SVC阀、HVDC换流阀冷却系统是典型的大功率电力电子装置，如为典型的HVDC换流阀模型。其冷却方式为纯水冷却，也叫去离子水冷系统，其冷却回路包含主循环回路和去离子回路两个水冷系统。

1.配水管路设计

SVC阀一般较为简单，文献介绍了两种SVC阀的水路结构［87］，如图3－29所示。

图3－29 SVC水冷单元结构示意图［87

a）纯水串流结构 b）纯水并流结构

1—电力电子元器件 2—散热器 3—连接导管 4—主水管

HVDC换流阀水路系统并非单纯的串联或并联，而是包含串并联混合结构，图3－30为国家电网的阀模块水路系统，阀段各支路采用并串联冷却方式［88］。

图3－30 HVDC换流阀模块水路系统原理图［88

换流阀中发热设备包括晶闸管、阻尼电阻和电抗器等，其中发热量最大以及最为关键的元器件是一种热流密度大、结温与寿命呈非线性关系的双极型半导体器件———晶闸管。通常将换流阀散热归为晶闸管散热，即大功率电力电子散热，众多学者认为散热问题已成为制约电力电子发展的瓶颈，散热设计是大功率半导体器件的关键设计之一［7，89］。

2.换流阀的冷却系统简介

大功率的晶闸管换流阀一般采用纯水冷却系统［16］，冷却系统如电路图一样，非常复杂从图3－31以看出，换流阀冷却装置主要由主循环和副循环（虚线表示）两大循环组成。主循环设备包括主循环泵、主过滤器、换流阀的晶闸管散热器和外冷却设备（外冷散热器）外冷却设备通过三通阀调节纯水进入外冷却设备的流量来调节纯水进入换流阀的温度。副循环（离子交换系统统）是水处理装置（虚线部分），主要由自动补水装置、离子交换系统稳压装置等组成，离子交换系统可保持纯水能够长期处于低电导率，从而保持换流阀冷却系统的绝缘性能［90］。

图3－31 换流阀纯水冷却工艺流程示意图(www.daowen.com)

通过对系统的工艺流程进行简化，冷却系统可以简化如图3－32a所示。实际上副循环流量不及主循环流量的1／10，因此在做换热计算时可以忽略副循环获得等效图（见图3－32b）。换流阀的热量由晶闸管散热器经过主循环带到外冷却设备。

图3－32 换流阀纯水冷却系统简化图

a）系统简图 b）等效图

3.换流阀的热阻分析

根据图3－32b所示换流阀冷却系统简化等效图，以晶闸管冷却为主体热源的纯水冷却系统主要由两个重要换热器即换流阀的晶闸管散热器及外冷散热器组成，换流阀的热量是由内部的晶闸管散热器通过管路传输到外冷散热器，再由外冷散热器散到空气中，因此可以视为一个整体的散热器，散热热阻为结温和环境温度的函数Rja（Tj，Ta），系统所散失的热量为

式中，Tj为晶闸管的结温；Ta为环境温度；A为与空气接触的换热面积；kall为整体换热器换热系数。忽略晶闸管直接散失到空气的热量，对系统进行简化，根据热量的传递途径，建立换流阀热阻示意图如图3－33所示。

图3－33 换流阀热阻示意图

如图3－33所示，热量传递的方向为：热量从晶闸管的结温Tj传输到晶闸管散热器的表面Tb，其中晶闸管的散热能力的大小由其热阻函数Rjb（Tj，Tb）反映；晶闸管散热器把热量传递到水中，反映晶闸管散热器散热能力的热阻函数为Rbf（Tb，Tf）；通过水泵把晶闸管散热器中的热量输运到阀外冷却设备，反映连接两个换热器之间热损耗的泵阀系统热阻函数为Rfin（Tf，Tin），通常可以将Tf和Tin的温度视为相同，热量损失忽略则该热阻为0；外冷散热器把热量散失到大气中，外冷散热器的热阻为Rwa（Tin，Ta），外冷散热器散走的热量为

式中，A为与空气接触的换热面积；kw为外冷散热器的换热系数。通过上述传热分析，进行换热设计时需要考虑换流阀的环境温度、冷却容量、进阀温度、出阀温度、冷却介质类型及额定流量等参数。从式（3－21）来看，外冷散热器散走的热量Qw与系统所散失的热量Qall近似相等。因此，在设计换流阀冷却系统时，选择合适的外冷散热器是换流阀热量散走的关键，设计的进水温度与环境的温差决定外冷散热器的大小。