CN106329951A - 风电变流器功率柜 - Google Patents

风电变流器功率柜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了风电变流器功率柜，包括柜体、机侧功率模组、网侧功率模组、模组汽水换热器、模组风机组件和网侧电抗器组件，机侧功率模组、网侧功率模组、模组汽水换热器、模组风机组件和网侧电抗器组件均连接在柜体内部，从上至下依次为模组风机组件、机侧功率模组、网侧功率模组、模组汽水换热器和网侧电抗器组件，相比现有柜体，结构更加紧凑，提高了功率密度；体积减少一半，功率密度提升一倍。

Description

风电变流器功率柜
技术领域
本发明属于电控设备领域，具体涉及风电变流器功率柜。
背景技术
近年来随着风电变流器的快速发展，变流器单机容量的不断提高，对变流器的功率密度要求更高，大功率变流器受限于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块的发展，随着新型IGBT器件的不断更新，IGBT模块的损耗更低、效率更高、体积更小，变流器发展趋势是开关频率更高、体积更小、成本更低。但是，无源器件(电容、电阻)和散热系统等发展缓慢，制约了变流器的功率密度提升，要提高变流器的功率密度，必须设计合理的功率柜，传统的功率柜，功率柜包括功率模组及其功率模组散热组件，网侧电抗器及其散热组件，机侧电抗器及其散热组件；传统功率模组容量较小，需要两组并联，因此功率模组数量较多，功率模组由两个子功率模组和组成，与之对应的功率模组子散热组件分别由和组成；功率模组子散热组件由汽水换热器和风机组件组成，对功率模块进行冷却；网侧电抗器及其散热组件由风机组件汽水换热器和网侧电抗器组成；机侧电抗器及其散热组件由风机组件汽水换热器和网侧电抗器组成；传统的功率柜由于功率模块需要并联，所需器件多，功率柜体积大，体积：长度1.3米，深度1.2米，高度2.2米；
目前常见的功率柜存在以下缺陷：一体积大：功率模块数量多，母线电容和均流电抗器数量多，体积大；二维护困难：通常功率模块配置一定数量的母线电容，功率模块的体积增加、重量增加，维护困难，更换功率模块过程复杂、维护困难；由于功率模块包括IGBT模块和电容器件，功率模组的体积较大，重量较重，维护不方便。
发明内容
本发明的目的是设计出包括模组风机组件、机侧功率模组、网侧功率模组、模组汽水换热器、网侧电抗器组件及外部的柜体组成的功率柜，通过电容模组连接两个功率模组实现提高功率密度的功能，同时利用对称分布的功率模块、上下分布的功率模组和其他组件实现降低杂散电感的功能。
为解决上述问题，本发明提出风电变流器功率柜。
本发明所采用的技术方案是：
风电变流器功率柜，包括：
柜体，所述柜体内部连接模组风机组件、机侧功率模组、网侧功率模组、模组汽水换热器和网侧电抗器组件；
模组风机组件，所述模组风机组件位于柜体顶部，位于机侧功率模组的上方；
机侧功率模组，所述机侧功率模组与机侧电抗器连接，机侧功率模组的交流输出排为上出线方式，位于柜体上部；
网侧功率模组，所述网侧功率模组的电容模组与机侧功率模组的电容模组连接，网侧功率模组与网侧电抗器连接，网侧功率模组的交流输出排为下出线方式，位于柜体中部，位于机侧功率模组的下方；
模组汽水换热器，所述模组汽水换热器位于网侧功率模组的下方；
网侧电抗器组件，所述网侧电抗器组件位于柜体底部，位于网侧功率模组下方。
优选的，所述机侧功率模组包括IGBT功率模块组和电容模组，所述IGBT功率模块组由IGBT功率模块结构并排组成，IGBT功率模块结构包括IGBT模块组、IGBT驱动板、直流母排、交流铜排和散热器；IGBT模块组，所述IGBT模块组由IGBT模块并联组成；IGBT驱动板，所述IGBT驱动板连接IGBT模块组，位于IGBT模块组外侧；直流母排，所述直流母排一端连接IGBT模块组，另一端与电容模组连接，位于IGBT模块组外侧；交流铜排，所述交流铜排一端连接IGBT模块组，位于IGBT驱动板外侧；散热器，所述散热器连接IGBT模块组，散热器两侧各连接一个IGBT模块组，IGBT模块组及与之相连接的IGBT驱动板、直流母排和交流铜排以散热器为对称面镜像对称；所述电容模组包括电容组、正母线铜排、中间绝缘层和负母线铜排，正母线铜排、中间绝缘层、负母线铜排和直流母排均利用电容组的输出端子作为连接点，正母线铜排、中间绝缘层和负母线铜排位于电容组和直流母排之间，一块散热器连接两个IGBT模块组，增加功率密度，降低成本，器件对称分布，则降低随着器件的增加带来的IGBT模块的不均流，IGBT功率模块组与电容模组分开，IGBT功率模块和直流侧电容分开，功率模块体积小,更换功率模块过程简单、维护方便，正母线铜排、中间绝缘层、负母线铜排和直流母排均利用电容组的输出端子作为连接点，减少正、负母线铜排的开孔数量，减小换流回路的杂散电感，降低IGBT模块的关断过电压，提高可靠性。
