CN114665718A - 固态变压器功率单元及变电站 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种固态变压器功率单元及变电站，属于电力领域。该固态变压器功率单元包括单独封装的高压输入模块、中间隔离模块和低压输出模块；高压输入模块包括第一壳体、风冷散热结构、直流支撑电容组、整流子模块、逆变子模块，整流子模块的第一输入端和第二输入端从第一壳体伸出，逆变子模块的第一输出端和第二输出端从第一壳体伸出；低压输出模块结构与高压输入模块相同；中间隔离模块位于高压输入模块和低压输出模块之间，包括第二壳体，以及位于第二壳体内的高频变压器；高频变压器的第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端从第二壳体伸出。根据本申请实施例能够降低固态变压器功率单元的安装难度。

Description

固态变压器功率单元及变电站

技术领域

本申请属于电力领域，尤其涉及一种固态变压器功率单元及变电站。

背景技术

随着电网技术的发展和对电能需求的增长，工频电力变压器作为电网的关键设备，功能局限性愈加明显，难以满足电网的发展要求。固态变压器地一种将电力电子变换技术与中高频电磁耦合技术相结合的新型可控型电力变压器，可互联不同电压等级的输电网和配电网，能够满足电网的发展要求。

固态变压器可由多个封装的功率单元组成。将高压输入级电路、中间隔离级电路和低压输出级电路封装为一个功率单元。由于功率单元中的电路较多，功率单元体积较大，使得功率单元的安装、维护难度都较大。

发明内容

本申请实施例提供一种固态变压器功率单元及变电站，能够降低固态变压器功率单元、固态变压器变电站的安装难度、维护难度。

第一方面，本申请实施例提供一种固态变压器功率单元，包括单独封装的高压输入模块、中间隔离模块和低压输出模块；

高压输入模块包括第一壳体，位于第一壳体内的风冷散热结构，位于第一壳体内的直流支撑电容组，以及设置于风冷散热结构背面并联连接的整流子模块、逆变子模块，直流支撑电容组与整流子模块并联连接；整流子模块的第一输入端和第二输入端从第一壳体伸出，逆变子模块的第一输出端和第二输出端从第一壳体伸出；

低压输出模块与高压输入模块的结构相同；

中间隔离模块位于高压输入模块和低压输出模块之间，中间隔离模块包括第二壳体，以及位于第二壳体内的高频变压器；高频变压器的第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端从第二壳体伸出，高频变压器的第一输入端以及第二输入端与高压输入模块中逆变子模块的第一输出端以及第二输出端分别对应电连接，高频变压器的第一输出端以及第二输出端与低压输出模块中整流子模块的第一输入端以及第二输入端分别对应电连接。

在一些可能的实施例中，风冷散热结构包括散热底座，以及设置在散热底座上的多个散热翅片。

在一些可能的实施例中，第一壳体与散热翅片相对的第一面上设置有进风口，在与第一面相对的第二面上设置有出风口。

在一些可能的实施例中，高压输入模块还包括位于第一壳体内的叠层母排，叠层母排与散热底座平行设置，叠层母排与直流支撑电容组连接，叠层母排还分别与整流子模块以及逆变子模块电连接。

在一些可能的实施例中，整流子模块包括两个半桥IGBT器件组，逆变子模块包括两个半桥IGBT器件组。

在一些可能的实施例中，高压输入模块还包括在整流子模块和逆变子模块背向散热底座一侧设置的驱动控制电路板组。

在一些可能的实施例中，沿整流子模块和逆变子模块背向散热底座的方向，驱动控制电路板组包括层叠设置的第一驱动电路板、第二驱动电路板和控制电路板；

第一驱动电路板包括半桥IGBT器件组各自对应的第一电路，每个第一电路在第一驱动电路板上对应电连接有两个第一接线端子；

第二驱动电路板包括半桥IGBT器件组各自对应的隔离驱动器，每个隔离驱动器在第二驱动电路板上对应电连接有两个第二接线端子和一个第三接线端子，与同一半桥IGBT器件组对应的第一接线端子和第二接线端子电连接；

控制电路板包括控制电路、与控制电路电连接的四个第四接线端子、与控制电路连接的通信端口，第四接线端子与第三接线端子一一对应电连接，第一壳体上设置有与通信端口对应的开口。

在一些可能的实施例中，高压输入模块还包括供电电源，供电电源邻近驱动控制电路板组设置，供电电源分别与叠层母排以及控制电路板电连接。

在一些可能的实施例中，高频变压器的第一输入端和第二输入端套装有隔离伞裙。

第二方面，本申请实施例提供了一种固态变压器变电站，包括外壳体，设置于外壳体内的支撑结构体、三相电抗器、控制柜，设置于支撑结构体上的三相功率单元组，以及换热风扇；换热风扇设置于外壳体与三相功率单元组相对的第一面上，外壳体与第一面相对的第二面上设置有进风口；

每一相功率单元组包括N个第一方面中的固态变压器功率单元，N为大于等于2的整数。

在一些可能的实施例中，三相电抗器、第一相功率单元组、第二相功率单元组、第三相功率单元组顺序排列；每一相功率单元组中固态变压器功率单元分为两列排布。

在一些可能的实施例中，在每一相功率单元组中，第一个高压输入模块中整流子模块的第一输入端与对应的一相电抗器电连接，第i个高压输入模块中整流子模块的第一输入端与第i-1个高压输入模块中整流子模块的第二输入端通过第一连接排电连接，1＜i≤N，各低压输出模块中逆变子模块的第一输出端通过第二连接排电连接，第二连接排与对应的一相低压进线电连接；

