专利名称：一种大容量五电平变流器功率柜的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体开关技术领域，特别是提供了一种集成门极换向晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor,简称IGCT)大容量五电平变流器功率柜结构，它适用于3 100MVA大功率变流器中,可广泛应用于大功率传动领域。
背景技术：
集成门极换流晶闸管(IGCT)是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一个新型电力半导体器件，它不仅与GTO有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，兼有GTO和IGBT之所长，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。由于IGCT具有像IGBT那样具有快速开关功能，像GTO那样导电损耗低，特别是在高压、大电流各种应用领域中可靠性更高。IGCT装置中所有元件装在紧凑的模块中，降低了成本。IGCT电压源型逆变器，与其他类型变频器的拓扑结构相比，结构更简单，效率更高。目前国际上IGCT的应用技术已经很成熟，但是在国内却还处于起步阶段，还没有IGCT变流器的成熟产品问世。完整的IGCT有源整流电路或逆变电路包括IGCT、反并联二极管、箝位电路器件等，若将这些元件分散组装后再用母线或导线进行电气连接，不仅其占用体积较大，而且使得线路杂散电感增大。杂散电感的增大会使IGCT的关断电压升高，影响IGCT器件的安全运行。此外，IGCT的功率组件分散安装，也不利于维修工作的进行。
发明内容
本发明的目的为针对采用IGCT等电力电子器件的大功率五电平变频装置，提出一种减少电路杂散电感，提高装置输出能力的模块化的结构，便于安装组接，可适用于不同工程要求。本发明提供的一种大容量五电平变流器功率柜，从左往右依次由整流功率柜(I)、第一逆变功率柜(2)、电容柜(3)和第二逆变功率柜(4)组成的装置。其中，整流功率柜(I)里包含三组相互独立的整流功率模块(5)，每组整流功率模块(5)上带有若干电力电子器件器件，通过内部铜母线的连接实现直流输出；电容柜(3)里包含三组相互独立的电容功率模块(6)，每组电容功率模块(6)上安装了若干直流电容；第一逆变功率柜(2)和第二逆变功率柜(4)里分别包含三组相互独立的逆变功率模块(7)，每组逆变功率模块(7)上带有四个IGCT器件。在整流功率柜(I)内，从上至下内分为三层，每层布置一组整流功率模块(5)，每组整流功率模块(5)即为一相完整的桥臂。在整流功率柜(I)深度方向上，整流功率模块
(5)位于柜体中部靠前的位置，整流模块水路母管(8)位于柜体前部。为了节约空间，整流功率柜(I)的整流模块水路竖管(9)布置在整流功率柜(I)的侧面，与每个整流功率模块
(5)的整流模块水路母管(8)接口相对应，由球阀相互连接。整流模块交流母排(10)与整流模块直流母排(11)位于整流功率柜(I)的后部。同时，整流功率柜(I)后部布置了三组整流柜直流水平母排(12)，三组整流柜直流水平母排(12)在垂直方向上按一定间距平行布置。同时，每组整流柜直流水平母排(12)内包含三个整流水平母排(13)，三个整流水平母排(13)亦在垂直方向上按照一定间距平行布置，由绝缘子(14)和直流水平母排支架(15)固定在整流功率柜(I)柜体相应的安装孔上。这样的设计使得整个整流功率柜(I)分为三个功能区，水路与电路相隔开，便于安装和维护，避免了各个接口间的干扰，且结构功能清晰。