CN102801111A - 转换器布置及与转换器布置有关的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转换器布置以及与该转换器布置有关的方法。在该布置中，转换器（3）被布置在封闭的容器或类似的结构（6）中，所述容器（6）具有至少两个分离的室（1、2），所述室包括高电压室（1）和低电压室（2），其中，高电压室（1）包括能够连接到要被供电的网络的变压器（4），而低电压室（2）包括转换器（3）。该布置包括用于将来自于高电压室（1）的热交换至低电压室（2）以使用变压器（4）的损耗来加热低电压室的装置（7）。

Description

转换器布置及与转换器布置有关的方法

技术领域

本发明涉及在包含转换器的至少一些电子元件的容器结构中的转换器布置，特别地涉及其中室内气候被控制的容器结构。

背景技术

在许多应用中，使用转换器以将电能从一种形式转换到另一种形式。例如与风能发电和太阳能发电相关联地使用转换器。在太阳能发电应用中，转换器接收来自光伏面板的直流（DC）电压并通常将该直流电压转换成交流（AC）电压。交流电压进一步被馈送到电网。在一些应用中，在转换器与电网之间还使用变压器。在太阳能发电应用中，用于转换电压的转换器也被称为太阳能逆变器。

在风力发电的应用中，转换器接收来自旋转发电机的电力。来自发电机的功率通常是AC功率，转换器改变该功率的频率和幅值以使得可以将该功率馈送给电网。关于太阳能逆变器方面，在转换器与电网之间通常采用变压器。

在太阳能发电和风能发电的应用中所需的转换器或逆变器通常放置在容器或类似的简单壳体中。然后，这些容器放置在实际的发电点附近。这些容器因此都位于适于发电的户外领域或开放的地方。使用热交换器或直接使用来自壳体外部的空气来冷却容器或壳体以及在壳体内部的电子元件。

出于自然的原因，太阳能逆变器循环地操作。在白天，逆变器处于操作状态，将电力馈送到电网。当太阳落山或太阳能面板不能够产生足够的电力时，逆变器完全关闭。此外，在风力发电方面，只要风速不足够高或太高使得不能够进行风力发电，则关闭向电网供电的转换器。

转换器的循环操作引起与壳体内的温度和湿度相关的问题。壳体内的温度变化很大，温度的反复变化导致半导体元件过早磨损。另外，容器内的湿度可能会导致短路。冷凝水还会在容器内冻结，这可能会彻底阻碍转换器的操作。

常见的是使用风机吹动空气使空气通过容器和电子元件。内部的空气随着外部温度的降低而变得较冷。如果没有对进入的空气滤除湿气，来自空气的湿气将最终落入容器中。

如果以传统的方式使用热交换器，只要外部温度低于容器内部温度并且恒定量的空气吹过交换器，热交换器就转移热。由于外部温度的变化，容器内的温度发生变化，从而半导体的寿命变短。

如果内部空气中含有湿气，它可能会没有控制地冷凝到错误的地方。因为容器不是气密的，潮湿的空气很容易通过容器内部，从而冷凝水引起可能会导致系统整体损坏的问题。

在非常恶劣的条件下，容器内的温度可能会较大地下降至低于零摄氏度。普通的电子元件在-20℃附近的温度处没有被指定。由于该温度，设备可能无法启动或者可能会被损坏。在这样的情况下，需要在容器内部进行加热以将温度保持在允许的范围内。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种使得克服上述问题的方法和用于实施该方法的布置。本发明的目的通过特征在于独立权利要求中的陈述的方法和布置来实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。

本发明基于如下构思：在加热位于容器或类似结构内的转换器的电子部件时使用变压器的损耗。将电力馈送到网络的变压器通常不与网络分离，即使在不馈送电力的情况下也如此。变压器位于容器内部，但因为它是高压器件，所以它保存在容器内部完全封闭的部分中。由于安全规则，容器的该部分是封闭的，使得只有非常有限的服务人员可以进入该部分。

高压变压器或中压变压器的损耗使变压器保持温暖，并且该热在容器内传递到逆变器设备所位于的部分。

本发明的方法和布置的优点在于：可以极具成本效益以及优选地使用无源方案来最小化温度循环。由于温度循环的减少，在转换器结构中的半导体元件的预期寿命变得较长。另外，由于温度可以保持在较高的水平，所以大大缓解了与湿度有关的问题。

根据实施方式，为了进一步最小化温度循环，通过提高转换器操作期间的温度来在转换器结构中将热存储在容器内部。

附图说明

下面，将借助于优选实施方式以及参照附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了光伏发电系统的框图；