各相功率单元组的第N个高压输入模块中整流子模块的第二输入端通过第三连接排电连接，各相功率单元组的低压输出模块中逆变子模块的第二输出端通过第四连接排电连接，第四连接排接地。

在一些可能的实施例中，外壳体与三相功率单元组相对的第一面上设置有风扇安装口，换热风扇安装于风扇安装口，在外壳体外侧于风扇安装口处还设置有导风罩；进风口安装有百叶窗。

在一些可能的实施例中，支撑结构体包括上层支架和下层支架，固态变压器功率单元中的高压输入模块设置于上层支架上，固态变压器功率单元中的中间隔离模块和低压输入模块设置于下层支架上。

在一些可能的实施例中，上层支架为绝缘支架。

在一些可能的实施例中，支撑结构体还包括支撑底座，支撑底座支撑下层支架。

在一些可能的实施例中，外壳体上设置穿过外壳体的多个套管，三相高压进线各通过一个套管进入外壳体与各自对应的一相电抗器电连接，三相低压进线各通过一个套管进入外壳体与各自对应的一相功率单元组的低压输出模块中逆变子模块的第一输出端电连接。

在一些可能的实施例中，各相功率单元组中高压输入模块中通信端口通过第一通信链路与控制柜连接，各相功率单元组中低压输出模块中通信端口通过第二通信链路与控制柜连接。

本申请实施例提供一种固态变压器功率单元及变电站，固态变压器功率单元包括单独封装的高压输入模块、中间隔离模块和低压输出模块，高压输入模块中整流子模块的第一输入端、第二输入端从第一壳体伸出。高压输入模块中逆变子模块的第一输出端以及第二输出端从第一壳体伸出，并与中间隔离模块中高压变频器的第一输入端以及第二输入端分别对应电连接。低压输出模块与高压输入模块的结构相同。低压输出模块中整流子模块的第一输入端以及第二输入端从第二壳体伸出，并与中间隔离模块中高压变频器的第一输出端以及第二输出端分别对应电连接。低压输出模块中逆变子模块的第一输出端、第二输出端从第二壳体伸出。高压输入模块、中间隔离模块和低压输出模块各自单独封装，实现了固态变压器功率单元的模块化设计，降低了固态变压器功率单元、固态变压器变电站的安装难度、维护难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的固态变压器功率单元的一实施例的电气结构示意图；

图2为本申请提供的三相固态变压器的一实施例的电气结构示意图；

图3为本申请提供的固态变压器功率单元的一实施例的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的高压输入模块第一壳体内至少部分结构的一示例的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的高压输入模块第一壳体内至少部分结构的另一示例的结构示意图；

图6为图5所示的高压输入模块第一壳体内至少部分结构的另一角度的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的第一驱动电路板、第二驱动电路板和控制电路板的一示例的结构框图；

图8为本申请实施例提供的第一驱动电路板、第二驱动电路板、控制电路板与半桥IGBT器件组的一示例的位置示意图；

图9为本申请实施例提供的中间隔离模块的一示例的结构示意图；

图10为本申请提供的固态变压器变电站的一实施例的结构示意图；

图11为图10所示的固态变压器变电站的另一角度的结构示意图；

图12为图10和图11所示的固态变压器变电站的剖面结构示意图；

图13为本申请实施例提供的三相功率单元组的一示例的结构示意图；

图14为图13所示的三相功率单元组的局部的结构示意图；

图15为本申请实施例提供的三相功率单元组中固态变压器功率单元的连接的一示例的示意图；

图16为本申请实施例提供的支撑结构体的一示例的结构示意图；

图17为本申请实施例提供的光纤收发器与控制柜之间的光纤通信链路的一示例的示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

固态变压器是一种将电力电子变换技术与中高频电磁耦合技术相结合的新型可控型电力变压器，可互联不同电压等级的输电网和配电网，还可为分布式电源和储能装置提供即插即用接口。固态变压器还可以实现连续有载调压、电能质量控制、两级电网柔性联接器、联结电网解耦控制、短路电流阻断器、高低压双侧静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator，STATCOM)、自愈型安自装置、安稳系统执行端、新能源并网接口等功能。由于上述优势，固态变压器的应用范围越来越广泛。

固态变压器可由多个封装的功率单元组成。将高压输入级电路、中间隔离级电路和低压输出级电路封装为一个功率单元。但由于电路结构较为复杂、包含元器件数量众多，导致功率单元体积较大，使得在安装、维护等方面较为困难。

本申请提供一种固态变压器功率单元及变电站，将高压输入级电路、中间隔离级电路和低压输出级电路各自封装，即固态变压器功率单元为分离式结构，从而降低了安装、维护等方面的难度。

下面介绍固态变压器功率单元以及三相固态变压器的电气结构。本申请实施例中的三相固态变压器为交流-交流固态变压器，对应地，固态变压器功率单元为交流-交流固态变压器功率单元。

