CN102957326A - 一种用于风力发电的三电平变流器的模块化结构 - Google Patents

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陈国栋
薛兆强
宋小亮
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Abstract

本发明公开了一种能简单、快捷地组建不同功率等级的用于风力发电的三电平变流器的模块化结构，包括具有四个直流电容器、四个IGBT、两个箝位二极管、两个吸收电容、一个平衡电阻及母排的电气***及具有水冷基板及空气水热交换器的散热***。水冷基板的内部设有冷却水通道并且下端面设有与空气水热交换器连接的进水口和出水口；母排包括设置在水冷基板上方的直流电容母排和与直流电容母排垂直连接并平行地设在水冷基板前方的换流回路母排；四个直流电容器设在直流电容母排的下方，并且接线端子与直流电容母排连接；四个IGBT和两个箝位二极管固定在水冷基板上并且接线端子与两个吸收电容及一个平衡电阻的接线端子均与换流回路母排连接。

Description

一种用于风力发电的三电平变流器的模块化结构
技术领域
本发明涉及一种功率器件，具体涉及一种用于风力发电的三电平变流器的模块化结构。
背景技术
随着风力发电技术的发展和进步，出于经济性的考虑，当前的风电单机容量越来越高，因此驱动风力发电机的变流器功率也越来越高。同时为了提高整个***的效率，减小***的热损耗，大功率的风力发电***趋于采用中高压的电压等级。鉴于当前电力电子器件的发展水平，如果继续采用两电平的拓扑结构，在中高压场合需要多只电力电子器件的串联，而串联电力电子器件的静态和动态的均压问题解决起来比较困难，从而降低整个***的可靠性。三电平拓扑结构由于采用了箝位二极管或箝位电容，顺利地解决了均压的问题，使得低电压等级的电力电子器件在中高压变流器***的应用成为可能。由于电容箝位的三电平拓扑中箝位电容的电平控制比较复杂，当前应用中多采用二极管箝位的三电平结构。
随着电力电子技术的发展，模块的功率密度越来越高，这就要求对器件提供较好的散热方式，以满足其安全工作的条件。在大功率的变流器***中，由于电力电子器件的发热量较大，通常采用水冷散热器。水冷散热器是根据器件的开关频率、电流曲线、最大结温及热传导率进行合理布局，通过水和乙二醇的混合物带走器件的热量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种用于风力发电的三电平变流器的模块化结构，它可以简单、快捷地组建不同功率等级的三电平整流、逆变***，便于***的维护和扩展。
实现上述目的的技术方案是：一种用于风力发电的三电平变流器的模块化结构，包括电气***及散热***，所述电气***包括四个直流电容器、四个IGBT、两个箝位二极管、两个吸收电容、一个平衡电阻及母排，所述散热***包括一块水冷基板及空气水热交换器，其中，
所述水冷基板的内部设有冷却水通道，该水冷基板的下端面设有与冷却水通道连通的并与所述空气水热交换器连接的进水口和出水口；
所述母排包括水平向地设置在所述水冷基板上方的直流电容母排和垂直连接在直流电容母排的前端并平行地设置在所述水冷基板前方的换流回路母排；
所述四个直流电容器并排地设在所述直流电容母排的下方，并且该四个直流电容器的接线端子一一对应地与所述直流电容母排表面上的连接孔连接；
所述四个IGBT和两个箝位二极管紧贴在所述水冷基板的表面并固定在所述水冷基板上；
所述四个IGBT的接线端子、两个箝位二极管的接线端子、两个吸收电容的接线端子及一个平衡电阻的接线端子一一对应地与所述换流回路母排表面上的连接孔连接。
本发明的用于风力发电的三电平变流器的模块化结构的技术方案，整合了风电变流器所需要的电气元件和冷却***，使之模块化，可以简单、快捷地组建不同功率等级的三电平整流、逆变***，便于***的维护和扩展。本发明有利于***的冗余设计，有助于提高***的可靠性；便于***的安装维护，提高生产效率；利于***的扩展，同时避免了研发过程中的重复性工作。
附图说明
图1为用于风力发电的单相三电平变流器的原理图；
图2为本发明的用于风力发电的三电平变流器的模块化结构的透视图；
图3为本发明中的水冷基板的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
