CN108923618A - 电力电子变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种电力电子变压器，该电力电子变压器包括：高压模块、低压模块以及软铜排，其中，所述高压模块和所述低压模块实现整流级、隔离级以及逆变级的功能，所述高压模块包括所述整流级的电路和所述隔离级中的高频斩波器，所述整流级的电路的内部连接端子与所述隔离级中的高频斩波器的第一接线端子连接；所述低压模块包括所述隔离级中的高频变压器和所述逆变级的电路，所述逆变级的电路的内部连接端子与所述隔离级中的高频变压器的副边连接；所述隔离级中的高频斩波器的第二接线端子与所述隔离级中的高频变压器的原边通过软铜排连接。该方案有利于降低系统的整体尺寸、成本和复杂度，有利于系统的冗余设计，提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别涉及一种电力电子变压器。
背景技术
随着经济的不断发展，电力需求的增长愈来愈快，同时能源短缺、环境保护等问题也日益突出，而风力发电、太阳能发电为代表的可再生能源发电技术应用的日渐成熟，可再生能源发电技术在未来将迎来繁荣发展。但这些清洁能源通常存在位置分散、远离电力用户中心等特点，如何将这些新能源高效并网或就地存储消化，将成为未来电力系统技术的发展方向和研究热点。基于MMC(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)的电力电子变压器具有多端口多电压类型、潮流灵活可控和有效改善原副边电能质量等特点，为可再生能源发电技术的发展应用提供了一种高效、可靠的解决技术。
目前，电力电子变压器主要包括整流、隔离和逆变三级功能分区，国内外通常采用的设计思路是各个功能区独立设计，然后通过复杂的连线实现互联，由此增加了系统的整体尺寸、成本和复杂度，不利于系统的冗余设计，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明实施例提供了一种电力电子变压器，以解决现有技术中电力电子变压器存在增加系统整体尺寸、成本和复杂度的技术问题。该电力电子变压器包括：
高压模块、低压模块以及软铜排，其中，所述高压模块和所述低压模块实现整流级、隔离级以及逆变级的功能，所述高压模块包括所述整流级的电路和所述隔离级中的高频斩波器，所述整流级的电路的内部连接端子与所述隔离级中的高频斩波器的第一接线端子连接；所述低压模块包括所述隔离级中的高频变压器和所述逆变级的电路，所述逆变级的电路的内部连接端子与所述隔离级中的高频变压器的副边连接；所述隔离级中的高频斩波器的第二接线端子与所述隔离级中的高频变压器的原边通过软铜排连接。
在本发明实施例中，通过高压模块和低压模块实现了电力电子变压器的整流级、隔离级以及逆变级的功能，且高压模块和低压模块通过软铜排安装成一个整体，即整流级、隔离级以及逆变级三部分的电路直接连接成一个整体，实现了高度集成的电力电子变压器，与现有技术中独立设计整流、隔离和逆变三级功能分区，然后通过复杂的连线实现互联的技术方案相比，本申请高度集成的电力电子变压器，有利于降低系统的整体尺寸、成本和复杂度，有利于系统的冗余设计，提高了系统的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种电力电子变压器的等轴视图；
图2是本发明实施例提供的一种低压模块的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种高压模块的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种电力电子变压器的电气连接图；
图5是本发明实施例提供的一种电力电子变压器的电路拓扑图；
图6是本发明实施例提供的一种电力电子变压器的冷却回路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明实施例中，提供了一种电力电子变压器，如图1所示，该电力电子变压器包括：