图1为本申请提供的固态变压器功率单元的一实施例的电气结构示意图。如图1所示，固态变压器功率单元可包括高压输入级电路、中间隔离级电路和低压输出级电路。高压输入级电路被封装为高压输入模块11，中间隔离级电路被封装为中间隔离模块12，低压输出级电路被封装为低压输出模块13。低压输入级电路的内部结构与高压输入级电路的内部结构相同，但在此并不限定低压输入级电路与高压输入级电路中器件的参数、型号等。

高压输入模块11包括并联的整流子模块、逆变子模块和直流支撑电容组。整流子模块111包括两个半桥绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件组113。逆变子模块112包括两个半桥IGBT器件组113。每个半桥IGBT器件组113包括两个串联的IGBT器件。例如，如图1所示，整流子模块111包括IGBT器件T1、T2、T3和T4，逆变子模块112包括IGBT器件T5、T6、T7和T8。整流子模块111和逆变子模块112中IGBT器件的连接方式如图1所示，在此并不赘述。高压输入模块11中的直流支撑电容组可包括一个以上的电容，在此并不限定直流支撑电容组中的电容的数量和容值。例如，如图1所示，高压输入模块11中的直流支撑电容组包括电容C1。

中间隔离模块12包括高频变压器M1。该高频变压器M1具体可为高隔离的高频变压器M1，高频变压器M1的隔离电压等级可按照高压输入模块11的输入侧(即高压侧)的电压等级确定，在此并不限定。例如，高压输入模块11的输入侧的配网电压为10KV即10千伏，对应地，高频变压器M1的隔离电压等级可按照10KV确定。

低压输出模块13的结构与高压输入模块11的结构相同。低压输出模块13包括并联的整流子模块131、逆变子模块132和直流支撑电容组。整流子模块131包括两个半桥IGBT器件组133。逆变子模块132包括两个半桥IGBT器件组133。每个半桥IGBT器件组133包括两个串联的IGBT器件。例如，如图1所示，整流子模块131包括IGBT器件T9、T10、T11和T12，逆变子模块132包括IGBT器件T13、T14、T15和T16。整流子模块131和逆变子模块132中IGBT器件的连接方式如图1所示，在此并不赘述。低压输出模块13中的直流支撑电容组可包括一个以上的电容，在此并不限定直流支撑电容组中的电容的数量和容值。例如，如图1所示，低压输出模块13中的直流支撑电容组包括电容C2。

图2为本申请提供的三相固态变压器的一实施例的电气结构示意图。如图2所示，三相固态变压器可包括三相功率单元组。每相功率单元组包括两个以上的固态变压器功率单元。

如图2所示，在一相功率单元组中，第一个固态变压器功率单元的第一输入端可通过电抗器与高压侧电网的一相连接，第一个固态变压器功率单元的第二输入端与第二个固态变压器功率单元的第一输入端连接，第二个固态变压器功率单元的第二输入端与第三个固态变压器功率单元的第一输入端连接，以此类推。在一相功率单元组中，各固态变压器功率单元的第一输出端连接，并与低压电网的一相连接。例如，在图2中，第一相功率单元组中，第一个固态变压器功率单元的第一输入端通过第一相电抗器L1与高压侧电网的第一相连接。第二相功率单元组中，第一个固态变压器功率单元的第一输入端通过第二相电抗器L2与高压侧电网的第二相连接。第三相功率单元组中，第一个固态变压器功率单元的第一输入端通过第三相电抗器L3与高压侧电网的第三相连接。

各相功率单元组中最后一个固态变压器功率单元的第二输入端连接，形成高压侧的中性点。各相功率单元组中各固态变压器功率单元的第二输出端连接，形成低压侧的中性点，低压侧的中性点可与低压侧接地连接。

功率单元组中固态变压器功率单元的输入串联，可提高三相固态变压器的电压等级。功率单元组中固态变压器功率单元的输出并联，可提高三相固态变压器的电流等级。功率单元组中固态变压器功率单元的数量可根据固态变压器功率单元的电压等级和电网侧电压等级确定，在此并不限定。

下面介绍固态变压器功率单元的具体结构。图3为本申请提供的固态变压器功率单元的一实施例的结构示意图。如图3所示，固态变压器功率单元包括单独封装的高压输入模块11、中间隔离模块12和低压输出模块13。中间隔离模块12位于高压输入模块11和低压输出模块13之间。在安装状态下，固态变压器功率单元可分三层立式安装。其中，高压输入模块11安装在高层，低压输出模块13安装在底层，中间隔离模块12安装在中间层。中间隔离模块12安装在低压输出模块13的顶上，以承受机械受力。高压输入模块11的机械受力可通过安装有固态变压器功率单元的功率柜体的支撑件来承担。中间隔离模块12分别与高压输入模块11、低压输出模块13连接。高压输入模块11、中间隔离模块12、低压输出模块13之间的连接可为可拆卸连接，便于维护。

图4为本申请实施例提供的高压输入模块第一壳体内至少部分结构的一示例的结构示意图。如图3和图4所示，高压输入模块11包括第一壳体211，位于第一壳体211内的风冷散热结构，位于第一壳体211内的直流支撑电容组，以及设置与风冷散热结构背面并联连接的整流子模块111、逆变子模块112。直流支撑电容组与整流子模块111并联连接。整流子模块111的第一输入端212和第二输入端213从第一壳体211伸出，整流子模块111的第一输入端212可作为高压输入模块11的第一输入端，整流子模块111的第二输入端213可作为高压输入模块11的第二输入端。逆变子模块112的第一输出端214和第二输出端215从第一壳体211伸出，逆变子模块112的第一输出端214可作为高压输入模块11的第一输出端，逆变子模块112的第二输出端215可作为高压输入模块11的第二输出端。整流子模块111的第一输出端与逆变子模块112的第一输入端连接，整流子模块111的第二输出端与逆变子模块112的第二输入端连接。