对于整流模块直流母排(11)，在设计上需要尽可能的减小其杂散电感。为此，整流模块直流母排(11)布置在整流功率模块(5)的后部，即柜体内靠后的位置，直接与整流水平母排(13)连接。这种连接方式使得线路之间的连接母排最短，有效地降低了其间的杂散电感，并且便于拆换、维护。需要更换整流功率模块(5)时，只需将整流模块直流母排(11)与整流水平母排(13)的连接断开，即可将整个整流功率模块(5)整体移出。整流模块交流母排(10)的作用是从整流功率柜(I)引入三相交流电，布置在与整流模块直流母排
(11)同侧相邻的位置。而在交流侧，无须考虑杂散电感等分布参数。因此整流模块交流母排(10)的设计完全从使用、维护的角度来考虑，应尽可能的为使用、安装带来便利。第一逆变功率柜(2)和第二逆变功率柜(4)的结构形式相同。以第一逆变功率柜
(2)为例，在柜内，从上至下内分为三层，每层布置一组逆变功率模块(7)。在第一逆变功率柜(2)和第二逆变功率柜(4)在的纵深方向上，逆变功率模块(7)的逆变水路母管(18)和IGCT功率驱动部分(19)位于柜体前部；逆变功率模块(7)以及逆变直流搭接母排(20)和逆变交流搭接母排(21)位于柜体中部；柜体后部从上至下平行布置了三组逆变柜直流水平母排(22)，每组逆变柜直流水平母排(22)中包含三个逆变水平母排(23)。每个逆变水平母排(23)在垂直方向上按照一定的间距平行布置，由绝缘子(14)和直流水平母排支架
(15)固定在逆变功率柜柜体相应的安装孔上。每组逆变功率模块(7)的逆变直流搭接母排(20)与相应的逆变水平母排(23)相连接，实现了柜内完整的电路连接。在电容柜(3)内从上至下分为三层，每层布置一组电容功率模块出)。为了节约整个电容柜⑶的空间，在电容柜柜内还布置了冷却水系统的供/回水竖直干管(16)。冷却水系统的供/回水竖直干管(16)分别与左侧第一逆变功率柜(2)和右侧第二逆变功率柜⑷内的逆变功率模块⑵上的逆变水路母管(18)接口相对应，由球阀相互连接。电容柜(3)纵深方向分为三个部分，前部、中部、后部。中部主要是电容功率模块出)。前部除了用于安装水冷系统的供/回水竖直干管(16)外，还利用了有限的空间来安装预充电变压器
(17)。在电容柜(3)后部，布置了三组在垂直方向上平行布置的电容柜直流水平母排(24)，每组电容柜直流水平母排(24)中包含了三个电容水平母排(25)。电容水平母排(25)在垂直方向上按照一定的间距平行布置，由绝缘子(14)和直流水平母排支架(15)固定在电容柜⑶柜体相应的安装孔上。每组电容功率模块(6)的电容外接直流母排(26)与相应的电容水平母排(25)相连接，实现可靠的电气连接。一种大容量五电平变流器功率柜的电路连接，是由整流功率柜(I)中的整流水平母排(13)、第一逆变功率柜(2)中的逆变水平母排(23)、电容柜(3)中的电容水平母排
(25)和第二逆变功率柜(4)中的逆变水平母排(23)相互之间通过柜间搭接母排(27)的连接实现的。同时，为了进一步提高装置的输出能力，可以将两套或多套五电平功率柜通过柜间搭接母排(27)连接起来使用。两套五电平功率柜连接使用时，排列方式从左到右依次为:整流功率柜(I)、第一逆变功率柜(2)、电容柜(3)、第二逆变功率柜(4)、出线柜(28)、第二逆变功率柜(4)、电容柜(3)和第一逆变功率柜(2)。在两套五电平功率柜中，增加了一组出线柜(28)。在出线柜(28)柜内，前部布置从左侧第二逆变功率柜(4)和右侧第二逆变功率柜