高压模块2、低压模块1以及软铜排，其中，所述高压模块2和所述低压模块1实现整流级、隔离级以及逆变级的功能，所述高压模块2包括所述整流级的电路和所述隔离级中的高频斩波器，所述整流级的电路的内部连接端子与所述隔离级中的高频斩波器的第一接线端子连接；所述低压模块1包括所述隔离级中的高频变压器和所述逆变级的电路，所述逆变级的电路的内部连接端子与所述隔离级中的高频变压器的副边连接；所述隔离级中的高频斩波器的第二接线端子与所述隔离级中的高频变压器的原边通过软铜排连接。
由图1所示可知，在本发明实施例中，通过高压模块和低压模块实现了电力电子变压器的整流级、隔离级以及逆变级的功能，且高压模块和低压模块通过软铜排安装成一个整体，即整流级、隔离级以及逆变级三部分的电路直接连接成一个整体，实现了高度集成的电力电子变压器，与现有技术中独立设计整流、隔离和逆变三级功能分区，然后通过复杂的连线实现互联的技术方案相比，本申请高度集成的电力电子变压器，有利于降低系统的整体尺寸、成本和复杂度，有利于系统的冗余设计，提高了系统的可靠性。
具体实施时，为了进一步实现高度集成的电力电子变压器，在本实施例中，如图1、2、3所示，上述电力电子变压器还包括：高压模块结构框架46、低压模块结构框架47以及绝缘隔离板3，其中，所述高压模块2设置在所述高压模块结构框架46内，所述低压模块1设置在所述低压模块结构框架47内，所述高压模块结构框架46和低压模块结构框架47通过所述绝缘隔离板3连成一个整体。
具体的，可以通过绝缘隔离板3和螺栓将高压模块结构框架46和低压模块结构框架47固连成整体。
具体实施时，如图2、3所示，高压模块结构框架46和低压模块结构框架47上分别设置有绝缘隔离板安装孔51。
具体实施时，为了实现高压模块2的整体复杂电气回路杂感参数的最小化设计，在本实施例中，如图4、5所示，所述高压模块2，包括：四个高压绝缘栅双极型晶体管(即分别为编号为16的IGBT1、编号为17的IGBT2 17、编号为18的IGBT3、编号为19的IGBT4)、编号为22的高压直流电容C1和高压复合母排25，其中，四个所述高压绝缘栅双极型晶体管和所述高压直流电容22设置在所述高压复合母排25上，如图5所示，高压复合母排25完成了a2～a8，b2～b8共14个电气点的连接，使得两个高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT3、IGBT4)并联组成所述隔离级中的高频斩波器，两个高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT3、IGBT4)的并联接线端(即a6和a7连接为第一接线端子一端，b6和b7连接为第一接线端子的另一端)为所述高频斩波器的第一接线端子，两个高压绝缘栅双极型晶体管的接线端子(即a8为第二接线端子的一端，b8为第二接线端子的另一段)为所述高频斩波器的第二接线端子；两个高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT1、IGBT2)并联在所述高压直流电容22的同一侧，组成所述整流级的电路，所述高压直流电容22的两端(即a5和b5)为所述整流级的电路的内部连接端子，两个所述高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT1、IGBT2)的接线端子(即a2和b2)为所述整流级的电路的高压交流出线端子38。即实现了高压复合母排25同时连接了四个高压绝缘栅双极型晶体管和高压直流电容22，有效实现了高压模块2整体复杂电气回路杂感参数的最小化设计。
具体实施时，为了实现高压模块2的散热，在本实施例中，如图3所示，所述高压模块2，还包括：高压模块散热器14，所述四个高压绝缘栅双极型晶体管(即分别为编号为16的IGBT1、编号为17的IGBT2 17、编号为18的IGBT3、编号为19的IGBT4)安装于所述高压模块散热器的表面上。