在一些示例中，风冷散热结构包括散热底座216，以及设置在散热底座216上的多个散热翅片217。整流子模块111和逆变子模块112产生的热量可通过散热底座216传输至散热翅片217，散热翅片217扩大了散热面积，将热量散出到空气中。

第一壳体211与散热翅片217相对的第一面上设置有进风口218，在与第一面相对的第二面上设置有出风口(未在图中示出)。具体地，第一壳体211的第一面上的进风口218可包括阵列排布的多个细密的开孔，第一壳体211的第二面上的出风口可包括阵列排布的多个细密的开孔。图3中示出了第一壳体211的一面上设置的进风口218，在这一面的对面设置有出风口，出风口未在图中示出。在安装状态下，散热翅片217的延伸方向为水平方向。从进风口218进入的风可吹过散热翅片217，从各散热翅片217之间的缝隙通过，带走散热翅片217的热量。带有热量的风再从出风口导出，以将热量带离高压输入模块11。即风可先后通过进风口218、散热翅片217之间的缝隙、出风口，将热量带离高压输入模块11。

在一些示例中，高压输入模块11还包括位于第一壳体211内的叠层母排219。叠层母排219具体可包括层叠的正极母排和负极母排。叠层母排219与散热底座216平行设置。叠层母排219与直流支撑电容组114连接，以及还可与整流子模块111以及逆变子模块112连接。通过叠层母排219实现整流子模块111、逆变子模块112、直流支撑电容组114的并联连接，实现紧凑设计。

图5为本申请实施例提供的高压输入模块第一壳体内至少部分结构的另一示例的结构示意图。图6为图5所示的高压输入模块第一壳体内至少部分结构的另一角度的结构示意图。图6中以箭头示出了风通过散热翅片217的方向。如图5和图6所示，高压输入模块11还包括在整流子模块111和逆变子模块112背向散热底座216一侧设置的驱动控制电路板组。具体地，沿整流子模块和逆变子模块背向散热底座216的方向，驱动控制电路板组包括层叠设置的第一驱动电路板221、第二驱动电路板222和控制电路板223。

第一驱动电路板221与整流子模块111中的半桥IGBT器件组113、逆变子模块112中的半桥IGBT器件组113电连接。第二驱动电路板222与第一驱动电路板221电连接。控制电路板223与第二驱动电路板222电连接。第一驱动电路板221、第二驱动电路板222和控制电路板223共同实现对整流子模块111、逆变子模块112等的驱动、控制、保护等。

在一些示例中，第一驱动电路板221可通过第一驱动电路板221上的焊盘，与与整流子模块111中的半桥IGBT器件组113、逆变子模块112中的半桥IGBT器件组113的辅助连接端子焊接连接。

为了便于说明第一驱动电路板221、第二驱动电路板222和控制电路板223的结构和连接关系，通过第一驱动电路板221、第二驱动电路板222和控制电路板223的结构框图和与半桥IGBT器件组的相对位置来进行说明。图7为本申请实施例提供的第一驱动电路板、第二驱动电路板和控制电路板的一示例的结构框图。其中用双箭头连线表示各部件之间的连接关系。图8为本申请实施例提供的第一驱动电路板、第二驱动电路板、控制电路板与半桥IGBT器件组的一示例的位置示意图。

如图7和图8所示，在安装状态下，第一驱动电路板221、第二驱动电路板222和控制电路板223竖式安装。按照与整流子模块111、逆变子模块112的距离由近至远的顺序排列，分别为第一驱动电路板221、第二驱动电路板222和控制电路板223。

第一驱动电路板221包括半桥IGBT器件组113各自对应的第一电路227。每个第一电路227在第一驱动电路板221上对应电连接有两个第一接线端子228。即高压输入模块11中每个半桥IGBT器件组113对应两个第一接线端子228。这两个第一接线端子228中的一个为上桥臂接线端子，另一个为下桥臂接线端子。上桥臂接线端子与第一电路227中与半桥IGBT器件组113中上桥臂IGBT器件相关的部分连接，下桥臂接线端子与第一电路227中与半桥IGBT器件组113中下桥臂IGBT器件相关的部分连接。第一电路227与对应的第一接线端子228可通过第一驱动电路板221上的制版电路连接。第一驱动电路板221上还可设置有其他电路，在此并不限定。第一驱动电路板221可与整流子模块111中半桥IGBT器件组113、逆变子模块112中半桥IGBT器件组113一体化焊接连接。

第二驱动电路板222包括半桥IGBT器件组113各自对应的隔离驱动器230。每个隔离驱动器230在第二驱动电路板222上对应电连接有两个第二接线端子229和一个第三接线端子231。即高压输入模块11中每个半桥IGBT器件组113对应两个第二接线端子229和一个第三接线端子231。与同一半桥IGBT器件组113对应的第一接线端子228和第二接线端子229电连接。一个半桥IGBT器件组113对应的两个第二接线端子229中的一个为上桥臂接线端子，另一个为下桥臂接线端子。与同一个半桥IGBT器件组113对应，第一驱动电路板221中的上桥臂接线端子与第二驱动电路板222中的上桥臂接线端子电连接，第一驱动电路板221中的下桥臂接线端子与第二驱动电路板222中的下桥臂接线端子电连接。第三接线端子231可包括牛角端子，在此并不限定。第二驱动电路板222上的隔离驱动器230与对应的第二接线端子229、第三接线端子231可通过第二驱动电路板222上的制版电路连接。第二驱动电路板222上还可设置有其他电路，在此并不限定。