(4)引出的出线交流外接母排(29)。柜子中部可以适当布置放电功率回路(30)。柜子后部则布置了三组出线柜直流水平母排(31)。每组出线柜直流水平母排(31)中包含了三个出线水平母排(32)。出线直流水平母排(31)和出线水平母排(32)的排列方式与其他柜内的水平母排相同。本发明优点在于:功率柜紧凑的电路连接形式，减少了电路杂散电感，提高了装置的输出能力。同时，多套五电平变流器功率柜并联输出使用，可以更大的提高装置的输出能力，保证了装置的工作性能。
图1为五电平变频装置的电路原理图；图2为五电平变流器功率柜正面结构示意图；图3为五电平变流器功率柜结构立体图；图4为两套五电平变流器功率柜结构图的主视图；图5为两套五电平变流器功率柜结构立体图。图中:整流功率柜1、第一逆变功率柜2、电容柜3、第二逆变功率柜4、整流功率模块5、电容功率模块6、逆变功率模块7、整流模块水路母管8、整流模块水路竖管9、整流模块交流母排10、整流模块直流母排11、整流柜直流水平母排12、整流水平母排13、绝缘子14、直流水平母排支架15、水冷系统的供/回水竖直干管16、预充电变压器17、逆变水路母管18、IGCT驱动部分19、逆变直流搭接母排20、逆变交流搭接母排21、逆变柜直流水平母排22、逆变水平母排23、电容柜直流水平母排24、电容水平母排25、电容外接直流母排26、柜间搭接母排27、出线柜28、出线交流外接母排29、放电回路里的功率器件30、出线柜直流水平母排31、出线水平母排32。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明提供一种大容量五电平变流器功率柜，是针对采用IGCT等电力电子器件的五电平变频装置，电路拓扑如图1所示，图中Dl D36为整流二极管，D37 D48为箝位二极管，Cl C6为直流电容，Tl T24为IGCT (含反并联二极管)，五电平变频装置逆变侧采用五电平NPC/H桥结构，每相的直流侧都有两组二极管三相整流桥串联构成，并且中间环节接有直流电容。图2为本发明的提供的一种五电平功率柜的结构示意图，所述的五电平功率柜由整流功率柜1、第一逆变功率柜2、电容柜3和第二逆变功率柜4组成。每台整流功率柜I里包含三组相互独立的整流功率模块5，每组整流功率模块5上带有12只二极管器件，每个二极管器件通过内部铜母线的连接实现直流输出。电容柜3里包含三组相互独立的电容功率模块6 (如图3)，每组电容功率模块6上安装了四个以上的直流电容；第一逆变功率柜2和第二逆变功率柜4里分别包含三组相互独立的逆变功率模块7，每组逆变功率模块7上带有四个IGCT器件。整流功率柜I的外型尺寸为2500X1000X1500 (高X宽X深，单位:_)。在深度方向上，如图2，整流功率模块5位于整流功率柜I中部靠前的位置，整流模块水路母管8位于整流功率柜I前部，与柜体左侧的整流模块水路竖管9连接；如图3，三组整流柜直流水平母排12，三组整流柜直流水平母排12在垂直方向上按一定间距平行布置，位于整流功率柜I的后部。同时，每组整流柜直流水平母排12内包含三个整流水平母排13，三个整流水平母排13亦在垂直方向上按照一定间距平行布置，由绝缘子14和直流水平母排支架15固定在整流功率柜I柜体相应的安装孔上。第一逆变功率柜2和第二逆变功率柜4的结构形式相同，外型尺寸为2500X1200X1500 (高X宽X深，单位:mm)。在第一逆变功率柜2和第二逆变功率柜4的纵深方向上，逆变功率模块7的逆变水路母管18和IGCT驱动部分19位于柜体前部，如图2 ;逆变功率模块7以及逆变直流搭接母排20和逆变交流搭接母排21位于柜体中部；柜体后部，从上至下平行布置了三组逆变柜直流水平母排22，每组逆变柜直流水平母排22中包含三个的逆变水平母排23。