优选的，所述直流母排采用正负母排叠层方式，并折弯90度，与每个IGBT模块的直流端子连接，采用正负母排叠层的方式与直流侧母线铜排连接，并且以折弯90度的方式连接至直流侧母线铜排，可以降低IGBT模块直流母排换流回路的杂散电感，降低IGBT模块的关断过电压，提高IGBT器件的安全性和可靠性。
优选的，所述交流铜排与每个IGBT模块的交流端子连接，另一端与IGBT模块组中的每个IGBT模块交流端子的距离相同，交流铜排一端连接至多个IGBT模块的交流端子，另一端连接输出铜排，是为了提高多个IGBT模块的均流度。
优选的，所述IGBT驱动板由并联的IGBT模块驱动板合并成一块驱动板，并与每个IGBT模块连接，连线位置位于IGBT模块组的中间位置，为了减少驱动线缆和提供连接可靠性，可以将并联的多个IGBT模块驱动板合并成一块驱动板，连线位置处于中间可以提高驱动信号的一致性。
优选的，所述网侧功率模组包括IGBT功率模块组和电容模组，所述IGBT功率模块组由IGBT功率模块结构并排组成，IGBT功率模块结构包括IGBT模块组、IGBT驱动板、直流母排、交流铜排和散热器；IGBT模块组，所述IGBT模块组由IGBT模块并联组成；IGBT驱动板，所述IGBT驱动板连接IGBT模块组，位于IGBT模块组外侧；直流母排，所述直流母排一端连接IGBT模块组，另一端与电容模组连接，位于IGBT模块组外侧；交流铜排，所述交流铜排一端连接IGBT模块组，位于IGBT驱动板外侧；散热器，所述散热器连接IGBT模块组，散热器两侧各连接一个IGBT模块组，IGBT模块组及与之相连接的IGBT驱动板、直流母排和交流铜排以散热器为对称面镜像对称；所述电容模组包括电容组、正母线铜排、中间绝缘层和负母线铜排，正母线铜排、中间绝缘层、负母线铜排和直流母排均利用电容组的输出端子作为连接点，正母线铜排、中间绝缘层和负母线铜排位于电容组和直流母排之间，一块散热器连接两个IGBT模块组，增加功率密度，降低成本，器件对称分布，则降低随着器件的增加带来的IGBT模块的不均流，IGBT功率模块组与电容模组分开，IGBT功率模块和直流侧电容分开，功率模块体积小,更换功率模块过程简单、维护方便，正母线铜排、中间绝缘层、负母线铜排和直流母排均利用电容组的输出端子作为连接点，减少正、负母线铜排的开孔数量，减小换流回路的杂散电感，降低IGBT模块的关断过电压，提高可靠性。
优选的，所述直流母排采用正负母排叠层方式，并折弯90度，与每个IGBT模块的直流端子连接，采用正负母排叠层的方式与直流侧母线铜排连接，并且以折弯90度的方式连接至直流侧母线铜排，可以降低IGBT模块直流母排换流回路的杂散电感，降低IGBT模块的关断过电压，提高IGBT器件的安全性和可靠性。
优选的，所述交流铜排与每个IGBT模块的交流端子连接，另一端与IGBT模块组中的每个IGBT模块交流端子的距离相同，交流铜排一端连接至多个IGBT模块的交流端子，另一端连接输出铜排，是为了提高多个IGBT模块的均流度。
优选的，所述IGBT驱动板由并联的IGBT模块驱动板合并成一块驱动板，并与每个IGBT模块连接，连线位置位于IGBT模块组的中间位置，为了减少驱动线缆和提供连接可靠性，可以将并联的多个IGBT模块驱动板合并成一块驱动板，连线位置处于中间可以提高驱动信号的一致性。
本发明具有以下优点及效果：
1、本发明的IGBT功率模块和直流侧电容分开，功率模块体积小，维护简单，更换IGBT模块成本低。
2、本发明由至少两个IGBT功率模块并联成IGBT功率模块组，并对称分布在散热器两侧，在同样的面积内，增加功率密度，降低功率模块的制造成本，同时对称的设置可以避免IGBT模块不均流。
3、本发明的IGBT模块直流母排采用正负母排叠层的方式与直流侧母线铜排连接，并且以折弯90度的方式连接至直流侧母线铜排，可以降低IGBT模块直流母排换流回路的杂散电感，同时未使用IGBT吸收电容，避免吸收电容由于发热量较大容易失效，并进一步降低成本。
