CN112583235A - 一种应用于电力电子变压器的级联模组单元 - Google Patents

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Abstract

本发明专利提供了一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，包含功率模块、功率单元板、热管理组件、电流检测组件、冗余回路组件、回路连接组件、模组壳体，采用级联H桥CHB拓扑，使用星型接法进行多模块串联，解决单个电力电子器件IGBT耐压不足的问题。具有内部组件模块化程度高，装配便利；模块整体的装配方便，可以快速实现电气连接，实现热拔插功能；最大程度利用风扇的风量，模组整体散热效率高；具有冗余功能，系统的可靠性高；体积重量小，功率密度高；模组整体去金属化程度较高，爬电距离和电气间隙得以保证，模组单元的安全性高等优势。

Description

一种应用于电力电子变压器的级联模组单元
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于电力电子变压器的级联模组单元。
背景技术
传统工频变压器具有体积重量大、损耗高、故障响应速度慢、波形易畸变等缺点，电力电子变压器作为新型配电设备，没有传统变压器的上述缺点，并实现电力变换、强电隔离、动态电能调节等多种功能，满足智能电网的需求。
电力电子变压器通常采用模块化级联拓扑，一般由高压模组、高频变压器、低压模组等组成。位于接近中压电网一端的高压侧模组模块与10kV电网直连，主要功能是从电网吸收直流负载所需能量并通过中间级传递给负载。现有近中压电网一端的高压侧结构形式多样，多数以整体化结构设计，存在装配不便、整体散热效率低、生产装配工期长、无法实现在线带电热拔插、整体结构金属化程度较高绝缘防护不易处理等问题。
发明内容
本发明针对现有方案存在的不足和缺陷，提供了一种应用于电力电子变压器的级联模组单元方案，解决单个电力电子器件(IGBT)耐受的电压不足；模组单元整体散热效率高；产品的生产效率及装配工艺性较高；实现了模组单元的热拔插功能；带电组件的电气间隙和爬电距离充分保证，产品的安全性有所提升；增加冗余回路，产品的可靠性有所提升。
为实现上述目的，本发明提出了一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，包括功率模块、功率单元板、热管理组件、电流检测组件、冗余回路组件、回路连接组件、模组壳体，其中：
功率模块，为整个模组的核心组件，采用CHB+DAB的架构；
功率单元板，用以采集、解析、发送各模组状态信息；
热管理组件，用以对功率模块进行冷却；
电流检测组件，用以采集回路电流；
冗余回路组件，用以必要时冗余该模组；
回路连接组件，用以电气连接各模组内电气件以及输入输出组件；
模组壳体，用以承担结构作用。
通过模组单元的级联将10kV中压分解为单个电力电子器件(IGBT)可以耐受的电压；通过共用散热风道的设计提升了模组单元的整体散热效率；通过模块化的模组单元设计，以及为模组单元的提升了产品的生产效率及装配工艺性；通过采用柔性触指的对外连接形式，实现了模组单元的热拔插功能；通过应用SMC等绝缘材料组件替代原有的金属组件，更好的保证了带电组件的电气间隙和爬电距离，进一步提升了产品的安全性；通过增加冗余回路继电器，实现故障隔离，无缝切换；
进一步的，所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述功率模块包含CHB模块、DAB模块、散热器、电容包、散热风道、母线连接排，其中散热风道作为结构基件，CHB模块和DAB模块并列栓接在块散热器上，散热器固定在散热风道的近进风口处，电容包固定在散热风道的近出风口处，且与散热器共用散热风道进行散热；其CHB封装和DAB封装的布置位置尽量靠近模组的进风口端，以便获得更好的散热效果；CHB模块、DAB模块和电容包通过母线连接排进行电气连接。
进一步的，所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述功率模块，其特征在于，其母线连接采用叠层母排形式，为了降低母线连接的杂散电感，以降低由杂散电感引起的电压尖峰，保护IGBT模块不受损坏。
进一步的，所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述散热器，其特征在于，其材质包括但不限于铝合金、铜或铜铝复合等材质，其形式包括但不限于热管散热器、型材组合散热器、插片式散热器等形式。
进一步的，所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述热管理组件，其特征在于，由风道、散热器组成、风扇；需要散热的CHB模块、DAB模块、电容包均处于一条密闭风道内，采用抽风形式进风。
进一步的，所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述回路连接组件与后端变压器负载连接采用柔性触指方案，节省安装空间，便于装配。
进一步的，所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述模组壳体，其特征在于，由钣金件和绝缘件组成，其材质包括覆铝锌板、SMC绝缘板，其中SMC绝缘板主要应用在模组底板、前面板、后面板以及模组内部分高压组件的固定件，用以保证高压带电组件的安全电气间隙和爬电距离。
进一步的，所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述冗余回路组件，其特征在于，可实现无缝切换，故障隔离，以提高整机的稳定性、可靠性；
进一步的，所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述模组底板，其特征在于，底部开有喇叭口导向凹槽，便于配合滚轮导轨进行模组装配，实现热拔插。
本发明的有益技术效果：本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元，具有内部组件模块化程度高，装配便利；模块整体的装配方便，可以快速实现电气连接，实现热拔插；最大程度利用风扇的风量，模组整体散热效率高；具有冗余功能，系统的可靠性高；体积重量小，功率密度高；模组整体去金属化程度较高，爬电距离和电气间隙得以保证，模组的安全性高等特点；
附图说明
图1是本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元的本级联模组拓扑示意图。
图2是本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元的本模组结构示意图。
图3是本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元的模组内部组件示意图。