每个逆变水平母排23在垂直方向上按照一定的间距平行布置，由绝缘子14和直流水平母排支架15固定在第一逆变功率柜2和第二逆变功率柜4的柜体相应的安装孔上。电容柜3的外型尺寸为2500X1000X1500 (高X宽X深，单位:mm)。电容柜3纵深方向上，中部主要是电容功率模块5 ;前部除了用于安装水冷系统的供/回水竖直干管16外，还利用了有限的空间来安装预充电变压器17。在电容柜3后部，布置了三组在垂直方向上平行布置的电容柜直流水平母排24，每组电容柜直流水平母排24中包含了三个的电容水平母排25。电容水平母排25在垂直方向上按照一定的间距平行布置，由绝缘子14和直流水平母排支架15固定在电容柜3柜体相应的安装孔上。五电平功率柜的电路连接，则是由整流功率柜I中的整流水平母排13、第一逆变功率柜2中的逆变水平母排23、电容柜3中的电容水平母排25和第二逆变功率柜4中的逆变水平母排23相互之间通过柜间搭接母排27的连接实现的。同时，为了进一步提高装置的输出功率，可以将两套五电平功率柜通过输出变压器实现并联输出。如图4和图5所示，两套五电平功率柜从左到右依次包括:整流功率柜1、第一逆变功率柜2、电容柜3、第二逆变功率柜4、出线柜28、第二逆变功率柜4、电容柜3和第一逆变功率柜2。在两套五电平功率柜中，增加了一组出线柜28，两套五电平功率柜共用一个整流功率柜I。所述整流功率柜I的采用，根据功率容量进行选取。在出线柜28柜内，柜体前部固定有从左、右两侧逆变功率柜引出的交流出线外接母排29便于输出接线。柜体中部安放三组放电功率回路30，分别于三组出线柜直流水平母排31连接，用于电容功率模块的放电。柜子后部则布置了三组出线柜直流水平母排31。每组出线柜直流水平母排31中包含了三个出线水平母排32。出线柜三组直流水平母排31与其他柜内的水平母排相同。
权利要求
1.一种大容量五电平变流器功率柜，其特征在于:从左往右依次为整流功率柜(I)、第一逆变功率柜(2)、电容柜(3)和第二逆变功率柜(4)，其中，整流功率柜(I)里包含三组相互独立的整流功率模块(5)，每组整流功率模块(5)上带有若干电力电子器件，通过内部铜母线的连接实现直流输出；电容柜(3)里包含三组相互独立的电容功率模块￠)，每组电容功率模块(6)上安装了若干直流电容；第一逆变功率柜(2)和第二逆变功率柜(4)里分别包含三组相互独立的逆变功率模块(7)，每组逆变功率模块(7)上带有四个IGCT器件。
2.根据权利要求1所述的一种大容量五电平变流器功率柜，其特征在于:在整流功率柜(I)内，从上至下分为三层，每层布置一组整流功率模块(5);在深度方向上，整流功率模块(5)位于整流功率柜(I)中部靠前的位置，整流模块水路母管(8)位于前部；侧面布置整流水路竖管(9)，与每个整流功率模块(5)的整流模块水路母管(8)接口相对应，由球阀相互连接；整流功率柜(I)的后部是整流模块交流母排(10)与整流模块直流母排(11)；同时，整流功率柜(I)后部布置了三组整流柜直流水平母排(12)，三组整流柜直流水平母排(12)在垂直方向上平行布置；每组整流柜直流水平母排(12)内包含三个整流水平母排(13)，三个整流水平母排(13)亦在垂直方向上平行布置，由绝缘子(14)和直流水平母排支架(15)固定在整流功率柜(I)柜体相应的安装孔上。
3.根据权利要求1所述的一种大容量五电平变流器功率柜，其特征在于:整流模块直流母排(11)直接与整流水平母排(13)连接；整流模块交流母排(10)布置在与整流模块直流母排(11)同侧相邻的位置。