具体实施时，为了进一步实现高压模块2的整体复杂电气回路杂感参数的最小化设计，在本实施例中，如图3、4所示，所述高压模块2，还包括：4块驱动板41、2块高压模块控制板39、1块整流桥板42、所述第一电压传感器50、第一谐振电容241以及第一谐振电容复合母排271，其中，所述4块驱动板41、所述1块整流桥板42以及第一电压传感器50安装成一个结构层，所述4块驱动板41、所述1块整流桥板42以及第一电压传感器50可以通过钣金安装成一个结构层；所述2块高压模块控制板39可以通过钣金单独安装成一个结构层，所述2块高压模块控制板39与所述4块驱动板41连接，所述4块驱动板41分别与所述四个高压绝缘栅双极型晶体管连接，实现控制驱动四个IGBT；所述第一电压传感器50与所述高压直流电容22并联，所述第一电压传感器50与所述2块高压模块控制板39连接，实现采集高压直流电容22的电压；所述1块整流桥板42与所述2块高压模块控制板39连接，实现提供电能；所述第一谐振电容241通过所述第一谐振电容复合母排271串联在所述高频变压器4的原边上。
具体实施时，如图4、5所示，上述高压模块2，还包括：编号为28的真空开关CB，该真空开关CB通过编号为35的真空开关连接母排1和编号为36的真空开关连接母排2设置在整流级的电路的高压交流出线端子38上，该真空开关CB还可以与整流桥板42连接，该真空开关CB还可以与高压模块控制板39连接。具体的，如图5所示，真空开关CB的两端a1和b1并联在高压交流出线端子38的两端a2和b2上，实现a1和a2的连接点引出一个端子a0，作为高压交流出线端子38的一个接线端；实现b1和b2的连接点引出一个端子b0，作为高压交流出线端子38的另一个接线端。
具体实施时，为了实现低压模块1的整体复杂电气回路杂感参数的最小化设计，在本实施例中，如图2、4、5所示，所述低压模块1，包括：两个低压绝缘栅双极型晶体管(即分别为编号为20的IGBT5、编号为21的IGBT6)、编号为23的低压直流电容C2以及低压复合母排26，其中，两个所述低压绝缘栅双极型晶体管(即分别为编号为20的IGBT5、编号为21的IGBT6)和所述低压直流电容23设置在所述低压复合母排26上，如图5所示，低压复合母排26完成了a12～a14，b12～b14共6个电气点的连接，并留有连接端子a15、b15(其中a0、b0为低压直流出线端子)使得两个所述低压绝缘栅双极型晶体管并联在所述低压直流电容23的同一侧，组成所述逆变级的电路，所述低压直流电容23的两端(即a14和b14)为所述逆变级的电路的低压直流出线端子37，两个所述低压绝缘栅双极型晶体的接线端子(即a11和b11)为所述逆变级的电路的内部连接端子。
具体实施时，为了实现低压模块1的散热，在本实施例中，如图2所示，所述低压模块1，还包括：低压模块散热器15，两个所述低压绝缘栅双极型晶体管(即分别为编号为20的IGBT5、编号为21的IGBT6)安装于所述低压模块散热器15上。
具体实施时，为了进一步实现低压模块1的整体复杂电气回路杂感参数的最小化设计，在本实施例中，如图2、4所示，所述低压模块1，还包括：低压模块控制板40、交流开关电源45、供能隔离变压器43、漏电保护开关44、第二谐振电容242、第二谐振电容复合母排272以及第二电压传感器49，其中，所述低压模块控制板40、交流开关电源45以及漏电保护开关44安装成一个结构层，具体的，所述低压模块控制板40、交流开关电源45以及漏电保护开关44可以通过钣金安装成一个结构层；所述第二谐振电容242通过所述第二谐振电容复合母排272串联在所述高频变压器4的副边上，所述低压模块散热器15和所述第二电压传感器49安装成一个结构层，所述漏电保护开关44与所述交流开关电源45和所述供能隔离变压器43连接，所述交流开关电源45与所述低压模块控制板40连接，所述供能隔离变压器43与所述高压模块中的高压模块控制板39连接(可以用高压线缆连接，以提供电能)，所述第二电压传感器49与所述低压直流电容23并联，所述第二电压传感器49与所述低压模块控制板40连接，以实现采集低压直流电容23的电压。
具体实施时，如图4所示，隔离级中的高频斩波器的第二接线端子与所述隔离级中的高频变压器的原边通过三个软铜排连接，例如，图5所示的编号为32的软铜排4、编号为33-软铜排5以及编号为34的软铜排6，软铜排4、软铜排5、软铜排6完成了电气点a8、d1、a9、b9和b8依次串联，完成了高频斩波器的第二接线端子—谐振电容—高频变压器原边的串联。