控制电路板223包括控制电路233、与控制电路233电连接的四个第四接线端子232、与控制电路233连接的通信端口。第四接线端子232与上述第三接线端子231一一对应电连接。控制电路板223上还可设置供电端子234，该供电端子234用于连接供电端，供电端可具体实现为供电电源226，在此并不限定。控制电路板223还可包括与整流子模块111中各半桥IGBT器件组113、逆变子模块112中各半桥IGBT器件组113对应的隔离驱动器，在图中并未示出。在第一壳体211上可设置有与通信端口对应的开口。如图3、图7和图8所示，通信端口可包括光纤收发器224以及其他类型的通信连接器225，在此并不限定。光纤收发器224可分为光纤接收器224-1和光纤发送器224-2。光纤收发器224可与控制系统进行信息交互。在安装状态下，光纤接收器224-1和光纤发送器224-2可竖式安装，伸出第一壳体211外。控制电路板223上的隔离驱动器、第四接线端子232、通信接口等结构之间可通过制版电路连接。控制电路板223上还可设置有其他电路，在此并不限定。

上述第一驱动电路板221上的电路包括抗干扰能力强的驱动电路、保护电路、检测电路等。第二驱动电路板222上的电路包括抗干扰能力弱的驱动电路、控制电路、反馈短路设计等。需要说明的是，这里的抗干扰强、弱是相对而言的。第一驱动电路板221和第二驱动电路板222的分离设计，能够有效隔离强弱电，提高了半桥IGBT器件组中IGBT器件工作的可靠性。而且，第一驱动电路板221、第二驱动电路板222和控制电路板223之间距离近，连线简单，布线的复杂度下降，使得布线工艺得到优化。

上述实施例中的整流子模块111、逆变子模块112、直流支撑电容组114和第一驱动电路板221可作为高压输入模块11中的功率部分，第二驱动电路板222和控制电路板223可作为高压输入模块11中的控制部分。

在一些示例中，如图5和图6所示，高压输入模块11还可包括供电电源226。供电电源226邻近驱动控制电路板组设置。供电电源226分别与叠层母排219以及控制电路板223电连接。在安装状态下，供电电源226位于驱动控制电路板组上方。供电电源226的供电输入来源于叠层母排219，从直流母线取电。供电电源226与叠层母排219之间接线短，可靠性高。供电电源226为控制电路板223供电，通过控制电路板223也可为高压输入模块11中其他需要用电的部分供电。供电电源226为控制电路板223之间接线短，可靠性高。

图9为本申请实施例提供的中间隔离模块的一示例的结构示意图。如图3和图9所示，中间隔离模块12包括第二壳体311，以及位于第二壳体311内的高频变压器M1。

高频变压器M1的第一输入端312、第二输入端313、第一输出端314和第二输出端315从第二壳体311伸出。高频变压器M1的第一输入端312、第二输入端313即为中间隔离模块12的第一输入端、第二输入端，高频变压器M1的第一输出端314、第二输出端315即为中间隔离模块12的第一输出端、第二输出端。高频变压器M1的第一输入端312以及第二输入端313与高压输入模块11中逆变子模块112的第一输出端214以及第二输出端215分别对应电连接。高频变压器M1的第一输出端314以及第二输出端315与低压输出模块13中整流子模块131的第一输入端以及第二输入端分别对应电连接。具体地，高频变压器M1的第一输入端312与高压输入模块11中逆变子模块112的第一输出端214电连接，高频变压器M1的第二输入端313与高压输入模块11中逆变子模块112的第二输出端215电连接。高频变压器M1的第一输出端314与低压输出模块13中整流子模块131的第一输入端电连接，高频变压器M1的第二输出端315与低压输出模块13中整流子模块131的第二输入端电连接。

在一些示例中，如图9所示，高频变压器M1的第一输入端312和第二输入端套装有隔离伞裙316。高频变压器M1的第一输入端312、第二输入端313与高压输入模块11连接，隔离伞裙316可增加高压输入模块11中的电路、接线等与高频变压器M1之间的爬电距离，也可增加高压输入模块11中的电路、接线等与第二壳体311之间的爬电距离，从而提高固态变压器功率单元的安全性和可靠性。

低压输出模块13与高压输入模块11结构相同，低压输出模块13的具体内容可参见高压输入模块11的相关说明，在此不再赘述。

在本申请实施例中，固态变压器功率单元包括单独封装的高压输入模块11、中间隔离模块12和低压输出模块13，高压输入模块11中整流子模块111的第一输入端212、第二输入端213从第一壳体211伸出。高压输入模块11中逆变子模块112的第一输出端214、第二输出端215从第一壳体211伸出，并与中间隔离模块12中高频变压器M1的第一输入端312、第二输入端313电连接。低压输出模块13与高压输入模块11结构相同。低压输出模块13中整流子模块131的第一输入端、第二输入端从第一壳体伸出，并与中间隔离模块12中高频变压器M1的第一输出端314、第二输出端315电连接。低压输出模块13中逆变子模块132的第一输出端、第二输出端从第一壳体伸出。高压输入模块11、中间隔离模块12和低压输出模块13各自单独封装，实现了固态变压器功率单元的模块化设计，降低了了固态变压器功率单元的安装难度、维护难度，也降低了固态变压器功率单元整体的设计难度。而且，风冷散热结构可对高压输入模块11和低压输出模块13进行散热，以提高固态变压器功率单元的安全性和可靠性。

