一种大功率前维护式换流阀功率单元结构的制作方法

本实用新型涉及柔性高压直流输电技术领域，具体涉及一种大功率前维护式换流阀功率单元结构。

背景技术：

随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家在大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。

柔性高压直流输电技术应运而生。与基于自然换相技术的电流源型换流器的传统直流输电不同，柔性高压直流输电是一种以电压源换流器、可控关断器件和脉宽调制(PWM技术)为基础的新型直流输电技术。这种输电技术能够瞬时实现有功和无功的独立解耦控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势。

随着相关技术的不断发展，具有良好的受控导通和关断特性的IGBT换流阀在柔性高压直流输电领域的应用前景广阔。其中，IGBT换流阀的功率单元包含了功率电力电子器件，其结构设计的合理程度直接关系到功率单元性能好坏。

目前，现有应用中的IGBT换流阀功率单元，结构布局较为分散、功率密度较小，导致整个IGBT换流阀占地面积较大；控制回路和主功率回路无明显屏蔽隔离，信号干扰风险大；此外，现有IGBT换流阀功率单元可维护性程度很低，如果需要对器件进行维护或更换，通常需要把功率单元从换流阀上拆下来，耗时耗力，成本很高。

现有装置存在的问题总结如：

1、结构布局不紧凑，功率密度较小；

2、控制回路与主功率回路屏蔽效果差；

3、可维护性较差，或者维护成本大。现有技术方案中，都无法在不移动换流阀功率单元的情况下对模块进行维护。对于整个换流阀系统来说，如果要移动模块，就需要切断整个冷却水路系统，然后放掉管路中的冷却水，工程量很大且不易操作。另外，换流阀功率单元本身自重很大，移动也很困难。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型目的在于提供一种元器件布局合理，功率密度大，单元结构整体性能稳定，维护方便的大功率前维护式换流阀功率单元结构。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下方案：

一种大功率前维护式换流阀功率单元结构，包括电容、功率部分、控制部分和箱体；箱体作为所有电器元件的支撑固定框架，电容安装于箱体底座后部，功率部分和控制部分位于箱体前端、上下分布并由屏蔽板隔开，功率部分分布在箱体主框架上部，控制部分在箱体主框架下部。

进一步，所述的功率部分包括一个水冷散热器、两个IGBT、两块IGBT驱动板、一个放电电阻、两块叠层母排、一个取能电源、一个旁路开关、一个晶闸管阀串及相关铜排回路；所述水冷散热器固定在箱体上，功率部分其它靠近水冷散热器布置。

进一步，所述的两个IGBT对称安装于水冷散热器两个面上，IGBT驱动板安装在IGBT上，所述放电电阻安装在水冷散热器一侧面上；两块叠层母排分别和两个IGBT表面搭接并螺钉紧固，两块叠层母前端分别和晶闸管阀串两极相连，晶闸管阀串吊装在固定框架上，晶闸管阀串包括两极铜排、晶闸管、绝缘块和金属支撑件，两极铜排各有三组电气连接孔位，分别为输入端、并联端和输出端，两极铜排输入端分别和两块叠层母排相连，输出端伸出功率单元前面板，并联端分别和旁路开关的两极相连，所述的取能电源位于控制部分后方。

进一步，所述功率部分的两块叠层母排后端通过铜排分别和电容的两极相连。

进一步，所述的水冷散热器顶部设置有进出水嘴，水嘴周边设计有集水槽，水槽底部设计有通水孔连接到散热器底部，通过水嘴接头及软水管导出功率单元；箱体中有接水盘，接水盘安装在水冷散热器的进出水嘴上，接水盘设计有漏水孔，通过水嘴接头及软水管导出功率单元。

进一步，所述控制部分四周设有屏蔽板与周围环境隔离。

进一步，所述控制部分包括安装在同一钣金托盘上的主控制板、电压传感器和接线端子。

本实用新型的大功率前维护式换流阀功率单元结构，包括电容、功率部分、控制部分和箱体，型结构紧凑、功率密度大、电器元件布局合理；电容安装在箱体后部，功率部分和控制部分位于箱体前端，上下分布并由屏蔽板隔开，可以很好地避免信号干扰。另外，故障率较高的电器元件可以进行前维护，即：在使用环境中，先从正面拆除面板，即可从正面对主控板、电压传感器，旁路开关和取能电源进行维护或更换，无需移动换流阀功率单元，可实现对故障率高的部件的维护或更换。

进一步，控制回路的主要部件包括主控制板和电压传感器，这两个部件以钣金托盘为依托，组装成一个整体，布局在整体结构的前下部空间，控制回路与周围环境很有效地屏蔽隔离，信号干扰几率低；把该空间与周围环境屏蔽隔离，可以很好地避免信号干扰。

进一步，综合考虑结构布局，在结构布局合理紧凑的前提下，把故障率较高的器件：主控制板，电压传感器、旁路开关和取能电源，布局在整体结构的前端，拆除前面板后即可进行维护，无需移动换流阀功率单元。其中主控制板、电压传感器和取能电源安装在同一钣金托盘上，置于整体结构的前下方，可整体抽出进行维护。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的各部分布局示意图；

