立式功率单元功率柜结构设计_戴伟.pdf

立式功率单元功率柜结构设计戴伟，翁凌云，李林，顾志斌，刘洪德（常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 ；南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 ）摘要：随着电力电子技术的发展，适用于各类新能源场合的双向可控变流功率阀越来越受到关注。基于立式功率单元，对功率阀应用最广的柜式结构从散热结构、抗振结构两方面进行设计，然后对功率柜进行温升试验和抗振试验，验证了所设计的功率柜在散热结构和抗振结构两方面均具备合理性，为后续同类型功率柜设计提供设计参考。关键词：立式功率单元；功率柜；散热结构；抗振结构；试验中图分类号：，（，；，）：，：，：；收稿日期：作者简介：戴伟（），硕士，研究方向为柔性交直流输电技术、配电网技术。引言自“碳达峰、碳中和”提出以来，风能、太阳能等各种形式的新能源相关产业开始蓬勃发展，然而这些清洁能源多存在间歇性、电能不稳定等问题。为更好地适应新能源发展需求，基于全控型开关器件，能够实现双向可控变流的功率阀逐渐受到关注。基于不同产品类别、不同应用环境，功率阀的形式也有所不同，其中应用最为广泛的当属柜式的功率阀结构，柜式方案在运输便利性、组合灵活性、布置简洁性等方面均有较好的效果。本文基于立式功率模块，从设备散热方案、固定方式等方面进行功率阀柜式产品设计介绍，并用试验加以验证。立式模块功率阀柜式方案介绍双向可控变流功率阀顾名思义，其主要通过功率单元以及电抗器的滤波实现将交流转变为直流，或者将直流转变为交流。单个功率阀包含多个功率单元，多个功率单元并联，功率阀拓扑如图所示。图功率阀系统拓扑图功率阀柜式结构即将多个并联的功率单元按照柜体尺寸需要均分，形成一个个功率柜，成套系统则将这些功率柜并柜，形成成套的功率阀。成套功率阀并柜示意图如图所示。图 成套功率阀并柜示意图功率柜设计 功率柜散热设计功率柜作为功率阀的次级单元，其设计的合理性会直电力设备电工技术接影响柜内功率单元的性能。功率单元内包含 等元器件，在功率单元运行时，这些元器件的损耗会淤积在柜体内，因此需要对功率柜进行散热设计，以确保功率单元运行稳定。本文以满发容量 的风冷功率柜为例，功率柜内包含个功率单元，单个功率单元的损耗主要为 的通态损耗，通过计算可以得到单个 通态损耗。功率柜设计需要考虑将个功率单元因损耗所产生的热量散发出去，因此在采用风冷形式进行强迫散热时，所需要的风量为：（）式中，为设备所需风量；为设备满发情况下的发热量；为空气温差；为空气密度；为空气比热。在进行功率柜散热设计时，功率柜的进风口面积以及出风口面积计算式为：（）式中，为进风口风速。风速一般与功率柜进出风口的压力损失有关：（）综合式（）（），可以计算出功率柜散热设计所需要的必要参数，如通过风量选择合适的风机，以及在考虑功率柜防护采用滤棉、滤网等形式时计算出合适的进出风面积。功率柜结构设计功率单元与电抗器等设备安装在柜体内，需要设计合理的安装结构件保证其强度，以便功率柜运输、安装，同时还需要考虑柜内设备的检修维护的便利性。从图的系统拓扑图可以看到，每个功率单元对应一个电抗器，本文以功率柜内从下向上依次为功率单元、电抗器、柜顶交流铜排结构件这种布置形式为例，进行功率柜结构设计。功率单元作为功率柜内的核心器件之一，其安装固定结构合理性会直接影响功率柜的安装、运输和检修。本文采用的立式功率单元，为满足足量的满发容量，体积偏大，因此结构设计时，在模组下方设计脚轮，在模块后侧安装 性支撑结构件。功率柜内，在柜底底板上设计导轨，并在柜后设计横梁，结合型结构件，在功率单元推进功率柜并就位后进行螺钉紧固，从而将功率单元限位固定。