固态变压器可包括上述实施例中的多个固态变压器功率单元，多个固态变压器功率单元之间的电气连接可参见图2所示，在此不再赘述。固态变压器可集成设置于固态变压器变电站中。本申请还提供一种固态变压器变电站。图10为本申请提供的固态变压器变电站的一实施例的结构示意图。图11为图10所示的固态变压器变电站的另一角度的结构示意图。如图10和图11所示，固态变压器变电站包括外壳体41。外壳体41内设置有一系列部件。外壳体41的第一面上设置有换热风扇(图中未示出)。换热风扇的数目可根据工作场景和工作需求设定，在此并不下定。外壳体41的第二面上设置有进风口42。进风口42的数目可根据工作场景和工作需求设定，在此并不限定。外壳体41的第一面和第二面为相对的两个面。用于冷却的风从进风口42进入，从换热风扇离开。图10中的虚线箭头即为风进入的方向。

在一些示例中，进风口安装有百叶窗421。外壳体41的第一面上设置有风扇安装口432，换热风扇安装于该风扇安装口432。在外壳体41外侧的风扇安装口432处还可设置导风罩431。具体地，导风罩431与换热风扇一一对应。用于冷却的风从进风口42的百叶窗421进入，通过外壳体41内的部件，从换热风扇流出，沿导风罩431形成的风道离开。图11中的虚线箭头即为风导出的方向。

外壳体41内设置有三相电抗器和三相功率单元组。设置有换热风扇的外壳体41的第一面与三相功率单元组的一侧相对。对应的，设置有进风口的外壳体41的第二面与三相功率单元组的另一侧相对。

在一些示例中，外壳体41上可设置穿过外壳体41的多个套管。三相高压进线可各通过一个套管进入外壳体41与各自对应的一相电抗器电连接。三相低压进线各通过一个套管进入外壳体41与各自对应的一相功率单元组的低压输出模块13中逆变子模块的第一输出端电连接。多个套管可在同一水平高度设置，也可以分散设置，在此并不限定。例如，如图10和图11所示，外壳体41上设置有套管S1、S2、S3、S4、S5和S6。其中，第一相高压进线可通过套管S1进入外壳体41与第一相电抗器L1电连接，第一相电抗器L1与第一相功率单元组461连接，第一相低压进线可通过套管S4进入外壳体41与第一相功率单元组461连接。第二相高压进线可通过套管S2进入外壳体41与第二相电抗器L2电连接，第二相电抗器L2与第二相功率单元组462连接，第二相低压进线可通过套管S5进入外壳体41与第二相功率单元组462连接。第三相高压进线可通过套管S3进入外壳体41与第三相电抗器L3电连接，第三相电抗器L3与第三相功率单元组463连接，第三相低压进线可通过套管S6进入外壳体41与第三相功率单元组463连接。

图12为图10和图11所示的固态变压器变电站的剖面结构示意图。如图12所示，该固态变压器变电站还可包括设置于外壳体41内的支撑结构体44、三相电抗器、控制柜45，设置于支撑结构体44上的三相功率单元组，以及上述换热风扇。在图12中，三相电抗器、三相功率单元组和控制柜45顺序排列。三相功率单元组包括第一相功率单元组461、第二相功率单元组462和第三相功率单元组463。每一相功率单元组包括N个上述实施例中的固态变压器功率单元，N为大于等于2的整数。三相电抗器包括第一相电抗器L1、第二相电抗器L2和第三相电抗器L3(第三相电抗器L3被遮挡未在图中示出)。

图13为本申请实施例提供的三相功率单元组的一示例的结构示意图。固态变压器功率单元在支撑结构体44上竖式安装，高压输入模块11安装于高层，低压输出模块13安装于低层，中间隔离模块12位于高压输入模块11与低压输出模块13之间。

每一相功率单元组中固态变压器功率单元可分为两列排布。例如，第一相功率单元组461中固态变压器功率单元分为两列排布，第二相功率单元组462中固态变压器功率单元分为两列排布，第三相功率单元组463中固态变压器功率单元分为两列排布。第一相功率单元组461中第一列固态变压器功率单元、第二相功率单元组462中第一列固态变压器功率单元、第三相功率单元组463中第一列固态变压器功率单元可位于同一列。第一相功率单元组461中第二列固态变压器功率单元、第二相功率单元组462中第二列固态变压器功率单元、第三相功率单元组463中第二列固态变压器功率单元可位于同一列。三相功率单元组顺序排列，每一相功率单元组中的固态变压器功率单元分两列排布，可提高收三相功率单元组的集成度。

