CN105634273A - 海底高压直流变电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海底高压直流变电装置，包括高压直流变换器和耐压密封腔体，高压直流变换器包括高压启动模块、高压高频开关直流变换模块和输出滤波模块。高压高频开关直流变换模块采用多个高压IGBT串联后作为一个功率开关器件使用，且采用四个功率开关器件构建高频变压器隔离的脉冲宽度调制移相控制全桥拓扑。多个高压高频开关直流变换模块采用输入串联输出并联组合结构，实现高压直流电到400V中压直流电的降压变换。耐压密封腔体内充满电子氟化液，并设油压补偿器来补偿电子氟化液因温升引起的油压变化。本发明组合结构简单，机电集成简单紧凑、功率密度大，易于装配、检修和维护；该装置的输入电压范围很宽，可根据实际应用需要，灵活配置基本的模块个数，对不同输入电压等级的适应能力强。

Description

海底高压直流变电装置
技术领域
本发明属于海底电力技术领域，涉及一种海底高压直流变电装置，具体说是一种能将输送到海底的高压直流电降压变换为中压直流电的装置。
背景技术
当前在海洋科学研究、灾害预警和资源开发等领域中，所需使用的海底设备的种类和数量越来越多，这些海底设备需要覆盖的探测范围越来越广，要求原位连续运行的时间越来越长。随着复杂性和智能化程度的不断提高，各类海底设备的功耗越来越大，需要持续提供给它们的电能越来越多。因此，传统的船基考察方式已难以满足当前这些领域的需求，只有通过连接至陆地的海底电网实现远距离大范围输电，才能解决大量设备在海底长期运行面临的充裕且持续的电能供给难题。
这类海底电网普遍采用跨洋通信系统所用的标准海底光电复合通信海缆进行直流输电，为了覆盖较广的海底地理范围，必须尽量提高输电电压来降低海缆上的电压损耗，并提高电能输送效率。为了保证25年以上的工作寿命，综合考虑此类海缆的长期绝缘性能，这类海底电网的最高输电电压通常为数千伏，且最高不超过10kV。而海底设备普遍采用数十伏的低压直流供电，且通常为48V以内，因此必须在海底对海缆输送的高压直流电进行逐级降压，其中海底高压直流变电装置为第一级降压装置，负责将数千伏的高压直流电变换为数百伏的中压直流电，且通常为400V左右，使得设置在负荷中心的海底直流配电装置易于将其再次降压至数十伏的低压直流电。
为了提高电能变换效率，海底高压直流变电装置必须采用高频开关直流变换方案。现有技术以金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）作为开关器件，构建基本的开关直流变换模块。由于现有成熟的功率MOSFET耐压低、功率小，导致其所构建的基本模块耐压也低、功率也小，因此必须将至少数十个基本模块通过复杂的输入、输出串并联组合，才能实现数千伏高压直流电到数百伏中压直流电的变换。现有技术的缺点是，由于所需组合的基本模块数量众多、组合结构复杂，使得整个装置的机电集成结构较为复杂，导致其装配、检修和维护的效率低下，且大大降低了此类装置的可靠性和稳定性，因此难以满足此类装置在海底恶劣环境下长期运行所需的高可靠性、高稳定性和体积紧凑的要求。
发明内容
本发明针的目的在于提出一种结构简单和可靠性高的海底高压直流变电装置，所述的海底高压直流变电装置采用高耐压的绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)串联后作为功率开关器件，并采用全桥拓扑构建基本的高压高频开关直流变换模块，再将数个高压高频开关直流变换模块进行输入串联输出并联（InputSeriesOutputparallel，ISOP）组合，实现数千伏的高压直流电到数百伏的中压直流电的降压变换，可广泛用于海洋科学研究、灾害预警和资源开发等领域。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
