CN106953502B - 一种电能路由器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电能路由器，其包括多个功率模块，每个功率模块均包括框架，以及设置在框架内的低压区、高压区和高频隔离变压器，且低压区的输入端连接模块外部的直流输入，低压区的输出端连接高频隔离变压器的输入端，高频隔离变压器的输出端连接高压区的输入端，高压区的输出端连接模块外部的交流输出。本发明所述电能路由器装配便捷、走线简单、布局紧凑、整机结构简单、易于寻找故障点并易于检修，其中的高频隔离变压器还能实现高电压等级的隔离。

Description

一种电能路由器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电能路由器。

背景技术

随着能源互联网的兴起和发展，现代电力系统正发生着深刻的变化，而传统电力系统已无法满足需求。电能路由器作为新型电力设备，是能源互联网的核心，是能源互联网运行与控制的具体实施装置。

现有技术中，电能路由器的结构包括三个部分，分别为相互独立的高压级、隔离级和低压级，其中，高压级部分和低压级部分分别设计为单独的模块，且模块内都集成了为数众多的电气件，而隔离级部分一般包括若干个高频隔离变压器。可见，高压级部分和低压级部分分别采用一体式结构。然而，这种一体式结构的设计并不合理，原因如下：

1.在整机安装方面，要分别将高压级部分、隔离级部分和低压级部分安装到一个很大的柜体内，这无疑需要很大的工作量；

2.高压级部分、隔离级部分和低压级部分的内部走线和外部走线都比较复杂，增加了布线和接线的时间；

3.高压级部分、隔离级部分和低压级部分相互独立、结构复杂、不紧凑；

4.高压级部分、隔离级部分和低压级部分在整机设计中需要考虑10KV等级的绝缘，导致整机结构复杂，成本增加；

5.一体式结构的低压级部分和一体式结构的高压级部分不便于维护；当设备出现故障时，不利于快速检索到故障点，而且即使找到了故障点，维修时也需要拆卸较多零部件，且很多零部件不能一次性拆卸，导致检修困难，检修时间也较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种装配便捷、走线简单、布局紧凑、整机结构简单、易于寻找故障点并易于检修的电能路由器。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种电能路由器，包括多个功率模块，每个功率模块均包括框架，以及设置在框架内的低压区、高压区和高频隔离变压器，且低压区的输入端连接模块外部的直流输入，低压区的输出端连接高频隔离变压器的输入端，高频隔离变压器的输出端连接高压区的输入端，高压区的输出端连接模块外部的交流输出，所述框架由绝缘材料制成。

优选地，低压区和高压区均采用层叠式结构。

优选地，低压区包括第一金属基板，设置在第一金属基板一侧的第一功率单板、与第一功率单板连接的进线铜排，以及设置在第一金属基板另一侧的第一控制单板和第一取能电源，且进线铜排连接模块外部的直流输入，设置在第一功率单板上的低压区输出端连接高频隔离变压器的输入端。

优选地，第一功率单板通过多个六角隔离柱设置在第一金属基板的一侧；低压区还包括设置在第一功率单板与第一金属基板之间的第一风道安装板，所述第一风道安装板采用U形结构，且开口朝向第一金属基板，其内设有第一散热器；第一功率单板的发热器件固定在第一散热器上。

优选地，低压区还包括第一绝缘子和弯角件，进线铜排和弯角件均采用L形结构，且第一绝缘子的一端与进线铜排的一条侧壁的内侧连接，第一绝缘子的另一端与框架连接，进线铜排的另一条侧壁的外侧与弯角件的一条侧壁的外侧连接且二者的延伸方向相同，弯角件的另一条侧壁的外侧与框架连接。

优选地，高压区包括第二金属基板、设置在第二金属基板一侧的第二功率单板、第三功率单板、第二控制单板、出线铜排、辅助电感、电感支架和固定在电感支架上的交流滤波电感，以及设置在第二金属基板另一侧的电容板和第二取能电源，且出线铜排连接模块外部的交流输出，设置在第二功率单板上的高压区输入端连接高频隔离变压器的输出端。