图14为图13所示的三相功率单元组的局部的结构示意图。图14中的虚线箭头即为用于冷却的风的流向。位于同一排的两个固态变压器可共用风道。用于冷却的风从第一列固态变压器功率单元中高压输入模块11的进风口218、低压输出模块13的进风口进入，通过第一列固态变压器功率单元中高压输入模块11的出风口、低压输出模块13的出风口，进入第二列固态变压器功率单元中高压输入模块11的进风口218、低压输出模块13的进风口，带有热量的风从第二列固态变压器功率单元中高压输入模块11的出风口、低压输出模块13的出风口导出。

图15为本申请实施例提供的三相功率单元组中固态变压器功率单元的连接的一示例的示意图。如图15所示，在每一相功率单元组中，第一个高压输入模块11中整流子模块的第一输入端与对应的一相电抗器电连接。第i个高压输入模块11中整流子模块的第一输入端与第i-1个高压输入模块11中整流子模块的第二输入端通过第一连接排471电连接，1＜i≤N。第一连接排471可包括一字排、U型排等，在此并不限定。各低压输出模块13中逆变子模块的第一输出端通过第二连接排472电连接。第二连接排472与对应的一相低压进线电连接。第二连接排472具体可为U型排，在此并不限定。

各相功率单元组的第N个高压输入模块11中整流子模块的第二输入端通过第三连接排473电连接。第三连接排473悬空不接地。第三连接排473具体可为一字排，在此并不限定。各相功率单元组的低压输出模块13中逆变子模块的第二输出端通过第四连接排474电连接，第四连接排474接地。第四连接排474具体可为U型排，在此并不限定。

上述实施例中的各连接排的数量可根据工作场景和工作需求设定，在此并不限定。

图16为本申请实施例提供的支撑结构体的一示例的结构示意图。图16所示的支撑结构体44可适用于上述实施例中的三相功率单元组。如图16所示，支撑结构体44包括上层支架443和下层支架442，固态变压器功率单元中的高压输入模块11设置于上层支架443上，固态变压器功率单元中的中间隔离模块12和低压输出模块13设置于下层支架442上。

在安装状态下，支撑底座441上设置有下层支架442，下层支架442上方设置有上层支架443。下层支架442具体可划分为三个支撑区域。每个支撑区域中的下层支架442用于支撑对应的一相功率单元组中的低压输出模块13。上层支架443具体可划分为六个支撑子区域，下层支架442具体也可划分为六个支撑子区域。上层的六个支撑子区域与下层的六个支撑子区域一一对应。上层的一个支撑子区域的上层支架443可用于支撑对应的一相功率单元组中的一列高压输入模块11。下层的一个支撑子区域的下层支架442可用于支撑对应的一相功率单元组中的一列低压输出模块13。

上层支架443具体可为绝缘支架，以实现高压安全隔离。下层支架442可为绝缘支架，也可为金属支架，在此并不限定。为了保证安全隔离，上层支架443和下层支架442中的竖式支架可具体为绝缘支架。支撑底座441具体可包括但不限于不锈钢底座，在此并不限定。

在上述实施例中，各相功率单元组中高压输入模块11中通信端口通过第一通信链路与控制柜45连接，各相功率单元组中低压输出模块13中通信端口通过第二通信链路与控制柜45连接。例如，通信端口包括光纤收发器224。图17为本申请实施例提供的光纤收发器与控制柜之间的光纤通信链路的一示例的示意图。如图17所示，第一相功率单元组461中各固态变压器功率单元10的高压输入模块11的光纤收发器224、第二相功率单元组462中各固态变压器功率单元10的高压输入模块11的光纤收发器224、第三相功率单元组463中各固态变压器功率单元10的高压输入模块11的光纤收发器224通过第一光纤通信链路511与控制柜45连接。第一相功率单元组461中各固态变压器功率单元10的低压输出模块13的光纤收发器224、第二相功率单元组462中各固态变压器功率单元10的低压输出模块13的光纤收发器224、第三相功率单元组463中各固态变压器功率单元10的低压输出模块13的光纤收发器224通过第二光纤通信链路512与控制柜45连接。通过通信端口实现与控制柜45的信息交互。

在本申请实施例中，通过固态变压器变电站的一体化预装式设计，将三相电抗器集成到固态变压器变电站的内部，降低了功率柜体的设计难度，缩短了研发生产时间，还解决了与电抗器连接困难，变电站占地面积大的问题。

在微电网的使用环境中，不需要专门建造安装机房，能够缩短微电网建设的周期，降低微电网建设的成本，提高经济性。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于固态变压器变电站实施例而言，相关之处可以参见固态变压器功率单元实施例的说明部分。本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定结构。本领域的技术人员可以在领会本申请的精神之后，作出各种改变、修改和添加。并且，为了简明起见，这里省略对已知技术的详细描述。

本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；数量词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。

Claims (10)

1.一种固态变压器功率单元，其特征在于，包括单独封装的高压输入模块、中间隔离模块和低压输出模块；

所述高压输入模块包括第一壳体，位于所述第一壳体内的风冷散热结构，位于所述第一壳体内的直流支撑电容组，以及设置于所述风冷散热结构背面并联连接的整流子模块、逆变子模块，所述直流支撑电容组与所述整流子模块并联连接；所述整流子模块的第一输入端和第二输入端从所述第一壳体伸出，所述逆变子模块的第一输出端和第二输出端从所述第一壳体伸出；