海底高压直流变电装置，包括高压直流变换器200、上连接环203、散热支架207和下连接环208和耐压密封腔体，所述高压直流变换器200、上连接环203、散热支架207和下连接环208均安装于耐压密封腔体内，所述耐压密封腔体由前端盖组件100、筒身400和后端盖组件300依次连接而成，所述前端盖组件100包括前端盖108、第二O型密封圈107、第一水密连接器104、第二水密连接器105和保护罩101，所述第一水密连接器104和第二水密连接器105均带有外螺纹，且分别安装于前端盖108一侧相应的内螺纹上，所述第一水密连接器104和第二水密连接器105与前端盖108连接处通过螺纹锁紧挤压第一O型密封圈106实现密封；所述第二水密连接器105用于输入高压直流电，所述第一水密连接器104用于输出中压直流电；所述保护罩101通过第一螺栓102安装于前端盖108一侧上，且套于第一水密连接器104和第二水密连接器105外；所述后端盖组件300包括后端盖304、第三O型密封圈303和油压补偿器301，所述油压补偿器301通过第七螺栓302固定于下端盖304一侧上，所述前端盖108另一侧与高压直流变换器200之间通过第八螺栓109连接；所述高压直流变换器200安装于耐压密封腔体内，高压直流变换器200包括高压启动模块202、高压高频开关直流变换模块206、输出滤波模块209、上连接环203、下连接环208和散热支架207，高压启动模块202、高压高频开关直流变换模块206和输出滤波模块208依次连接，所述高压启动模块202通过第九螺栓201安装于上连接环203上，所述高压高频开关直流变换模块206通过第四螺栓205安装于散热支架207上，所述输出滤波模块208通过第六螺栓211安装于下连接环208上，所述上连接环203和下连接环208与散热支架207之间分别通过第三螺栓204和第五螺栓210连接；所述高压高频开关直流变换模块206采用一个或多个高压IGBT串联后作为一个功率开关器件使用，且采用四个所述的功率开关器件构建高频变压器隔离的脉冲宽度调制PulseWidthModulation，PWM移相控制全桥拓扑，所述的高压高频开关直流变换模块206的输入电压范围为1kV-3kV，最高输出电压为400V，最大输出电流为25A，最高开关频率为25kHz。
本发明中，所述前端盖组件100和后端盖组件300与筒身400连接处分别设置第二O型密封圈107和第三O型密封圈303，实现前端盖组件100和后端盖组件300与筒身400之间的密封。
本发明中，所述高压直流变换器200根据实际输入电压范围选择安装1、2、3或4个高压高频开关直流变换模块206，多个所述的高压高频开关直流变换模块206采用输入串联输出并联InputSeriesOutputparallel，ISOP组合结构，从而实现1kV-3kV、2kV-6kV、3kV-9kV或4kV-12kV的高压直流电到400V中压直流电的降压变换。
本发明中，所述耐压密封腔体内充满用于所述的高压高频开关直流变换模块206对流散热和高压绝缘的电子氟化液，所述的油压补偿器301则用于补偿电子氟化液因为温升引起的体积膨胀，从而稳定耐压密封腔体内部施加到高压直流变换器200上的压力。
本发明的有益效果是：
该装置所需的基本模块个数少、组合结构简单，机电集成简单紧凑、功率密度大，易于装配、检修和维护；该装置的输入电压范围很宽，可根据实际应用需要，灵活配置基本的模块个数，对不同输入电压等级的适应能力强；该装置的散热能力强，且具有油压补偿能力，有效稳定施加在内部电路上的压力。因此，该装置在海底长期运行的可靠性和稳定性高。
附图说明
图1为该装置的总体爆炸结构图。
图2为该装置前端盖组件的爆炸结构图。
图3为该装置前端盖的示意图。其中：(ａ)为前端盖的上视图，(ｂ)为前端盖的侧视图，(ｃ)为前端盖的下视图。
图4为该装置保护罩的示意图。其中：（a）为保护罩的下视图，（b）为保护罩的侧视图。
图5为该装置后端盖组件的爆炸示意图
图6为该装置油压补偿器的示意图。其中：(ａ)为油压补偿器的下视图，(ｂ)为油压补偿器的侧视图。
图7为该装置后端盖的示意图。其中：(ａ)为后端盖的下视图，(ｂ)为后端盖的侧视图，（c）为后端盖的上视图。
图8为该装置高压直流变换器的爆炸示意图。
图9为该装置上连接环和下连接环的示意图。其中：（a）上连接环和下连接环的上视图，（b）上连接环和下连接环的下视图，（c）上连接环和下连接环的侧视图。
图10为该装置高压高频开关直流变换模块在散热支架上的安装示意图。
图11为该装置散热支架的示意图。其中：(ａ)为散热支架的前视图，(ｂ)为散热支架的侧视图，(ｃ)为散热支架的上视图。
图12为该装置的整体示意图。
图13为该装置单个高压高频开关直流变换模块的原理图。
图14为该装置单个高压高频开关直流变换模块的设计框图。
图15为该装置两个高压高频开关直流变换模块的组合框图。
图16为该装置三个高压高频开关直流变换模块的组合框图。
图17为该装置四个高压高频开关直流变换模块的组合框图。