图2示出了具有本发明的布置的实施方式的容器的横截面图；以及

图3示出了本发明的布置的实施方式。

具体实施方式

图1示出了光伏发电系统的简化框图。光伏面板或这样的面板的串或阵列20产生到转换器21的DC电压。转换器基本上是可能具有多个转换级的逆变器，且在太阳能发电方面，该转换器通常被称为太阳能逆变器。该转换器的目的是从能够从太阳能面板20获得的DC电压产生AC电压。产生AC电压使得该AC电压的相位和频率与被供电的网络23的电压同步。在本发明的布置中，变压器22用于抬升使用转换器21所产生的电压的电平。变压器还连接到用于将生成的电力馈送到网络的输电网。

通常，高压变压器不从网络断开，尽管没有电力通过变压器被馈送给网络。将变压器从网络解耦合是一种艰难的操作，会产生电弧放电并极大地磨损元件。开关具有它们可以承受的有限断开次数。虽然没有电流通过变压器，但是变压器仍然具有使其保持温暖的损耗。这些空载损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗。

通常通过使用冷却翅片来冷却变压器，且变压器可以以相当高的温度运行，这是因为它不具有任何对热非常敏感的元件。图2示出了本发明的布置的基本结构的横截面图。在该布置中，容器或类似的封闭结构6被划分成段或室。变压器4位于其中一个室1中，而转换器3位于另一个室2中。变压器位于分离的封闭段中的原因在于安全规则，根据该安全规则，对高压元件的访问受到限制。图2示出了在容器内部的另一个室5，在该室5中设置有一些控制电子元件和开关装置。

变压器被封闭在室1内，转换器位于室2中。转换器和变压器自然地电连接到一起以将功率从转换器馈送到变压器。另外，变压器4可电连接到输电网。

根据本发明，该布置包括用于将热从高电压室交换到低电压室的装置。该热交换的目的在于：在转换器不操作或以低负载操作使得转换器本身没有被加热的情况下使用变压器的损耗来温暖转换器结构。

根据实施方式，用于热交换的装置包括：可以以受控方式打开和关闭的开口（hatch）；以及用于将暖风从高电压室移到低电压室的风机。该开口可以例如根据低电压室的温度或基于低电压室外部温度与内部温度之间的差打开。一旦低电压室的温度降低并接近外部温度，该开口打开，来自于高电压室的热传递到低电压侧。如果低电压侧的温度可以保持高于露点，则湿气应当不会在容器内部冷凝。

根据另一个实施方式，用于热交换的装置包括热交换器，该热交换器尤其是热虹吸式热交换器。这种类型的热交换器的一个示例为其中管状结构中的液体由于热而蒸发且冷凝回液体从而释放出热的热管。众所周知，这些类型的热交换器是无源的，不需要用于操作的任何能量。然而，如果在将热从管中释放时使用小型风机来循环空气，则热交换的效率大大提高。另外，风机使低电压室内的空气循环，由此热比较均匀地分布。在EP 2031332A1中示出了一种热虹吸式热交换器的另一个示例。

图2示出了如何布置热交换器7。交换器（例如热管）的底端物理地连接到热源，在本发明的该情况下，热源为变压器4。管的一端可以楔在变压器的冷却翅片之间。冷却翅片可以是金属波纹板形式。当在交换器中的液体变暖时，液体蒸发并传播到交换器的另一端。当在另一端时，蒸气释放出热并冷凝回液体。可以看到，交换器穿过在高电压室与低电压室之间的壁。

当需要加热低电压室时，无源交换器自动地开始操作。事实上，该操作是连续的，这是因为即使转换器处于操作中，变压器的表面也比低电压室内的空气热。当在低电压室内部使用风机以增强热传递时，可以在转换器关闭时简单地打开风机。优选的是使用不将空气从一个室移到另一个室的热交换器，这是因为它可以更加节能，以及高电压室中的空气可能含有低电压室中不期望的杂质。如果空气受到高度污染，它甚至有可能扰乱转换器的操作。

可以通过增加热交换器的数量来提高热传递的量。因为例如热管只是与变压器的表面接触，可以容易地增加这样的管的数量。热管不影响变压器本身的冷却。1MW的变压器具有在6kW范围内的空载损耗，且仅该功率的一部分就足以将低电压侧的温度保持在提高的水平。

可以通过使用转换器结构的热体存储热来进一步减小温度循环。这意味着转换器至少在关闭之前以提高的温度操作，使得热储存在机械结构中。设置在容器中的转换器结构可以具有4000kg的质量。当该体被加热时，它将保持本身整晚温暖。可以通过减少转换器室中的冷却来将热收集到该体中。当转换器操作时，使用冷却装置8根据外部空气来冷却转换器。冷却装置可以包括风机和开口，可以控制该风机和开口以将温度升高至较高的水平。然而，应当注意的是，该转换器的温度不得超过安全操作温度。冷却装置8还可以是具有风机的热交换器。在这种情况下，在冷却中不使用容器外部的空气。

