一种液冷型光伏高压直流串联并网系统的制作方法

本发明涉及光伏发电系统并网技术领域，特别是涉及一种液冷型光伏高压直流串联并网系统。

背景技术：

随着高压直流输电网建设和高压直流配电网的快速发展，直流并网dc-dc变换器是解决电能大容量远距离传输及大规模可再生能源汇集的有效手段，可以充分利用hvdc输电线路走廊，实现多种能源形式、多用户类型之间的互补。

目前常见的光伏发电系统并网形式以并入交流电网为主。国内柔性直流和传统直流输电快速发展，示范项目越来越多，光伏发电必须具备接入高压直流输电网的能力。一般的光伏高压直流串联并网系统包括dc-dc变换器，dc-dc变换器包括低压dc-ac变换器件、高频变压器、高压ac-dc变换器件。现有的低压dc-ac变换器包括：低压电容、igbt、电感等部件；现有的高压ac-dc变换器包括：高压电容、硅堆等实现交直流变换功能的器件。

常见光伏直流变换器存在输出电压较低，且难以一次性升压到很高电压的问题，为了实现光伏系统输出并入高压直流电网，目前普遍采取多个光伏直流变换器输入接独立光伏组件，输出串联的方式提高系统的输出电压，从而达到输出更高直流电压从而接入高压直流电网的目的。变换器输出并入±10kv、±30kv、±300kv级以上直流输电线上。升压比高达20-600倍。而整个系统高低压处于同一机柜中，提高设备功率密度和更高的耐电压等级是一对矛盾体，给结构设计带来很大难度。

由于大功率变换器在运行过程中有较大的热量散失，为保变换器具有良好的运行环境，必须配备一套冷却系统。目前变换器最常用的冷却技术是空气冷却或者水冷方式，空气冷却方式结构简单，但冷却效率较低，体积和噪声较大，适于低功率设备，已经难于适应mw以上的技术发展要求，水冷可以达到目前的冷却要求，但水冷技术采用强迫水循环结构，冷却介质必须采用去离子水并须配备循环泵、膨胀阀、水去离子处理设备等，水处理和循环系统需要一个单独约重几十甚至上百公斤的柜体，体积重量较大成本增高。而且一旦漏水，运行于高压设备会带来安全隐患。因此，开发和选择新型高效散热技术对变流设备进行冷却，是保证装置可靠性和提高功率体积密度的一个重要措施。

同时设备有属于高压设备，绝缘耐压强度要达到±10kv、±30kv、±300kv级以上水平其绝缘厚度以及绝缘间距足够大时影响设备小型化和散热设计，给设备结构设计带来一定难度，目前常规变流器中高压部件绝缘采用空气绝缘，一般空气耐压强度为2.5kv/mm，其中主要的高压部件高频高压变压器采用干式或油浸式。油浸式由于有比较粘稠容易泄露导致设备周围污物聚集，引起放电击穿影响设备安全，并且要要定期更换油价值，维护工作量大。而干式变压器体积较大，是油冷的4-5倍，不利于设备的小型化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种液冷型光伏高压直流串联并网系统，使高压元器件浸泡在绝缘冷却液中，提高发热电气部件的部署密度的同时提高发热电气部件的散热效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种液冷型光伏高压直流串联并网系统，其特征在于，所述系统包括dc-dc变换器和冷却装置；所述dc-dc变换器包括低压dc-ac变换器、高频变压器和高压ac-dc变换器；

所述低压dc-ac变换器的输出端与所述高频变压器的输入端连接，所述高频变压器的输出端和所述高压ac-dc变换器的输入端连接；

所述冷却装置包括冷凝器、蒸发器、气体管路、液体管路和绝缘冷却液；所述低压dc-ac变换器包括电感，所述蒸发器内填充所述绝缘冷却液，所述电感、所述高频变压器和所述高压ac-dc变换器浸没于所述绝缘冷却液中；