图中标号：100为前端盖组件、101为保护罩、102为第一螺栓、103为第二螺栓、104为第一水密连接器、105为第二水密连接器、106为第一O型密封圈、107为第二O型密封圈、108为前端盖、109为第八螺栓、200为高压直流变换器、201为第九螺栓、202为高压启动模块、203为上连接环、204为第三螺栓、205为第四螺栓、206高压高频开关直流变换模块、207为散热支架、208为下连接环、209为输出滤波模块、210为第五螺栓、211为第六螺栓、300为后端盖组件、301为油压补偿器、302为第七螺栓、303为第三O型密封圈、304为后端盖、305为第八螺栓、400为筒身。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例１：如图1和图12所示，该装置包括高压直流变换器200和耐压密封腔体，其中高压直流变换器200安装在耐压密封腔体内。耐压密封腔体包括前端盖组件100、后端盖组件300和筒身400。
如图2-图4所示，前端盖组件100包括前端盖108、2个第二O型密封圈107、３个第一水密连接器104和２个第二水密连接器105、保护罩101。其中，3个第一水密连接器104均用于中压直流输出，每个水密连接器104均可独立输出中压直流电，2个第二水密连接器105分别连接高压直流输入的正端+和负端-，用于高压直流输入。第一水密连接器104和第二水密连接器105均带有外螺纹，并安装在前端盖108相应的内螺纹上，第一水密连接器104和第二水密连接器105各带有一个第一O型密封圈106，通过螺纹锁紧挤压第一O型密封圈106实现水密连接器和前端盖108之间的密封。保护罩101通过第一螺栓102安装在前端盖108一侧上，并套于３个第一水密连接器104和２个第二水密连接器105外。前端盖组件100与高压直流变换器200之间通过第八螺栓109连接，与筒身400之间通过第二螺栓103连接，且通过第二O型密封圈107实现与筒身400之间的密封。
如图5-图7所示，后端盖组件300包括后端盖304、2个第三O型密封圈303和油压补偿器301。油压补偿器301通过第七螺栓302固定在下端盖304上。后端盖组件300与筒身400之间通过第八螺栓305连接，且通过第三O型密封圈303实现与筒身400之间的密封。
为了避免海水腐蚀，上述前端盖108、后端盖304、筒身400和保护罩101均采用钛合金制造。
如图7-图11所示，高压直流变换器200包括高压启动模块202、高压高频开关直流变换模块206和输出滤波模块209以及这些模块的安装结构，高压启动模块202通过螺栓201安装在上连接环203上，高压高频开关直流变换模块206通过螺栓205安装在散热支架207上，输出滤波模块209通过螺栓211安装在下连接环上。上连接环203和下连接环208与散热支架207之间分别通过螺栓204和螺栓210连接。
上述耐压密封腔体内充满用于高压高频开关直流变换模块206对流散热和高压绝缘的电子氟化液，该电子氟化液的体积随自身温度的上升而增大。若无油压调节模块，若因腔体外部环境温度上升或腔体内部电路模块运行发热等原因引起腔体内部电子氟化液的温度上升，高压启动模块202、高压高频开关直流变换模块206和输出滤波模块209将承受较大的压力，可导致电路模块的性能下降甚至失效。上述油压补偿器301为两端密封的波纹管结构，采用不锈钢制造，内为真空，其波纹可随外部压力的变化而伸缩，引起油压补偿器301的体积变化。油压补偿器301在常压下处于平衡状态时，其波纹处于中间状态，使得油压补偿器301的体积也处于中间状态。当腔体外部环境温度上升或腔体内部电路模块运行发热等原因引起腔体内部环境温度上升，造成电子氟化液体积膨胀时，油压补偿器301的波纹相应压缩，反之亦然，从而在一定程度上补偿电子氟化液因温度变化引起的体积变化，稳定电子氟化液施加在高压启动模块202、高压高频开关直流变换模块206和输出滤波模块209的压力，从而提高电路模块的运行稳定性和可靠性。
如图13所示，高压高频开关直流变换模块206采用高频脉冲宽度调制PulseWidthModulation，PWM的移相控制全桥拓扑，并采用高频变压器隔离原边和副边，减小故障传播概率。为进一步提高功率开关器件的耐压能力和可靠性，高压高频开关直流变换模块206在隔离变压器之前逆变部分采用多个高压IGBT如4个1200V耐压的IGBT串联后作为一个功率开关器件使用，高压高频开关直流变换模块206在隔离变压器之后的整流部分也采用多个高压二极管串并联如四个二极管两两串联后再并联，作为一个整流二极管使用。高压高频开关直流变换模块206采用的全桥拓扑需要采用四个上述功率开关器件，采用的全桥整流需要四个上述整流二极管。