图3为本实用新型的箱体零部件示意图；

图4为本实用新型的核心部件示意图；

图5为本实用新型的IBGT水冷组件示意图；

图6为本实用新型的模块使用中的布局示意图；

图7为本实用新型的前维护操作示意图。

其中附图中各部件名称如下：

【A】1‐电容；

【B】2‐功率部分；201‐取能电源；202‐旁路开关；203‐晶闸管阀串；204‐IGBT水冷组件；205‐叠层母排1；206‐叠层母排2；207‐放电电阻；208‐水冷散热器；209‐水嘴；210‐IGBT；211‐IGBT驱动板；212‐漏水接头及水管；

【C】3‐控制部分；301‐主控板；302‐电压传感器；303‐接线端子；

【D】4‐箱体；401‐屏蔽隔板；402‐主框架；403‐铜排1；404‐铜排2；405‐铜排3；406‐顶框架；407‐底框架；408‐水冷板支架；409‐控制盒；410‐绝缘面板；411‐后顶盖板；412‐前顶盖板；413‐侧盖板；414‐后盖板；415‐调试插座支架；416‐接水盘。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

在本实施方式描述中，提到的方位“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”分别指附图中所示的“上”方、“下”方、“左”方、“右”方、“前”方和“后”方。另外，为方便表述，后续正文中简称本实用新型所提供的换流阀功率单元为“模块”。

如图1所示为本实用新型的整体结构图，包括电容1、功率部分2、控制部分3和箱体4。箱体作为所有元器件的支撑固定框架，电容安装于箱体底座后部，功率部分和控制部分的核心器件以箱体结构件为依托，分别安装于箱体主框架上部和箱体主框架下部。功率部分2和控制部分3位于箱体前端、上下分布并由屏蔽板41隔开，功率部分2分布在箱体主框架上部，控制部分3在箱体主框架下部。

如图2、图3、图4和图5所示，模块的功率部分和控制部分以箱体的主框架结构为依托，安装在整个模块的前半部。功率部分2包括一个水冷散热器28、两个IGBT21、两块IGBT驱动板211、一个放电电阻27、两块叠层母排26、一个取能电源21、一个旁路开关22、一个晶闸管阀串23及相关铜排回路；所述水冷散热器28固定在箱体4上，功率部分其它靠近水冷散热器28布置。

整个功率回路以水冷散热器为核心，布局在模块前上部。水冷散热器以水冷板支架为支撑安装于主框架中，两个IGBT对称安装于水冷散热器的左右两个面上，IGBT驱动板安装IGBT上，放电电阻安装在水冷散热器右侧面上。两块叠层母排分别和两个IGBT表面搭接并螺钉紧固。两块叠层母前端分别和晶闸管阀串两极相连，后端通过铜排分别于电容的两极相连。

晶闸管阀串包括两极铜排、晶闸管、绝缘块和金属支撑件，两极铜排各有三组电气连接孔位：输入端、并联端和输出端，两极铜排输入端分别和两块叠层母排相连，输出端伸出模块绝缘面板，并联端分别和旁路开关的两极相连。取能电源位于控制部分3后方，安装控制盒上。所述功率部分2的两块叠层母排206后端通过铜排分别和电容1的两极相连。

水冷散热器顶部设置有进出水嘴，水嘴周边设计有集水槽，水槽底部设计有通水孔连接到散热器底部，通过水嘴接头及软水管导出功率单元；箱体4中有接水盘，接水盘安装在水冷散热器的进出水嘴上，接水盘设计有漏水孔，通过水嘴接头及软水管导出功率单元。

控制部分3包括主控制板、电压传感器、接线端子和相关结构件。这些器件都安装在控制盒上，共同组成控制部分，控制盒是钣金托盘形式。整个控制部分可以以托盘抽拉的方式进行安装和拆卸。整个控制部分位于模块前下部，四周有屏蔽板与周围环境隔离，可以很好地避免信号干扰。

上述描述了本实用新型的结构布局。布局紧凑，功率走向清晰，区域划分明确。控制回路位于一个屏蔽效果很好的空间内，可以很好地防止功率流对控制回路信号的干扰。

本实用新型要解决的另外一个问题是模块维护问题。下面对模块维护过程进行简单描述。

(1)如图6所示，模块在换流阀中通常是并排排布，模块间距只有30到50mm。在现有技术方案中，如需对模块进行维护，则需要先把模块从换流阀上拆除移动到别处，然后进行操作。本实用新型提供的结构方案很好地解决了该问题，可在不移动模块的情况下，对模块进行维护。

(2)模块中故障率较高的器件包括主控制板、电压传感器、取能电源和旁路开关。本实用新型提供的结构布局，可以仅从模块正面操作，就可更换以上器件。

(3)如图7所示，维护模块时，首先，从正面拆除绝缘面板，即可看到模块内部，从正面看，上部分是旁路开关和晶闸管阀串，下部分是控制回路部分；其次，维护控制部分时，需要先拔掉接线端子和主控制板上所有的线缆，拆除控制盒正面的固定螺钉，即可抽出整个控制盒，主控制板、电压传感器和取能电源都安装控制盒上；需要拆除旁路开关时，要拆除旁路开关底部的固定螺钉和旁路开关与晶闸管阀串之间的连接螺钉，即可拆除旁路开关。上述过程操作简便，一人即可完成上述工作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定专利保护范围。