相关结构示意如图所示。图功率单元限位固定结构示意电抗器布置在功率单元上方，底部通过槽钢支撑固定，槽钢固定在柜体上。试验验证分析 温升试验为验证功率柜散热设计的合理性，对功率柜进行温升试验。试验时环境温度为 ，湿度为 。功率柜拷机后，进行温升试验。首先，使用风速测速仪测试功率柜内功率单元上方出风口风速，测试方式如图所示。风速测试结果见表。图 功率单元出风口风速测试表功率单元出风口风速功率单元编号功率单元功率单元功率单元功率单元风速（）功率柜在 倍额定功率运行期间，对功率单元和电抗器每半小时进行温度记录，温升不超过，则为合格，功率单元温度以及电抗器温度见表、表。表功率单元温度表时间 功率单元温度功率单元温度功率单元温度功率单元温度 表 电抗器温度表时间 温度 温度 温度 温度 从表、表温升试验数据可以看出，功率柜稳定运行后，功率单元温度稳定，电抗器在内温升不超过，因此本文所述功率柜的散热设计合理。振动试验为验证功率柜结构强度的合理性，对功率柜进行振动电工技术电力设备 试验。振动试验条件为：对功率柜进行 频率范围振动，其中 频率范围内位移振幅不小于，频率范围内加速度振幅不小于；垂直方向 振 动，水 平 方 向 振 动。试 验 步 骤如下。（）试验前在室温下对样品的外观、结构进行目视检查。（）用绑带将样品固定在电动振动试验系统垂直台面上，实际安装状态如图（）所示。按振动试验条件的要求在垂直方向对样品施加规定的振动试验应力。（）垂直方向振动试验结束后，用绑带将样品固定在电动振动试验系统水平台面上，实际安装状态如图（）所示。按振动试验条件的要求在水平方向对样品施加规定的振动试验应力。（）试验后在室温下对样品的外观、结构进行目视检查。（）垂直向（）水平向图功率柜在试验平台上实际安装状态试验完成后对功率柜进行外观、结构目视检查。试验后与试验前相比，功率柜未见裂纹、断裂、内部松动、脱落 等 异 常 现 象。因 此，本 文 所 述 功 率 柜 的 结 构 设 计合理。结语本文以立式功率单元为基础，对双向可控变流功率阀的柜式结构从散热、结构两方面进行设计，提供设计思路与方法，为后续同类型功率柜设计提供参考。本文通过试验，对基于立式功率单元的功率柜进行温升和振动试验。试验结果表明，所设计的功率柜在散热方面满足系统运行需求，其结构强度合理，满足整体运输抗振要求。参考文献 黄雨涵，丁涛 碳中和背景下能源低碳化技术综述及对新型电力系统发展的启示中国电机工程学报，（）：刘洪德，吴扣林 串联型地铁再生能量回馈系统控制策略研究 电力电子技术，（）：翁凌云，戴伟 基于热流密度的配网柔直换流器散热设计科技与创新，（）：孙元邦，李峰电力电子功率器件用风冷散热器换热技术研究机电工程技术，（）：，季爱林，钟剑锋，帅立国大热流密度电子设备的散热方法电子机械工程，（）：，（）：邱成悌电子设备结构设计原理南京：东南大学出版社，（上接第 页）峰值检测电路仿真结果如图 所示，输出电压 在 变化，峰值电压 一直在，符合设计要求。频率检测电路仿真结果如图 所示，输出电压 在 变化，峰值电压 一直在，符合设计要求。图 峰值检测电路仿真结果图 频率检测电路仿真结果结语本文基于 设计了交流电参量检测电路，所设计电路可以对电压有效值、电流有效值等参数进行实时测量，且能测量出输出电压的峰值以及频率。经测试，该电路性能稳定，测量精度较高，具有一定的实用价值。参考文献 陈晓斌，王向周，刘春华，等 交流电基本参量的同步采样检测技术及其实现 微计算机信息，（）：罗霄，李丹，徐仕凤，等交流瞬时值取样检测的设计与实现电子测试，（）：周润景，崔靖 电路系统设计与仿真教程北京：机械工业出版社，电力设备电工技术