图4是本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元的主体散热组件示意图。
图5是本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元的风道示意图。
图6是本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元的冗余组件示意图。
图7是本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元的柔性触指示意图。
图8是本发明应用于电力电子变压器的级联模组单元的模组底板示意图。
其中，1-模组侧板、2-电容包、3-叠层母排、4-功率单元板、5-风道、6-散热器、7-功率模块、8-壳体绝缘板组件、9-风扇、10-冗余组件、11-柔性触指、12-壳体钣金组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，并不限定本发明。
如图1所示，本发明系统整体架构采用级联H桥(CHB)拓扑，使用星型接法进行多模块串联，解决单个电力电子器件(IGBT)耐压不足的问题；隔离级采用谐振型双有源桥(SRC-DAB)拓扑，具有优良的隔离耐压性能。
如图2所示，模组单元整体采用模块化结构，整体结构尺寸宽×深×高为179mm×495mm×456mm，前面板与上顶板分别布置拉手和提手，方便进行模块的抽拉和转运；
如图3所示，模组单元内部组件也采用模块化打包设计，从上到下依次为1-模组侧板、2-电容包、3-叠层母排、4-功率单元板、5-风道、6-散热器、7-功率模块、8-壳体绝缘板组件、9-风扇、10-冗余组件、11-柔性触指、12-壳体钣金组件；如图示，整个模组内部组件基本可以分为由4-功率单元板及相关结构件组成的控制组件，由2-电容包、3-叠层母排、6-散热器、7-功率模组成的主体组件，由9-风扇、10-冗余组件、11-柔性触指组成的外围组件，由1-模组侧板、8-壳体绝缘板组件、12-壳体钣金组件组成的结构组件4大部分组成，模组内的组件模块化程度高，装配方便；模组壳体SMC绝缘板主要应用在模组底板、前面板、后面板以及模组内部分高压组件的固定件；在保证整体结构强度的前提下，最大程度保证高压带电组件的安全电气间隙和爬电距离。
如图4所示，主体散热组件功率模块，CHB模块和DAB模块共用一块散热器，因其功耗较大，故其布置在靠近进风口的位置，电容包布置在出风口端，两者共用一套风扇，最大程度上利用强制风冷，提高散热效率；
如图5所示，风道由钣金件折弯成型，在承担固定电容包、散热器的结构作用的同时形成了相对密闭的风道，最大程度保证风道的通畅、独立，有效利用外部冷风进行散热；
如图6所示，冗余组件主要包括冗余继电器、连接铜排等组件，在模组发生故障、停机等异常时可以无缝切换冗余模式，将模组的输入端铜排短接，将故障模组冗余掉，提高了整个系统的可靠性；
如图7所示，回路连接组件与后端高频变压器的电气连接采用柔性触指的连接方式，该连接形式节省装配空间，装配方便，便于模块化模组的热拔插；
如图8所示，模组底板采用SMC绝缘材料机加工而成，图示带有喇叭口的导槽可以匹配整机安装底板的导轨滑轮，尽可能减少模组底面与安装平面的摩擦阻力，便于人力拔插模组，同时喇叭口便于导向，导槽便于模组拔插过程中的定位，便于柔性触指与连接铜排更好地对插到位，保护触指的同时便于安装；
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，包括功率模块、功率单元板、热管理组件、电流检测组件、冗余回路组件、回路连接组件、模组壳体，其中：
功率模块，为整个模组的核心组件，采用CHB模块+DAB模块的架构，将10kV中压分解降压为单个电力电子原件(IGBT)可以耐受的电压(1kV以下)，并实现隔离功能；
功率单元板，用以采集、解析、发送各模组状态信息；
热管理组件，用以对功率模块进行冷却；
电流检测组件，用以采集回路电流；
冗余回路组件，用以必要时冗余该模组；
回路连接组件，用以电气连接各模组内电气件以及输入输出组件；
模组壳体，用以承担结构作用。
2.根据权利要求1所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述功率模块包含CHB模块、DAB模块、散热器、电容包、散热风道、母线连接排，其中散热风道作为结构基件，CHB模块和DAB模块并列栓接在块散热器上，散热器固定在散热风道的近进风口处，电容包固定在散热风道的近出风口处，且与散热器共用散热风道进行散热；其CHB封装和DAB封装的布置位置尽量靠近模组的进风口端，以便获得更好的散热效果；CHB模块、DAB模块和电容包通过母线连接排进行电气连接。
3.根据权利要求2所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述功率模块，其特征在于，其母线连接采用叠层母排形式，为了降低母线连接的杂散电感，以降低由杂散电感引起的电压尖峰，保护IGBT模块不受损坏。
4.根据权利要求2所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述散热器，其特征在于，其材质包括铝合金、铜或铜铝复合材质，其形式包括热管散热器、型材组合散热器和插片式散热器形式。
5.根据权利要求1所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述热管理组件，其特征在于，由5-风道、6-散热器组成、9-风扇；需要散热的CHB模块、DAB模块、电容包均处于一条密闭风道内，采用抽风形式进风。
6.根据权利要求1所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述回路连接组件与后端变压器负载连接采用柔性触指方案，节省安装空间，便于装配。
7.如权利要求1所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述模组壳体，其特征在于，由钣金件和绝缘件组成，其材质包括覆铝锌板、SMC绝缘板，其中SMC绝缘板主要应用在模组底板、前面板、后面板以及模组内部分高压组件的固定件，用以保证高压带电组件的安全电气间隙和爬电距离。
8.如权利要求7所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述模组底板，其特征在于，底部开有喇叭口导向凹槽，便于配合滚轮导轨进行模组装配，实现热拔插。
9.如权利要求1所述的一种应用于电力电子变压器的级联模组单元，其特征在于，所述冗余回路组件，其特征在于，可实现无缝切换，故障隔离，以提高整机的稳定性、可靠性。
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