优选地，第二功率单板、第三功率单板和第二控制单板分别通过多个六角隔离柱设置在第二金属基板的一侧；高压区还包括设置在第二功率单板、电感支架与第二金属基板之间的第二风道安装板，以及设置在第三功率单板、第二控制单板与第二金属基板之间的第三风道安装板，所述第二风道安装板和第三风道安装板均采用U形结构，且开口均朝向第二金属基板，第二风道安装板内设有第二散热器，第三风道安装板内设有第三散热器；第二功率单板的发热器件固定在第二散热器上，第三功率单板的发热器件固定在第三散热器上。

优选地，高压区还包括第二绝缘子，出线铜排的端部通过第二绝缘子固定在第二风道安装板上，且第二风道安装板固定在第二金属基板上。

优选地，高压区还包括第一叠层母排和第二叠层母排，第二金属基板上与第二功率单板对应的区域内设置有第一孔、与第三功率单板对应的区域内设置有第二孔，第一叠层母排穿过第一孔且两端分别与第二功率单板和电容板连接，第二叠层母排穿过第二孔且两端分别与第三功率单板和电容板连接。

优选地，其特征在于，高频隔离变压器采用卧式结构，其输出端采用铜排出线、输入端采用高压线出线，且铜排周围设有伞裙。

有益效果：

本发明所述的电能路由器包括多个功率模块，每个功率模块均包括低压区、高压区和高频隔离变压器，装配时只需将各个功率模块放入柜体内即可，装配便捷，而且每个功率模块只包括一个总输入端(即低压区的输入端)和一个总输出端(即高压区的输出端)，故走线简单，也使得整机结构简单，还易于寻找故障点并易于检修。此外，其中的高频隔离变压器还能实现高电压等级的隔离。

附图说明

图1为本发明实施例提供的功率模块的主视图；

图2为本发明实施例提供的功率模块的后视图；

图3为图2中A区域的局部放大图；

图4为本发明实施例提供的功率模块的立体图；

图5为本发明实施例提供的框架的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的低压区的结构示意图之一；

图7为本发明实施例提供的低压区的结构示意图之二；

图8为本发明实施例提供的高压区的结构示意图之一；

图9为本发明实施例提供的高压区的结构示意图之二；

图10为本发明实施例提供的高压区的结构示意图之三；

图11为本发明实施例提供的电容板的结构示意图；以及

图12为本发明实施例提供的高频隔离变压器的结构示意图。

图中：1－低压区；2－高压区；3－高频隔离变压器；4－框架；5－第一绝缘子；6－弯角件；7－第一功率单板；8－第一风道安装板；9－第一金属基板；10－六角隔离柱；11－第一控制单板；12－第一取能电源；13－进线铜排；14－第一散热器；15－第二金属基板；16－第二功率单板；17－电容支架；18－交流滤波电感；19－第二绝缘子；20－出线铜排；21－辅助电感、22－第三功率单板；23－第二控制单板；24－第一叠层母排；25－第二散热器；26－第二风道安装板；27－第三散热器；28－第二叠层母排；29－第三风道安装板；30－第二取能电源；31－电容板；32－底板；33－低压侧面板；34－顶板；35－立柱；36－隔离挡板；37－高压侧面板。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

应当理解的是，在本发明实施例中，术语“上”、“下”、“左”和“右”分别指附图中所指向的“上”方、“下”方、“左”方和“右”方。

本发明实施例提供一种面向能源互联网的电能路由器，其包括柜体和多个功率模块，各功率模块按照预设的排列顺序放置于柜体内，柜体内可设有隔板和滑轨，以便于功率模块的放入和取出，功率模块上可设有把手，以便于推拉，每个功率模块内均集成有低压区、高压区和高频隔离变压器，从而形成一种多功率模块集成化、抽屉式的结构，且柜体内各功率模块之间的走线简单。可见，采用这种结构的电能路由器安装方便、快捷，走线简单，故易于装配，极大地减少了工作量，且整机结构简单，易于寻找故障点并易于检修。其中的高频隔离变压器还能实现高电压等级的隔离。