所述冷凝器置于所述蒸发器上方，所述蒸发器的出气接头通过所述气体管路与所述冷凝器的进气接头连接，所述冷凝器的出液接头通过所述液体管路与所述蒸发器的进液接头相连。

可选的，所述低压dc-ac变换器还包括功率半导体器件，所述功率半导体器件与所述蒸发器的外壁接触。

可选的，所述低压dc-ac变换器浸没于所述蒸发器的所述绝缘冷却液中。

可选的，所述绝缘冷却液为氟碳化合物。

可选的，所述冷凝器还包括压力变送器和排气接头，所述压力变送器用于检测所述冷凝器的压力，所述排气接头连接阀门，当所述压力达到设定值时，通过所述排气接头排气。

可选的，所述蒸发器为密封箱体，所述蒸发器的底面和侧面为金属材料，所述蒸发器顶面为绝缘材料，所述顶面上有两个高压引线接头，所述高压引线接头与高压引线套管密封连接，所述dc-dc变换器输出端的高压引线通过所述高压引线接头套入所述高压引线套管中，所述高压引线套中充有所述绝缘冷却液。

可选的，所述冷凝器包括至少一个所述进气接头和至少一个所述出液接头，所述进气接头位于所述出液接头上方。

可选的，所述蒸发器包括至少一个所述出气接头和至少一个所述进液接头，所述出气接头位于所述进液接头上方。

可选的，所述系统还包括机柜，所述dc-dc变换器和所述蒸发器置于所述机柜中。

可选的，所述冷凝器采用循环冷却水或循环冷空气制冷。

根据本发明提供的发明内容，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种液冷型光伏高压直流串联并网系统，包括dc-dc变换器和冷却装置，低压dc-ac变换器中的电感、高频变压器和高压ac-dc变换器浸没于蒸发器中的绝缘冷却液中，高压部件通过绝缘冷却液绝缘，相比于空气中缩短了绝缘距离，提高发热电气部件的部署密度，并且绝缘冷却液吸收电气元件的热量通过蒸发器和冷凝器散热，能够将分散发热源产生热量集中传输并散热，提高了发热电气部件的散热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例一种液冷型光伏高压直流串联并网系统的正图结构示意图；

图2为本发明实施例一种液冷型光伏高压直流串联并网系统的侧面结构示意图；

图3为本发明实施例一种液冷型光伏高压直流串联并网系统中dc-dc变换器的详细结构示意图；

附图标记说明：1-机柜、2-冷凝器、3-dc-dc变换器、4-气体管路、5-液体管路、6-高压引线套管、7-冷却液体、21-压力变送器、22-排气阀门、23-进气接头、24-出液接头、31-高频变压器、32-高压电容、33-硅堆、34-电感、35-功率半导体器件、36-蒸发器、41-出气接头、51-进液接头、61-高压引线接头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种液冷型光伏高压直流串联并网系统，使高压元器件浸泡在绝缘冷却液中，提高发热电气部件的部署密度的同时提高发热电气部件的散热效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本发明公开了一种液冷型光伏高压直流串联并网系统，包括机柜1、dc-dc变换器3和冷却装置；dc-dc变换器3包括低压dc-ac变换器、高频变压器和高压ac-dc变换器。

低压dc-ac变换器的输出端与高频变压器的输入端连接，高频变压器的输出端和高压ac-dc变换器的输入端连接。

低压dc-ac变换器包括：低压电容、功率半导体器件、电感等部件。高压ac-dc变换器包括：高压电容32、硅堆33等实现交直流变换功能的器件。

冷却装置包括冷凝器2、蒸发器36、气体管路4、液体管路5和绝缘冷却液7；蒸发器36内填充绝缘冷却液7，电感34、高频变压器和高压ac-dc变换器浸没于绝缘冷却液7中，由于绝缘冷却液7的绝缘性，绝缘冷却液7耐压强度达到22kv/mm，使得带点元器件可以置于绝缘冷却液7中，实现有限空间内高压器件的密集布置，绝缘冷却液7同时可以起到散热作用；除电感34外的其他低压dc-ac变换器件置于蒸发器36外壁，特征是功率半导体器件35必须紧密接触蒸发器36的外壁，便于功率半导体器件35与蒸发器36中绝缘冷却液之间进行热交换，降低高发热部件功率半导体器件35的运行温度，提高可靠性的同时便于易损件的维修，功率半导体器件35为绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistorigbt)；另一种方案是将低压dc-ac变换器、高频变压器和高压ac-dc变换器全部置于蒸发器36中，散热效果更佳，且易实现dc-dc变换器的模块化设计。