所述低压输出模块与所述高压输入模块的结构相同；

所述中间隔离模块位于所述高压输入模块和所述低压输出模块之间，所述中间隔离模块包括第二壳体，以及位于所述第二壳体内的高频变压器；所述高频变压器的第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端从所述第二壳体伸出；所述高频变压器的第一输入端以及第二输入端与所述高压输入模块中所述逆变子模块的第一输出端以及第二输出端分别对应电连接；所述高频变压器的第一输出端以及第二输出端与所述低压输出模块中所述整流子模块的第一输入端以及第二输入端分别对应电连接。

2.根据权利要求1所述的固态变压器功率单元，其特征在于，所述风冷散热结构包括散热底座，以及设置在所述散热底座上的多个散热翅片；

所述第一壳体与所述散热翅片相对的第一面上设置有进风口，在与所述第一面相对的第二面上设置有出风口；

所述高压输入模块还包括位于所述第一壳体内的叠层母排，所述叠层母排与所述散热底座平行设置，所述叠层母排与所述直流支撑电容组连接，所述叠层母排还分别与所述整流子模块以及所述逆变子模块电连接。

3.根据权利要求2所述的固态变压器功率单元，其特征在于，

所述整流子模块包括两个半桥IGBT器件组，所述逆变子模块包括两个所述半桥IGBT器件组；

所述高压输入模块还包括在所述整流子模块和所述逆变子模块背向所述散热底座一侧设置的驱动控制电路板组；

沿所述整流子模块和所述逆变子模块背向所述散热底座的方向，所述驱动控制电路板组包括层叠设置的第一驱动电路板、第二驱动电路板和控制电路板；

所述第一驱动电路板包括所述半桥IGBT器件组各自对应的第一电路，每个所述第一电路在所述第一驱动电路板上对应电连接有两个第一接线端子；

所述第二驱动电路板包括所述半桥IGBT器件组各自对应的隔离驱动器，每个所述隔离驱动器在所述第二驱动电路板上对应电连接有两个第二接线端子和一个第三接线端子，与同一所述半桥IGBT器件组对应的所述第一接线端子和所述第二接线端子电连接；

所述控制电路板包括控制电路、与所述控制电路电连接的四个第四接线端子、与所述控制电路连接的通信端口，所述第四接线端子与所述第三接线端子一一对应电连接，所述第一壳体上设置有与所述通信端口对应的开口；

所述高压输入模块还包括供电电源，所述供电电源邻近所述驱动控制电路板组设置，所述供电电源分别与所述叠层母排以及所述控制电路板电连接。

4.根据权利要求1所述的固态变压器功率单元，其特征在于，所述高频变压器的第一输入端和第二输入端套装有隔离伞裙。

5.一种固态变压器变电站，其特征在于，包括外壳体，设置于外壳体内的支撑结构体、三相电抗器、控制柜，设置于所述支撑结构体上的三相功率单元组，以及换热风扇；所述换热风扇设置于所述外壳体与三相功率单元组相对的第一面上，所述外壳体与第一面相对的第二面上设置有进风口；

每一相功率单元组包括N个如权利要求1至4中任意一项所述的固态变压器功率单元，N为大于等于2的整数。

6.根据权利要求5所述的固态变压器变电站，其特征在于，所述三相电抗器、第一相功率单元组、第二相功率单元组、第三相功率单元组顺序排列；每一相功率单元组中所述固态变压器功率单元分为两列排布；

在每一相功率单元组中，第一个所述高压输入模块中所述整流子模块的第一输入端与对应的一相电抗器电连接，第i个所述高压输入模块中所述整流子模块的第一输入端与第i-1个所述高压输入模块中所述整流子模块的第二输入端通过第一连接排电连接，1＜i≤N，各所述低压输出模块中所述逆变子模块的第一输出端通过第二连接排电连接，所述第二连接排与对应的一相低压进线电连接；

各相功率单元组的第N个所述高压输入模块中所述整流子模块的第二输入端通过第三连接排电连接，各相功率单元组的所述低压输出模块中所述逆变子模块的第二输出端通过第四连接排电连接，所述第四连接排接地。

7.根据权利要求5所述的固态变压器变电站，其特征在于，

所述外壳体与三相功率单元组相对的第一面上设置有风扇安装口，所述换热风扇安装于所述风扇安装口，在所述外壳体外侧于所述风扇安装口处还设置有导风罩；

所述进风口安装有百叶窗。

8.根据权利要求5至8中任意一项所述的固态变压器变电站，其特征在于，

所述支撑结构体包括上层支架和下层支架，所述固态变压器功率单元中的所述高压输入模块设置于所述上层支架上，所述固态变压器功率单元中的所述中间隔离模块和所述低压输入模块设置于所述下层支架上；

所述上层支架为绝缘支架；

所述支撑结构体还包括支撑底座，所述支撑底座支撑所述下层支架。

9.根据权利要求5至8中任意一项所述的固态变压器变电站，其特征在于，

所述外壳体上设置穿过所述外壳体的多个套管，三相高压进线各通过一个所述套管进入所述外壳体与各自对应的一相电抗器电连接，三相低压进线各通过一个所述套管进入所述外壳体与各自对应的一相功率单元组的所述低压输出模块中所述逆变子模块的第一输出端电连接。

10.根据权利要求5至8中任意一项所述的固态变压器变电站，其特征在于，

所述各相功率单元组中所述高压输入模块中通信端口通过第一通信链路与所述控制柜连接，所述各相功率单元组中所述低压输出模块中通信端口通过第二通信链路与所述控制柜连接。

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