具体地，如图1、2、4所示，每个功率模块均包括框架4，以及设置在框架4内的低压区1、高压区2和高频隔离变压器3。其中，低压区1位于框架4内的左上侧，高频隔离变压器3位于框架4内的左下侧并位于低压区1之下，高压区2位于框架4内的右侧，且低压区1的输入端连接模块外部的直流输入，低压区1的输出端连接高频隔离变压器3的输入端，高频隔离变压器3的输出端连接高压区2的输入端，高压区2的输出端连接模块外部的交流输出。可见，本发明实施例中，将现有技术中一体式结构的低压级部分、一体式结构的高压级部分分散为各个功率模块的低压区、高压区，便于维护、检修。其中，框架4采用绝缘材料制成，以实现高压区和低压区的绝缘，并保证高压区和低压区的爬电距离。

本实施例中，如图5所示，框架4包括顶板34、底板32、低压侧面板33、高压侧面板37、两根立柱35和隔离挡板36。其中，顶板34和底板32相对设置，低压侧面板33和高压侧面板37相对地设置在顶板34和底板32之间且分别与二者的左、右端部相接，以起支撑作用，低压侧面板33和高压侧面板37上分别开有进风口和用于与模块外部的设备连接的接口，两根立柱35设置在顶板34和底板32之间且位于框架4内部中间偏左的位置处，以起支撑作用，隔离挡板36安装在两根立柱35之间的上部区域处，则两根立柱35和隔离挡板36将框架4内部区域分隔成左小、右大的两个子区域，且低压区1和高频隔离变压器3位于左侧子区域内，高压区2位于右侧子区域内，而高频隔离变压器3的输出端与高压区2的输入端通过两根立柱35之间的下部区域连接。本实施例所述框架4布局合理，从而减小了功率模块的整体尺寸，提高了功率模块整体的功率密度。

为了节省空间，较优地，低压区1和高压区2均采用层叠式结构。

低压区1的结构如图6和7所示。

具体地，低压区1包括第一金属基板9，设置在第一金属基板9一侧的第一功率单板7、与第一功率单板7连接的进线铜排13，以及设置在第一金属基板9另一侧的第一控制单板11和第一取能电源12，且进线铜排13连接模块外部的直流输入，设置在第一功率单板7上的低压区1的输出端连接高频隔离变压器3的输入端；而且，第一金属基板9的顶端与框架4的顶板34连接、左端与框架4的低压侧面板33连接、右端与框架4的隔离挡板36连接；其中，第一功率单板7的作用是，将直流输入的电能转换成高频的交流电，第一控制单板11的作用是，对第一功率单板7进行控制，使其正常地进行电能变换，第一取能电源12的作用是，从直流输入的电能取电，作为电源为第一控制单板11供电；

第一功率单板7通过多个六角隔离柱10(本实施例中采用四个六角隔离柱)设置在第一金属基板9的一侧，从而固定在第一金属基板9上；低压区1还包括设置在第一功率单板7与第一金属基板9之间的第一风道安装板8，所述第一风道安装板8采用U形结构，其开口朝向第一金属基板9并安装在第一金属基板9上，第一风道安装板8内设有第一散热器14；第一功率单板7的发热器件固定在第一散热器14上；

低压区1还包括第一绝缘子5和弯角件6，进线铜排13和弯角件6均采用L形结构，且第一绝缘子5的一端与进线铜排13的一条侧壁的内侧连接，第一绝缘子5的另一端与框架4的低压侧面板33连接，进线铜排13的另一条侧壁的外侧与弯角件6的一条侧壁的外侧连接且二者的延伸方向相同，弯角件6的另一条侧壁的外侧也与框架4的低压侧面板33连接，可见，第一绝缘子5和弯角件6均安装在框架4的低压侧面板33上，而进线铜排13则安装在第一绝缘子5和弯角件6上，使得进线铜排13通过第一绝缘子5和弯角件6固定在框架4的低压侧面板33上；本实施例中，进线铜排13采用两个，相应地，第一绝缘子5和弯角件6也分别采用两个。

