 저항성을 향상시키고 서비스 수명을 연장합니다. 이러한 조치는 해상 풍력 발전소의 지속 가능한 운영을 위한 강력한 기술적 지원을 제공합니다.