4、本发明的IGBT模块交流铜排一端连接多个IGBT模块的交流端子，另一端连接输出铜排，交流铜排的另一端需要与多个IGBT模块交流端子的距离等长，提高多个IGBT模块的均流度。
5、本发明的正母线铜排、中间绝缘层、负母线铜排和直流母排均利用电容组的输出端子作为连接点，减少正、负母线铜排的开孔数量，减小换流回路的杂散电感，降低IGBT模块的关断过电压，提高可靠性。
6、本发明的机侧功率模组与网侧功率模组的电容模组连接成一个整体，其作用是电容连接整体，有利于降低电容间杂散电感，降低电容的纹波电流，进一步降低电容的温升，提高器件的可靠性。
7、本发明的模组汽水换热器和模组风机组件构成一个风道对机侧功率模组与网侧功率模组进行冷却，提高功率模组的散热能力，提高器件可靠性。
8、本发明的功率柜的体积为长度1.0米，深度0.6米，高度2.2米，相比现有技术体积减少一半，功率密度提升一倍。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的现有技术的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明功率模组的爆炸图；
图4为本发明功率模组的结构示意图；
图5为本发明功率模块结构的爆炸图。
标号说明：
IGBT模块1；IGBT驱动板2；散热器3；直流母排4；交流铜排5；
负母线铜排6；中间绝缘层7；正母线铜排8；电容组9；
机侧功率模组10；网侧功率模组11；模组汽水换热器12；
模组风机组件13；网侧电抗器组件14；柜体15。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1所示，本发明所涉及的风电变流器功率柜，本功率柜的体积为长度1.0米，深度0.6米，高度2.2米，包括柜体15、机侧功率模组10、网侧功率模组11、模组汽水换热器12、模组风机组件13和网侧电抗器组件14，机侧功率模组10、网侧功率模组11、模组汽水换热器12、模组风机组件13和网侧电抗器组件14均通过螺纹连接在柜体15内部，从上至下依次为模组风机组件13、机侧功率模组10、网侧功率模组11、模组汽水换热器12和网侧电抗器组件14，机侧功率模组10的交流输出排为上出线，与机侧du/dt电抗器连接，网侧功率模组11的交流输出排为下出线，与网侧电抗器组件14连接，模组汽水换热器12和模组风机组件13构成一个风道对机侧功率模组10和网侧功率模组11进行冷却，机侧功率模组10和网侧功率模组11的电容模组连接成一个整体的电容池。
机侧功率模组10和网侧功率模组11的结构相同，都包括IGBT功率模块和电容模组，IGBT功率模块由三个IGBT功率模块结构并排组成，电容模组包括电容组9、正母线铜排8、中间绝缘层7和负母线铜排6。
IGBT功率模块结构，包括IGBT模块组、IGBT驱动板2、IGBT模块的散热器3、连接IGBT模块的直流母排4以及用于并联IGBT模块的交流铜排5。IGBT模块组由两个IGBT模块1并联组成，安装在液冷散热器3上，其IGBT模块1可以是目前常用的1000A功率模块(例如德国英飞凌第四代的FF1000R17IE4，也可以是后续相同封装尺寸的第五代FF1800R17IP5)，还可以是碳化硅半导体(SiC)和氮化镓半导体(GaN)新器件；驱动板2安装在两个IGBT模块上，两个IGBT模块驱动板合并成一块驱动板2，其连线位置位于两个IGBT模块1的中间；散热器3的冷却液入口位于冷却液出口的下方；IGBT模块直流母排4包括正母排、负母排和用于正负母排绝缘的绝缘膜，正母排和负母排一端连接IGBT模块1的直流端子，其另一端连接至直流侧母线铜排，正负母排以叠层的方式与直流侧母线铜排连接，并且以折弯90度的方式连接至直流侧母线铜排，直流母排4可以是普通的铜排，也可以是BUSBAR方式的叠层母排；交流铜排5一端连接至两个IGBT模块的交流端子，另一端连接输出铜排，交流铜排5的另一端需要保持与两个IGBT模块交流端子的距离等长；IGBT模块1、驱动板2、、直流母排4、交流铜排5分别布置在散热器3的两侧，并呈镜像对称分布。