较优地，第一功率单板7采用TO-247封装的分离式器件，这种结构的第一功率单板7中的整流器被设计为单板模式，从而减小了功率模块的尺寸。

高压区2的结构如图8-10所示。

具体地，高压区2包括第二金属基板15、设置在第二金属基板15一侧的第二功率单板16、第三功率单板22、第二控制单板23、出线铜排20、辅助电感21、电感支架17和固定在电感支架上的交流滤波电感18，以及设置在第二金属基板15另一侧的电容板31和第二取能电源30，且出线铜排20连接模块外部的交流输出，设置在第二功率单板16上的高压区2的输入端连接高频隔离变压器3的输出端；而且，第二金属基板15的顶端与框架4的顶板34连接、底端与框架4的底板32连接、右端与框架4的高压侧面板37连接；电感支架17采用L形板状结构，其一个侧板与第二金属基板15平行设置，交流滤波电感18安装在该侧板的外侧，而另一个侧板与第二金属基板15垂直设置或成一定角度，且该L形板状结构在两个端部处弯折，其中一个弯折部位位于所述一个侧板的端部并与框架4的顶板34连接，另一个弯折部位位于所述另一个侧板的端部并与第二金属基板15连接；其中，第三功率单板22的作用是，将高频交流电转换成直流电，第二功率单板16的作用是，将直流电转换成工频交流电，继而满足电网要求，第二控制单板23的作用是，对第二功率单板16和第三功率单板22进行控制，使二者正常工作，电容板31的作用是，将直流电能储能，使其平稳且波动小，第二取能电源30的作用是，从电容板31的直流电能取电，作为电源为第二控制单板23供电，交流滤波电感18的作用是，将工频输出的交流电的纹波滤除，辅助电感21的作用是，为高频交流电的变换提供谐振电感，减小器件开关的损耗；

第二功率单板16、第三功率单板22和第二控制单板23分别通过多个六角隔离柱(本实施例中，上述三者均采用四个六角隔离柱)设置在第二金属基板15的一侧，从而分别固定在第二金属基板15上；高压区2还包括设置在第二功率单板16、电感支架17与第二金属基板15之间的第二风道安装板26(即，第二风道安装板26既设置在第二功率单板16与第二金属基板15之间，也设置在电感支架17与第二金属基板15之间)，以及设置在第三功率单板22、第二控制单板23与第二金属基板15之间的第三风道安装板29(即，第三风道安装板29既设置在第三功率单板22与第二金属基板15之间，也设置在第二控制单板23与第二金属基板15之间)，所述第二风道安装板26和第三风道安装板29均采用U形结构，二者的开口均朝向第二金属基板15且都安装在第二金属基板15上，第二风道安装板26内设有第二散热器25，第三风道安装板29内设有第三散热器27；第二功率单板16的发热器件固定在第二散热器25上，第三功率单板22的发热器件固定在第三散热器27上；

高压区2还包括第二绝缘子19，出线铜排20的端部通过第二绝缘子19固定在第二风道安装板26上，且第二风道安装板26固定在第二金属基板上15；本实施例中，出线铜排20采用两个，相应地，第二绝缘子19也采用两个；

高压区2还包括第一叠层母排24和第二叠层母排28，第二金属基板15上与第二功率单板16对应的区域内设置有第一孔(本实施例中为方孔)、与第三功率单板22对应的区域内设置有第二孔(本实施例中为条形孔)，第一叠层母排24穿过第一孔且两端分别与第二功率单板16和电容板31连接，第二叠层母排28穿过第二孔且两端分别与第三功率单板22和电容板31连接，以使得第二功率单板16通过第一叠层母排24安装在电容板31上、第三功率单板22通过第二叠层母排28安装在电容板31上。可见，高压区2采用第一叠层母排22将第二功率单板16和电容板31连接起来，采用第二叠层母排28将第三功率单板22和电容板31连接起来，从而最大限度地减小了干扰。较优地，第一叠层母排24的边缘与第一孔对应的内边缘的间距、第二叠层母排28的边缘与第二孔对应的内边缘的间距均大于10mm，以保证1kV电压等级所要求的最小电气间隙；第一叠层母排24和第二叠层母排28的作用是，减小直流回路的寄生电感，使电路更加安全。