冷凝器2置于蒸发器36上方，冷凝器2高于蒸发器36是为了防止气体上升进入冷凝器2中夹带过多液体影响冷凝效率。蒸发器36的出气接头41通过气体管路4与冷凝器2的进气接头23连接，冷凝器2的出液接头24通过液体管路5与蒸发器36的进液接头51相连，形成密闭回路，回路内充有低沸点的绝缘冷却液7。实现交直流变换运行时，电感34、高频变压器和高压ac-dc变换器产生的热量传递给绝缘冷却液7，绝缘冷却液7吸热气化，依靠气体液体的重力差原理，气化生成的气体沿气体管路4进入到冷凝器2中冷凝为液体，液体再沿液体管路5流回蒸发器36中，达到散热的目的，进行周而复始的循环，实现了绝缘冷却液的自循环过程，同时降低了噪声和成本。

绝缘冷却液7为氟碳化合物，绝缘性好，耐压强度达到22kv/mm，一个标准大气压下沸点在40～55℃，体积电阻率大于10⁷ωm，流动性很好，粘度为0.4-0.7mm²/s，无闪点，电感、变压器等直接浸泡于液体中，电气元件带电部位与液体直接接触，冷却液体直接吸收电感、变压器等电气元件产生的热量，由于热阻小起到最佳降温效果，与水冷方式比无需去离子处理设备，使得系统结构简单，相比于空冷方式功率密度大幅提高，集成设计安全，散热效果好，可以将浸泡其中的器件发热表面温度控制在65℃以下。

蒸发器36为密封箱体，蒸发器36的底面和侧面为金属材料或绝缘材料，蒸发器36顶面为绝缘材料，顶面上有两个带有密封结构的高压引线接头61，高压引线接头61与高压引线套管6密封连接，dc-dc变换器3输出端的高压引线通过高压引线接头套入高压引线套管6中，高压引线两端采用密封结构与蒸发器36的顶面密封连接，利用引线接头结构使高压引线套管6与蒸发器36联通，高压引线套管6内充有绝缘冷却液体介质7做绝缘，由于其对外密封不与空气接触，使得蒸发器36之间无空气通路，有效缩短设备间绝缘距离，使得有限空间内高压引线接头61对蒸发器36箱体绝缘耐压强度达到20kv以上，使设备机柜体积大大减小。蒸发器36采用金属箱体材料其目的一是保证整个设备强度，由于高低压dc-dc变换器件和变压器以及液体介质模块化设计重量比较重，150kg以上，相同厚度下绝缘材料强度达不到，另一个目的，蒸发器36采用金属箱体材料可以作整个机柜系统的地，可以密集排布多个dc-dc变换器，提高系统功率密度。

冷凝器2为由不锈钢或铝合金等金属材质制成的矩形或圆柱形空腔体，冷凝器2包括至少一个进气接头23和至少一个出液接头24，进气接头23位于出液接头24上方。冷凝器2还包括压力变送器21和2个排气接头，每个排气接头上设置有排气阀门22，其中一个排气阀门22用于手段排气，另一个排气阀门22用于自动排气，压力变送器21用于检测冷凝器2的压力，当压力达到设定值时，通过排气接头上的排气阀门22排气，使冷凝器保持在较低的压力运行提高系统安全性。

蒸发器36上部至少一个出气接头41，与气体管路4联通，蒸发器36下部至少一个进液接头51，与液体管路联通，出气接头41位于进液接头51上方，以保证绝缘冷区液回流到蒸发器36，不形成气堵。

dc-dc变换器3和蒸发器36置于机柜1中，dc-dc变换器3和蒸发器36一一对应，多组dc-dc变换器3和蒸发器36可以共用一个冷凝器2、一套气体管理4和液体管路5。冷凝器2可以置于机柜1中也可以置于机柜1体外。

冷凝器2优选与机柜1顶部设计为一体，即冷凝器2的外壳与机柜1共面，冷凝器2采用循环冷却水或循环冷空气制冷。

本发明提供了一种液冷型光伏高压直流串联并网系统，利用液体气体相变换热原理形成自循环密闭结构，无需泵类等辅助处理设备；冷却液为绝缘冷却液体，由于介质的良好的绝缘特性，高压部件可以浸泡在液体中，相比于空气中绝缘距离缩短8倍以上，实现有限空间内发热电气部件的高密度部署，并解决高功率密度电能变换带来的散热问题；自循环密闭结构运行压力基本在0pa附近，即冷却装置正常工作在0～105pa之间，工作压力较低，不需要抽真空，而水冷的方式工作压力约0.2mpa以上，使得本系统构成简单，成本降低；另外将众多分散发热源产生热量集中传输并散热，实现大功率变流器的全封闭柜体运行，适应沙漠、海上、船舶等潮湿恶劣环境条件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。