请参阅图1，用于风力发电的单相三电平变流器包括四个直流电容器C1～C4、四个分别具有反并联续流二极管的IGBTS1～S4、两个箝位二极管D1、D2、两个吸收电容CS1、CS2及一个平衡电阻R。由两个直流电容器C1、C2并联成一组，由另两个直流电容器C3和C4并联成一组，然后两组串联，构成正电平、零电平及负电平的三电平直流侧。四个IGBTS1、S2、S3、S4依次串联，IGBTS1的集电极与直流正母线DC+连接，IGBTS4的发射集与直流负母线DC-连接，IGBTS2与IGBTS3的连接线为交流输入/输出端AC。在四个串联的IGBT S1～S4与两组串联的直流电容器之间的直流正母线DC+和直流中线DC0之间安装吸收电容CS1，直流中线DC0和直流负母线DC-之间安装吸收电容CS2。两个箝位二极管D1、D2串联后与平衡电阻R并联，并且共同并联在IGBTS1的发射集与IGBTS4的集电极之间，箝位二极管D1的阳极与箝位二极管D2的阴极与直流中线DC0连接，这样就构成完整的单相三电平电路。
请参阅图2，本发明的用于风力发电的三电平变流器的模块化结构，包括电气***及散热***，其中，
电气***包括四个直流电容器C1～C4、四个IGBT S1～S4、两个箝位二极管D1、D2、两个吸收电容CS1、CS2、一个平衡电阻R及母排；
散热***包括一块水冷基板1及空气水热交换器，该水冷基板1的内部设有冷却水通道10，该水冷基板1的下端面设有与冷却水通道连通的进水口11和出水口12，进水口11和出水口12与设在外部的空气水热交换器连接；
母排包括水平向地设置在水冷基板1的上方的直流电容母排2和垂直连接在直流电容母排2的前端并平行设置在水冷基板1的前方的换流回路母排3；
四个直流电容器C1～C4并排地设在直流电容母排2的下方，该四个直流电容器C1～C4的接线端一一对应地与直流电容母排2表面上的连接孔连接；
四个IGBT S1～S4和两个箝位二极管D1、D2紧贴在水冷基板1的表面并通过螺钉固定在水冷基板1上（见图3），使四个IGBT S1～S4和两个箝位二极管D1、D2得到很好的散热；
四个IGBT S1～S4的接线端子、两个箝位二极管D1、D2的接线端子、两个吸收电容CS1、CS2的接线端子及一个平衡电阻R的接线端一一对应地与换流回路母排3表面上的连接孔连接。
直流电容母排2连接四只直流电容器C1～C4后构成具有正、零、负三个电平的直流侧，直流电容母排2左右两侧各自置设有正、零、负接线端，方便与其它相的直流端连接，直流电容母排2的前端设置的正、零、负接线端一一对应地与换流回路母排3的上端设置的正、零、负接线端连接。
换流回路母排3的设置主要为减小换流回路的杂散电感，并留有交流输入/输出端，可以连接交流电网或者交流电机的输出/输入端。
本发明的用于风力发电的三电平变流器的模块化结构，整合了变流器所需要的电气元件和冷却***，使之模块化，可以简单、快捷地组建不同功率等级的三电平整流、逆变***，便于***的维护和扩展。
本发明的用于风力发电的三电平变流器的模块化结构有利于***的冗余设计，有助于提高***的可靠性；便于***的安装维护，提高生产效率；利于***的扩展，同时避免了研发过程中的重复性工作。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (1)

1.一种用于风力发电的三电平变流器的模块化结构，包括电气***及散热***，所述电气***包括四个直流电容器、四个IGBT、两个箝位二极管、两个吸收电容、一个平衡电阻及母排，所述散热***包括一块水冷基板及空气水热交换器，其特征在于，
所述水冷基板的内部设有冷却水通道，该水冷基板的下端面设有与冷却水通道连通的并与所述空气水热交换器连接的进水口和出水口；
所述母排包括水平向地设置在所述水冷基板上方的直流电容母排和垂直连接在直流电容母排的前端并平行地设置在所述水冷基板前方的换流回路母排；
所述四个直流电容器并排地设在所述直流电容母排的下方，并且该四个直流电容器的接线端子一一对应地与所述直流电容母排表面上的连接孔连接；
所述四个IGBT和两个箝位二极管紧贴在所述水冷基板的表面并固定在所述水冷基板上；
所述四个IGBT的接线端子、两个箝位二极管的接线端子、两个吸收电容的接线端子及一个平衡电阻的接线端子一一对应地与所述换流回路母排表面上的连接孔连接。
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