可以通过使用热管或类似结构采用来自变压器的热来加热该热体。要加热的热体布置成高于热管的与变压器相连的端部。有效地传递来自变压器的热，且该热将热体保持在提高的温度。

根据实施方式，该布置还包括加入低电压室中的容器内的相变材料。加入该相变材料（PCM）以充当被加热至提高的温度的热体。每个PCM材料具有一定的相变温度。当达到该温度时，材料开始改变其相（phase），从而将温度保持在相同水平。

图3示出了本发明的另一个实施方式。在该实施方式中，容器被划分为三个段或室。室1包括变压器31，室2都包括转换器的部分。图3示意性地示出了如何使用热管或类似的热虹吸类器件来将热携带至基本上远离热源的空间。在图3的示例中，热管33将热传递至并排的壳体2。热管的底端连接至变压器31，而其他端置于容器的分离的室的内部。风扇32或风机置于室2中以用于将热从管中更高效地去除并同时加热室内的器件。

在本发明的另一个实施方式中，通过使用具有液体循环的热交换器来将来自于变压器的热传递到其他室中。循环液体存储来自变压器的热，并且热传递到具有转换器的室中。使用用于控制系统中的液体流动的小型泵来有效地控制该热传递。为了以更有效的方式传递热，热交换器包括散热器以使得来自液体的热较快地传递到室内部的空气中。

根据本发明的方法，与转换器布置有关的方法包括在容器的分离的室的加热中使用由变压器产生的热的步骤。优选地，通过将来自于具有变压器的室的空气传递到低电压室来使用热，或者通过使用热交换器将热交换至低电压室来使用热。

以上在太阳能发电方面描述了本发明，容器中包括从面板提取电力以及将获得的电压转换成用于输入到变压器的三相电压所需的电力电子器件。本发明不限于太阳能系统，而是还可以用于其中转换器结构与变压器一起置于容器内的风能发电和任何其他可能的能量系统。

对于本领域普通技术人员来说明显的是，可以以各种不同的方式来实施本发明构思。本发明和本发明的实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内进行变化。

Claims (9)

1.一种转换器布置，在所述布置中，转换器（3）被布置在封闭的容器或类似结构（6）中，所述容器（6）具有至少两个分离的室（1、2），所述室包括高电压室（1）和低电压室（2），其中所述高电压室（1）包括能够连接到要被供电的网络的变压器（4），而所述低电压室（2）包括所述转换器（3），其特征在于，所述布置包括用于将来自所述高电压室（1）的热交换至所述低电压室（2）中以使用所述变压器（4）的损耗来加热所述低电压室的装置（7）。

2.根据权利要求1所述的布置，其特征在于，所述用于将来自所述高电压室（1）的热交换至所述低电压室（2）中的装置（7）用来在所述低电压室（2）中的所述转换器（3）不操作或以低负载进行操作的情况下传递热。

3.根据权利要求1或2所述的布置，其特征在于，所述用于交换热的装置（7）包括分离所述室的开口和用于将来自所述高电压室的空气传递至所述低电压室的风机。

4.根据权利要求1或2所述的布置，其特征在于，所述用于交换热的装置（7）包括诸如热管的热虹吸式热交换器，所述热虹吸式热交换器热连接至所述变压器的表面并且延伸到所述低电压室以加热所述低电压室。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的布置，其特征在于，所述低电压室包括受控冷却装置（8），所述受控冷却装置（8）的控制用来将所述转换器的温度保持在提高的水平，以将热存储在所述转换器的机械结构中。

6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的布置，其特征在于，所述低电压室包括用于将热存储到所述低电压室中的另外的热体，所述另外的热体优选为相变材料。

7.一种与转换器布置有关的方法，在所述布置中，转换器（3）被布置在封闭的容器或类似结构（6）中，所述容器（6）具有至少两个分离的室（1、2），所述室包括高电压室（1）和低电压室（2），其中，所述高电压室（1）包括连接到要被供电的网络的变压器（4），所述低电压室（2）包括所述转换器（3），其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将来自所述高电压室（1）的热交换至所述低电压室（2），以使用所述变压器（4）的损耗来加热所述低电压室。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将来自所述高电压室的热进行交换的步骤包括使用诸如热管的热虹吸式热交换器的步骤，所述热虹吸式热交换器热连接至所述变压器的表面并且延伸到所述低电压室以加热所述低电压室。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述低电压室包括受控冷却装置（8），以及所述方法进一步包括如下步骤：控制所述冷却装置以将所述转换器的温度保持在提高的水平，从而将热存储在所述转换器的机械结构中。

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