电容组9为36个电容并排组成的电容池，正母线铜排8和负母线铜排6可以选择普通的铜排方式，也可以为与中间绝缘层7压结成BUSBAR方式的叠层母排，正母线铜排8、中间绝缘层7和负母线铜排6共用电容组9的输出端子作为连接点，电容模组以电容组9、正母线铜排8、中间绝缘层7和负母线铜排6的顺序连接，然后通过电容组9的输出端子将IGBT功率模块的直流母排4连接到负母线铜排6上，连接成一体。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.风电变流器功率柜，其特征在于，包括：
柜体，所述柜体内部连接模组风机组件、机侧功率模组、网侧功率模组、模组汽水换热器和网侧电抗器组件；
模组风机组件，所述模组风机组件位于柜体顶部，位于机侧功率模组的上方；
机侧功率模组，所述机侧功率模组与机侧电抗器连接，机侧功率模组的交流输出排为上出线方式，位于柜体上部；
网侧功率模组，所述网侧功率模组的电容模组与机侧功率模组的电容模组连接，网侧功率模组与网侧电抗器连接，网侧功率模组的交流输出排为下出线方式，位于柜体中部，位于机侧功率模组的下方；
模组汽水换热器，所述模组汽水换热器位于网侧功率模组的下方；
网侧电抗器组件，所述网侧电抗器组件位于柜体底部，位于网侧功率模组下方。
2.根据权利要求1所述的风电变流器功率柜，其特征在于，所述机侧功率模组包括IGBT功率模块组和电容模组，所述IGBT功率模块组由IGBT功率模块结构并排组成，IGBT功率模块结构包括IGBT模块组、IGBT驱动板、直流母排、交流铜排和散热器；IGBT模块组，所述IGBT模块组由IGBT模块并联组成；IGBT驱动板，所述IGBT驱动板连接IGBT模块组，位于IGBT模块组外侧；直流母排，所述直流母排一端连接IGBT模块组，另一端与电容模组连接，位于IGBT模块组外侧；交流铜排，所述交流铜排一端连接IGBT模块组，位于IGBT驱动板外侧；散热器，所述散热器连接IGBT模块组，散热器两侧各连接一个IGBT模块组，IGBT模块组及与之相连接的IGBT驱动板、直流母排和交流铜排以散热器为对称面镜像对称；所述电容模组包括电容组、正母线铜排、中间绝缘层和负母线铜排，正母线铜排、中间绝缘层、负母线铜排和直流母排均利用电容组的输出端子作为连接点，正母线铜排、中间绝缘层和负母线铜排位于电容组和直流母排之间。
3.根据权利要求2所述的风电变流器功率柜，其特征在于，所述直流母排采用正负母排叠层方式，并折弯90度，与每个IGBT模块的直流端子连接。
4.根据权利要求2所述的风电变流器功率柜，其特征在于，所述交流铜排与每个IGBT模块的交流端子连接，另一端与IGBT模块组中的每个IGBT模块交流端子的距离相同。
5.根据权利要求2所述的风电变流器功率柜，其特征在于，所述IGBT驱动板由并联的IGBT模块驱动板合并成一块驱动板，并与每个IGBT模块连接，连线位置位于IGBT模块组的中间位置。
6.根据权利要求1所述的风电变流器功率柜，其特征在于，所述网侧功率模组包括IGBT功率模块组和电容模组，所述IGBT功率模块组由IGBT功率模块结构并排组成，IGBT功率模块结构包括IGBT模块组、IGBT驱动板、直流母排、交流铜排和散热器；IGBT模块组，所述IGBT模块组由IGBT模块并联组成；IGBT驱动板，所述IGBT驱动板连接IGBT模块组，位于IGBT模块组外侧；直流母排，所述直流母排一端连接IGBT模块组，另一端与电容模组连接，位于IGBT模块组外侧；交流铜排，所述交流铜排一端连接IGBT模块组，位于IGBT驱动板外侧；散热器，所述散热器连接IGBT模块组，散热器两侧各连接一个IGBT模块组，IGBT模块组及与之相连接的IGBT驱动板、直流母排和交流铜排以散热器为对称面镜像对称；所述电容模组包括电容组、正母线铜排、中间绝缘层和负母线铜排，正母线铜排、中间绝缘层、负母线铜排和直流母排均利用电容组的输出端子作为连接点，正母线铜排、中间绝缘层和负母线铜排位于电容组和直流母排之间。
7.根据权利要求6所述的风电变流器功率柜，其特征在于，所述直流母排采用正负母排叠层方式，并折弯90度，与每个IGBT模块的直流端子连接。
8.根据权利要求6所述的风电变流器功率柜，其特征在于，所述交流铜排与每个IGBT模块的交流端子连接，另一端与IGBT模块组中的每个IGBT模块交流端子的距离相同。
9.根据权利要求6所述的风电变流器功率柜，其特征在于，所述IGBT驱动板由并联的IGBT模块驱动板合并成一块驱动板，并与每个IGBT模块连接，连线位置位于IGBT模块组的中间位置。
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