4.根据权利要求1所述的一种大容量五电平变流器功率柜，其特征在于:第一逆变功率柜(2)和第二逆变功率柜(4)的结构形式相同，以第一逆变功率柜(2)为例，在柜内，从上至下内分为三层，每层布置一组逆变功率模块(7);在纵深方向上，逆变功率模块(7)放置在柜体中部，逆变直流搭接母排(20)和逆变交流搭接母排(21)位于柜体后部；逆变功率模块(7)的逆变水路母管(18)和IGCT驱动部分(19)位于柜体前部；柜体后部从上至下平行布置了三组逆变柜直流 水平母排(22)，每组逆变柜直流水平母排(22)中包含三个逆变水平母排(23);每个逆变水平母排(23)在垂直方向上平行布置，由绝缘子(14)和直流水平母排支架(15)固定在逆变功率柜柜体相应的安装孔上；每组逆变功率模块(7)的逆变直流搭接母排(20)与相应的逆变水平母排(23)相连接。
5.根据权利要求1所述的一种大容量五电平变流器功率柜，其特征在于:在电容柜(3)内从上至下分为三层，每层布置一组电容功率模块￠);在电容柜(3)内还布置了冷却水系统的供/回水竖直干管(16);冷却水系统的供/回水竖直干管(16)分别与左侧第一逆变功率柜(2)和右侧第二逆变功率柜(4)内的逆变功率模块(7)上的逆变水路母管(18)接口相对应，由球阀相互连接；电容柜⑶纵深方向上；中部是电容功率模块(6);前部安装水冷系统的供/回水竖直干管(16)和预充电变压器(17);后部布置了三组在垂直方向上平行布置的电容柜直流水平母排(24)，每组电容柜直流水平母排(24)中包含了三个以上的电容水平母排(25);电容水平母排(25)在垂直方向上平行布置，由绝缘子(14)和直流水平母排支架(15)固定在电容柜(3)柜体相应的安装孔上；每组电容功率模块(6)的电容外接直流母排(26)与相应的电容水平母排(25)相连接，实现可靠的电气连接。
6.一种大容量五电平变流器功率柜组，其特征在于:将多套五电平变流器功率柜通过柜间搭接母排(27)连接起来使用。
7.根据权利要求6所述的一种大容量五电平变流器功率柜组，其特征在于:两套五电平变流器功率柜通过柜间搭接母排(27)连接起来使用；两套五电平变流器功率柜从左到右依次包括:整流功率柜(I)、第一逆变功率柜(2)、电容柜(3)、第二逆变功率柜(4)、出线柜(28)、第二逆变功率柜(4)、电容柜(3)和第一逆变功率柜(2)，两套五电平变流器功率柜共用一个整流功率柜(I)。
8.根据权利要求7所述的一种大容量五电平变流器功率柜组，其特征在于:所述的出线柜(28)分为前部、中部和后部，前部布置从左侧第二逆变功率柜(4)和右侧第二逆变功率柜(4)引出的出线交流外接母排(29);中部布置放电功率回路(30);后部布置三组出线柜直流水平母排(31);每组出线柜直流水平母排(`31)中包含了三个出线水平母排(32)。
全文摘要
本发明公开了一种大容量五电平变流器功率柜，属于半导体开关技术领域。五电平变流器功率柜，从左往右依次为整流功率柜、第一逆变功率柜、电容柜和第二逆变功率柜。其中，整流功率柜里包含三组相互独立的整流功率模块；电容柜里包含三组相互独立的电容功率模块；第一逆变功率柜和第二逆变功率柜里分别包含三组相互独立的逆变功率模块。本发明紧凑的电路连接形式，减少了电路杂散电感，提高了装置的输出能力。同时，多套五电平变流器功率柜并联输出使用，可以更大的提高装置的输出能力，保证了装置的工作性能。
文档编号H05K7/20GK103178721SQ20131011714
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者李崇坚, 王成胜, 段巍, 李向欣, 朱春毅, 唐磊, 杨琼涛, 周亚宁, 兰志明, 李凡 申请人:冶金自动化研究设计院, 北京金自天正智能控制股份有限公司