较优地，第二功率单板16和第三功率单板22均采用TO-247封装的分离式器件，这种结构的第二功率单板16和第三功率单板22中的整流器和逆变器被设计为单板模式，从而减小了功率模块的尺寸。

如图11所示，高压区2的电容板31采用板载电容，且多颗电容并联集成为一块电容板，相比于一般的柱状电容，板载电容提高了滤波性能，并且极大地节省了功率模块内部空间。

高频隔离变压器3用于隔离高压区2和低压区1，且固定在框架4的底板32上，如图12所示，本实施例中高频隔离变压器3采用卧式结构，即侧面出线，其高压侧输出端ab采用铜排出线，且铜排周围设有伞裙，以使得高频隔离变压器的高压侧出线采用伞裙结构，从而增加了爬电距离，减小了低压区1到高压区2的距离，进而减小了功率模块的整体尺寸，并提高了功率模块的功率密度；其中，伞裙采用绝缘材料制成，而铜排到高频隔离变压器3本体的爬电距离大于300mm；高频隔离变压器3的低压侧输入端AB采用高压线出线，这种设计的优点是无论低压侧输入端AB的出线有多长，高压侧输出端ab的铜排都满足到低压侧输入端AB的出线端子的爬电距离大于300mm。此外，采用卧式结构的高频隔离变压器3可以有效地降低整个功率模块的高度，而且采用侧面出线与采用顶部出线相比，能够避免顶部出线时需要与低压区1保持足够的电气间隙的问题，使得功率模块布局更为紧凑。

一般地，高压区2与低压区1之间存在10kV等级电压，且10KV等级电压要求最小电气间隙为125mm，最小爬电距离为240mm(功率模块爬电比距为20mm/KV)。为实现高压区2和低压区1的10KV等级绝缘，整个框架4需采用绝缘材料制成，而且，如图2和3所示，高压区2的第二金属基板15底部靠近框架4的底板32处设有缺口，以满足高压区2到高频隔离变压器3底座的电气间隙(125mm)和爬电距离(大于240mm)。此外，高压区2的第二金属基板15顶部靠近框架的顶板34处也设有缺口，同时顶板34底部靠近该缺口的位置处开有U形槽，以增加高压区2的第二金属基板15到低压区1的第一金属基板9的爬距。

结合图1、2、4可以看出，隔离挡板36安装在低压区1的第一金属基板9和高压区2的第二金属基板15之间，从而将二者隔离起来，保证二者在10kV等级的电压下不会放电。

下面对比现有技术的电能路由器和本发明实施例提供的电能路由器：

1)现有电能路由器将其高压级部分、隔离级部分和低压级部分设计为互相独立的结构，导致整个电能路由器的结构复杂，不紧凑；而本发明将电能路由器设计成多个功率模块，每个功率模块均集成有高压区、隔离区(高频隔离变压器)和低压区，使得整个电能路由器的结构简单，布局紧凑。

2)现有电能路由器的高压级部分、隔离级部分和低压级部分的外部走线复杂且长度较长；而本发明中每个功率模块的外部走线，即功率模块间的走线简单且长度较短。

3)现有电能路由器的高压级部分、隔离级部分和低压级部分在整机安装中需要考虑10KV等级的绝缘，导致整机结构复杂，成本高；而本发明中每个功率模块的框架采用绝缘材料制成，且高压区和低压区之间还设有隔离挡板，故解决了每个功率模块的高压区、隔离区和低压区的绝缘问题，使得整机结构简单，成本低。

4)现有电能路由器的高压级部分和低压级部分分别采用一体式结构，不便于维护，当设备出现故障时，不利于快速检索到故障点，而且即使找到了故障点，维修时也需要拆卸较多零部件，且很多零部件不能一次性拆卸，导致检修困难，检修时间也较长；而本发明所述电能路由器采用集成化、抽屉式的结构，便于维护，当设备出现故障时，对故障功率模块的排查也极易进行，由于走线多在功率模块内部，不涉及外部零件，可按各功能区域逐一排查故障，从而能快速找出有问题的功率模块，且只需更换故障功率模块即可，不需拆卸其他零件，故检修时间短。