具体的，如图4所示，所述逆变级的电路的内部连接端子可以通过三个软铜排与隔离级中的高频变压器4的副边连接，例如，图4、5所示的编号为29的软铜排1、编号为30-软铜排2以及编号为31的软铜排3，用软铜排1、软铜排2、软铜排3完成电气点a11、d2、a10、b10和b11依次串联，完成了逆变级的电路的内部连接端子—谐振电容—高频变压器副边的串联。
具体实施时，为了进一步实现高度集成的电力电子变压器，在本实施例中，如图6所示，电力电子变压器还包括：主进水管5和主出水管6，所述高压模块2和所述低压模块1均通过所述主进水管5和所述主出水管6进行散热，所述主进水管5和主出水管6的出口均设置在所述高压模块侧。即实现了所述高压模块2和所述低压模块1共用一路主进水管5和主出水管6，有利于减小电力电子变压器的整机尺寸，进而实现高度集成的电力电子变压器。
具体实施时，在本实施例中，如图6所示，电力电子变压器还包括：第一分支进水管7，用于连接所述主进水管5和所述高压模块中的高压模块散热器14的进水口；第一分支出水管10，用于连接所述主出水管6和所述高压模块中的高压模块散热器14的出水口；第二分支进水管8，用于连接所述主进水管5和所述低压模块中的高频变压器4的进水口；第二分支出水管11，用于连接所述主出水管6和所述低压模块中的高频变压器4的出水口；第三分支进水管9，用于连接所述主进水管5和所述低压模块中的低压模块散热器15的进水口；第三分支出水管12，用于连接所述主出水管6和所述低压模块中的低压模块散热器15的出水口。
即实现了高压模块中的高压模块散热器14、低压模块中的高频变压器4以及低压模块中的低压模块散热器15共用一路主进水管5和主出水管6来散热，且高压模块中的高压模块散热器14、低压模块中的高频变压器4以及低压模块中的低压模块散热器15分别连有分支进水管和出水管，实现了三路分支进水管和出水管互不影响，通过不同流量情况下流阻大小相等的设计方法，可以有效实现三路分支进水管和出水管的流量大小自动配置。
具体的，如图6所示，低压模块1中的高频变压器4上可设置原副边串连水管13。
具体实施时，如图1所示，上述电力电子变压器还设有供能进线端子48，供电力电子变压器与电源连接，为电力电子变压器的二次板卡提供外供电。该供能进线端子48与低压模块1中的漏电保护开关44连接。
具体实施时，上述高压绝缘栅双极型晶体管、高压直流电容、高压复合母排、高压模块散热器以及高压模块控制板等中的“高压”是指这些器件所对应的电压级别属于6.5千伏至3.3千伏这个区间。上述低压绝缘栅双极型晶体管、低压直流电容、低压复合母排、低压模块散热器以及低压模块控制板等中的“低压”是指这些器件所对应的电压级别小于3.3千伏。
本发明实施例实现了如下技术效果：通过高压模块和低压模块实现了电力电子变压器的整流级、隔离级以及逆变级的功能，且高压模块和低压模块通过软铜排安装成一个整体，即整流级、隔离级以及逆变级三部分的电路直接连接成一个整体，实现了高度集成的电力电子变压器，与现有技术中独立设计整流、隔离和逆变三级功能分区，然后通过复杂的连线实现互联的技术方案相比，本申请高度集成的电力电子变压器，有利于降低系统的整体尺寸、成本和复杂度，有利于系统的冗余设计，提高了系统的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种电力电子变压器，其特征在于，包括：高压模块、低压模块以及软铜排，其中，所述高压模块和所述低压模块实现整流级、隔离级以及逆变级的功能，所述高压模块包括所述整流级的电路和所述隔离级中的高频斩波器，所述整流级的电路的内部连接端子与所述隔离级中的高频斩波器的第一接线端子连接；所述低压模块包括所述隔离级中的高频变压器和所述逆变级的电路，所述逆变级的电路的内部连接端子与所述隔离级中的高频变压器的副边连接；所述隔离级中的高频斩波器的第二接线端子与所述隔离级中的高频变压器的原边通过软铜排连接。
2.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，还包括：高压模块结构框架、低压模块结构框架以及绝缘隔离板，其中，
所述高压模块设置在所述高压模块结构框架内，所述低压模块设置在所述低压模块结构框架内，所述高压模块结构框架和低压模块结构框架通过所述绝缘隔离板连成一个整体。