如图14-图17所示，单个高压高频开关直流变换模块206的输入电压范围为1kV-3kV，最高输出电压为400V，最大输出电流为25A，最高开关频率为25kHz。高压直流变换器200根据实际输入电压范围选择安装1、2、3或4个高压高频开关直流变换模块206，多个所述的高压高频开关直流变换模块206采用ISOP组合结构，从而实现1kV-3kV、2kV-6kV、3kV-9kV或4kV-12kV的高压直流电到400V中压直流电的降压变换。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.海底高压直流变电装置，包括高压直流变换器（200）、上连接环（203）、散热支架（207）、下连接环（208）和耐压密封腔体，其特征在于所述高压直流变换器（200）、上连接环（203）、散热支架（207）和下连接环（208）均安装于耐压密封腔体内，所述耐压密封腔体由前端盖组件（100）、筒身（400）和后端盖组件（300）依次连接而成，所述前端盖组件（100）包括前端盖（108）、第二O型密封圈（107）、第一水密连接器（104）、第二水密连接器（105）和保护罩（101），所述第一水密连接器（104）和第二水密连接器（105）均带有外螺纹，且分别安装于前端盖（108）一侧相应的内螺纹上，所述第一水密连接器（104）和第二水密连接器（105）与前端盖（108）连接处通过螺纹锁紧挤压第一O型密封圈（106）实现密封；所述第二水密连接器（105）用于输入高压直流电，所述第一水密连接器（104）用于输出中压直流电；所述保护罩（101）通过第一螺栓（102）安装于前端盖（108）一侧上，且套于第一水密连接器（104）和第二水密连接器（105）外；所述后端盖组件（300）包括后端盖（304）、第三O型密封圈（303）和油压补偿器（301），所述油压补偿器（301）通过第七螺栓（302）固定于下端盖（304）一侧上，所述前端盖（108）另一侧与高压直流变换器（200）之间通过第八螺栓（109）连接；所述高压直流变换器（200）安装于耐压密封腔体内，高压直流变换器（200）包括高压启动模块（202）、高压高频开关直流变换模块（206）、输出滤波模块（209）、上连接环（203）、下连接环（208）和散热支架（207），高压启动模块（202）、高压高频开关直流变换模块（206）和输出滤波模块（209）依次连接，所述高压启动模块（202）通过第九螺栓（201）安装于上连接环（203）上，所述高压高频开关直流变换模块（206）通过第四螺栓（205）安装于散热支架（207）上，所述输出滤波模块（209）通过第六螺栓（211）安装于下连接环（208）上，所述上连接环（203）和下连接环（208）与散热支架（207）之间分别通过第三螺栓（204）和第五螺栓（210）连接；所述高压高频开关直流变换模块（206）采用一个或多个高压IGBT串联后作为一个功率开关器件使用，且采用四个所述的功率开关器件构建高频变压器隔离的脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）移相控制全桥拓扑，所述的高压高频开关直流变换模块（206）的输入电压范围为1kV-3kV，最高输出电压为400V，最大输出电流为25A，最高开关频率为25kHz。
2.根据权利要求１所述的海底高压直流变电装置，其特征在于所述前端盖组件（100）和后端盖组件（300）与筒身（400）连接处分别设置第二O型密封圈（107）和第三O型密封圈（303），实现前端盖组件（100）和后端盖组件（300）与筒身（400）之间的密封。
3.根据权利要求１所述的海底高压直流变电装置，其特征在于所述高压直流变换器（200）根据实际输入电压范围选择安装1、2、3或4个高压高频开关直流变换模块（206），多个所述的高压高频开关直流变换模块（206）采用输入串联输出并联组合结构，从而实现1kV-3kV、2kV-6kV、3kV-9kV或4kV-12kV的高压直流电到400V中压直流电的降压变换。
4.根据权利要求１所述的海底高压直流变电装置，其特征在于所述耐压密封腔体内充满用于所述的高压高频开关直流变换模块（206）对流散热和高压绝缘的电子氟化液，所述的油压补偿器（301）则用于补偿电子氟化液因为温升引起的体积膨胀，从而稳定耐压密封腔体内部施加到高压高频开关直流变换模块（206）上的压力。
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