可见，本发明实施例提供的电能路由器易于装配、结构紧凑、布局合理、体积小且功率密度高。此外，其功率模块内部的高压区与低压区之间、高压区与框架之间的绝缘电压高达42kV，由功率模块组成的电能路由器可用于隔离连接10kV及以下等级的电网、低压配电网或低压发电、用电设备。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电能路由器，其特征在于，所述电能路由器包括多个功率模块，每个功率模块均包括框架，以及设置在框架内的低压区、高压区和高频隔离变压器，且低压区的输入端连接模块外部的直流输入，低压区的输出端连接高频隔离变压器的输入端，高频隔离变压器的输出端连接高压区的输入端，高压区的输出端连接模块外部的交流输出，所述框架由绝缘材料制成；

其中，高压区采用层叠式结构；

高压区包括第二金属基板、设置在第二金属基板一侧的第二功率单板、第三功率单板、第二控制单板、出线铜排、辅助电感、电感支架和固定在电感支架上的交流滤波电感，以及设置在第二金属基板另一侧的电容板和第二取能电源，且出线铜排连接模块外部的交流输出，设置在第二功率单板上的高压区输入端连接高频隔离变压器的输出端；

高压区还包括设置在第二功率单板、电感支架与第二金属基板之间的第二风道安装板，以及设置在第三功率单板、第二控制单板与第二金属基板之间的第三风道安装板，所述第二风道安装板和第三风道安装板均采用U形结构，且开口均朝向第二金属基板，第二风道安装板内设有第二散热器，第三风道安装板内设有第三散热器；第二功率单板的发热器件固定在第二散热器上，第三功率单板的发热器件固定在第三散热器上。

2.根据权利要求1所述的电能路由器，其特征在于，低压区采用层叠式结构。

3.根据权利要求2所述的电能路由器，其特征在于，低压区包括第一金属基板，设置在第一金属基板一侧的第一功率单板、与第一功率单板连接的进线铜排，以及设置在第一金属基板另一侧的第一控制单板和第一取能电源，且进线铜排连接模块外部的直流输入，设置在第一功率单板上的低压区输出端连接高频隔离变压器的输入端。

4.根据权利要求3所述的电能路由器，其特征在于，第一功率单板通过多个六角隔离柱设置在第一金属基板的一侧；低压区还包括设置在第一功率单板与第一金属基板之间的第一风道安装板，所述第一风道安装板采用U形结构，且开口朝向第一金属基板，其内设有第一散热器；第一功率单板的发热器件固定在第一散热器上。

5.根据权利要求3所述的电能路由器，其特征在于，低压区还包括第一绝缘子和弯角件，进线铜排和弯角件均采用L形结构，且第一绝缘子的一端与进线铜排的一条侧壁的内侧连接，第一绝缘子的另一端与框架连接，进线铜排的另一条侧壁的外侧与弯角件的一条侧壁的外侧连接且二者的延伸方向相同，弯角件的另一条侧壁的外侧与框架连接。

6.根据权利要求1所述的电能路由器，其特征在于，第二功率单板、第三功率单板和第二控制单板分别通过多个六角隔离柱设置在第二金属基板的一侧。

7.根据权利要求6所述的电能路由器，其特征在于，高压区还包括第二绝缘子，出线铜排的端部通过第二绝缘子固定在第二风道安装板上，且第二风道安装板固定在第二金属基板上。

8.根据权利要求1所述的电能路由器，其特征在于，高压区还包括第一叠层母排和第二叠层母排，第二金属基板上与第二功率单板对应的区域内设置有第一孔、与第三功率单板对应的区域内设置有第二孔，第一叠层母排穿过第一孔且两端分别与第二功率单板和电容板连接，第二叠层母排穿过第二孔且两端分别与第三功率单板和电容板连接。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的电能路由器，其特征在于，高频隔离变压器采用卧式结构，其输出端采用铜排出线、输入端采用高压线出线，且铜排周围设有伞裙。

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