3.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，所述高压模块，包括：
四个高压绝缘栅双极型晶体管、高压直流电容和高压复合母排，其中，四个所述高压绝缘栅双极型晶体管和所述高压直流电容设置在所述高压复合母排上，两个高压绝缘栅双极型晶体管并联组成所述隔离级中的高频斩波器，两个高压绝缘栅双极型晶体管的并联接线端为所述高频斩波器的第一接线端子，两个高压绝缘栅双极型晶体管的接线端子为所述高频斩波器的第二接线端子；两个高压绝缘栅双极型晶体管并联在所述高压直流电容的同一侧，组成所述整流级的电路，所述高压直流电容的两端为所述整流级的电路的内部连接端子，两个所述高压绝缘栅双极型晶体管的接线端子为所述整流级的电路的高压交流出线端子。
4.如权利要求3所述的电力电子变压器，其特征在于，所述高压模块，还包括：
高压模块散热器，所述四个高压绝缘栅双极型晶体管安装于所述高压模块散热器的表面上。
5.如权利要求3所述的电力电子变压器，其特征在于，所述高压模块，还包括：
4块驱动板、2块高压模块控制板、1块整流桥板、第一电压传感器、第一谐振电容、第一谐振电容复合母排，其中，所述4块驱动板、所述1块整流桥板以及所述第一电压传感器安装成一个结构层，所述2块高压模块控制板安装成一个结构层，所述2块高压模块控制板与所述4块驱动板连接，所述4块驱动板分别与所述四个高压绝缘栅双极型晶体管连接，所述第一电压传感器与所述高压直流电容并联，所述第一电压传感器与所述2块高压模块控制板连接，所述1块整流桥板与所述2块高压模块控制板连接，所述第一谐振电容通过所述第一谐振电容复合母排串联在所述高频变压器的原边上。
6.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，所述低压模块，包括：
两个低压绝缘栅双极型晶体管、低压直流电容以及低压复合母排，其中，两个所述低压绝缘栅双极型晶体管和所述低压直流电容设置在所述低压复合母排上，两个所述低压绝缘栅双极型晶体管并联在所述低压直流电容的同一侧，组成所述逆变级的电路，所述低压直流电容的两端为所述逆变级的电路的低压直流出线端子，两个所述低压绝缘栅双极型晶体的接线端子为所述逆变级的电路的内部连接端子。
7.如权利要求6所述的电力电子变压器，其特征在于，所述低压模块，还包括：
低压模块散热器，两个所述低压绝缘栅双极型晶体管安装于所述低压模块散热器上。
8.如权利要求7所述的电力电子变压器，其特征在于，所述低压模块，还包括：
低压模块控制板、交流开关电源、供能隔离变压器、漏电保护开关、第二谐振电容、第二谐振电容复合母排以及第二电压传感器，其中，所述低压模块控制板、所述交流开关电源以及所述漏电保护开关安装成一个结构层，所述第二谐振电容通过所述第二谐振电容复合母排串联在所述高频变压器的副边上，所述低压模块散热器和所述第二电压传感器安装成一个结构层，所述漏电保护开关与所述交流开关电源和所述供能隔离变压器连接，所述交流开关电源与所述低压模块控制板连接，所述供能隔离变压器与所述高压模块中的高压模块控制板连接，所述第二电压传感器与所述低压直流电容并联，所述第二电压传感器与所述低压模块控制板连接。
9.如权利要求1至8中任一项所述的电力电子变压器，其特征在于，还包括：主进水管和主出水管，所述高压模块和所述低压模块均通过所述主进水管和所述主出水管进行散热，所述主进水管和主出水管的出口均设置在所述高压模块侧。
10.如权利要求9所述的电力电子变压器，其特征在于，还包括：
第一分支进水管，用于连接所述主进水管和所述高压模块中的高压模块散热器的进水口；
第一分支出水管，用于连接所述主出水管和所述高压模块中的高压模块散热器的出水口；
第二分支进水管，用于连接所述主进水管和所述低压模块中的高频变压器的进水口；
第二分支出水管，用于连接所述主出水管和所述低压模块中的高频变压器的出水口；
第三分支进水管，用于连接所述主进水管和所述低压模块中的低压模块散热器的进水口；
第三分支出水管，用于连接所述主出水管和所述低压模块中的低压模块散热器的出水口。
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