箱式電力電子變壓器功率閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翁凌云，戴 偉，魏 星，楊 晨，孟 佳,高 飛

(1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著城市配網(wǎng)發(fā)展，干式變壓器質(zhì)量重、體積大、維護(hù)不方便、對環(huán)境造成的污染嚴(yán)重等問題凸顯，因而利用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量變換與傳遞的新式電力電子變壓器(power electronic transformer, PET)逐漸受到關(guān)注與發(fā)展[1-3]。

電力電子變壓器從功能上看，不僅包括傳統(tǒng)交流變壓器的電壓等級變換和電氣隔離功能，還包括交流側(cè)無功補(bǔ)償、諧波治理、光伏/儲能等設(shè)備的直流接入，以及與其他智能設(shè)備的通信功能[4-6]。

電力電子變壓器功率閥塔是電力電子變壓器設(shè)備的心臟[7]，是實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器功能的核心設(shè)備，功率閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性會直接影響設(shè)備的絕緣、強(qiáng)度等性能。故基于AC 10 kV/DC 750 V電力電子變壓器，對其功率閥塔進(jìn)行緊湊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過仿真和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 功率閥塔系統(tǒng)原理

AC 10 kV/DC 750 V電力電子變壓器電力系統(tǒng)如圖1所示。電力電子變壓器接入10 kV交流系統(tǒng)，經(jīng)過高壓側(cè)電抗器濾波后，通過電力電子變壓器功率閥塔進(jìn)行交直流變換，構(gòu)建DC 750 V直流母線為后端的光伏、儲能、直流充電樁等提供直流源。

圖1 電力電子變壓器系統(tǒng)

電力電子變壓器功率閥塔由功率閥段組成，每層功率閥段由N臺功率模塊組成。功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[8-10]。由圖2可知，功率模塊通過級聯(lián)H橋(CHB)實(shí)現(xiàn)AC/DC變換，再經(jīng)過雙有源橋(DAB)電路，進(jìn)行中高頻隔離后，輸出直流。從結(jié)構(gòu)上看，每臺功率模塊包括高壓側(cè)功率單元、低壓側(cè)功率單元、中高頻變壓器和電感。

圖2 功率模塊拓?fù)鋱D

高壓側(cè)功率單元串聯(lián)接入交流系統(tǒng)，低壓側(cè)功率單元并聯(lián)輸出并構(gòu)建直流母線，則單相功率模塊閥段系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 單相功率閥段系統(tǒng)

2 功率閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AC 10 kV/DC 750 V電力電子變壓器功率閥塔對應(yīng)交流三相，每相1層閥段，每層閥段有N臺功率模塊，閥塔整體安裝在集裝箱內(nèi)部，空間有限，因此，功率閥塔整體的外形尺寸在滿足系統(tǒng)絕緣配合要求的基礎(chǔ)上需要盡量緊湊。系統(tǒng)絕緣配合需要考慮電氣間隙和爬電距離。

2.1 絕緣配合要求

2.1.1 電氣間隙

電氣間隙充足能夠防止設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生電擊穿[11]。

本文是基于AC 10 kV/DC 750 V電力電子變壓器，對其功率閥塔進(jìn)行設(shè)計(jì)，環(huán)境參數(shù)為：戶外環(huán)境溫度不超過40 ℃，海拔高度不超過1 000 m。

功率閥塔的高壓側(cè)額定電壓為AC 10 kV，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，額定雷電沖擊耐受電壓為75 kV。功率閥塔高壓側(cè)對地電氣間隙≥120 mm。同樣，功率閥塔相間即各層閥段之間的最小電氣間隙≥120 mm。因?yàn)閼敉猸h(huán)境溫度不超過40 ℃，海拔高度不超過1 000 m，故不需要進(jìn)行修正。

功率閥塔每層閥段功率模塊的高壓側(cè)功率單元串聯(lián)接入AC 10 kV系統(tǒng)，所以每個高壓側(cè)功率單元需要承擔(dān)電壓為

UH=US/N

(1)

UH為單個功率模塊高壓側(cè)功率單元承擔(dān)電壓；US為系統(tǒng)額定電壓；N為單相閥段功率模塊數(shù)量。

通過式(1)可以計(jì)算出UH=830 V，又因?yàn)楣β书y塔低壓側(cè)輸出電壓為DC 750 V。因此當(dāng)交流或直流標(biāo)稱電壓在600～1 000 V之間時，查閱文獻(xiàn)[13]，得到模塊間的最小電氣間隙為12 mm。

2.1.2 爬電距離

爬電距離是系統(tǒng)絕緣配合的另一個重要參數(shù)[11]，高壓側(cè)額定電壓為10 kV，結(jié)合環(huán)境污穢情況，按照文獻(xiàn)[14]，得到高壓側(cè)最小爬電比距為25 mm/kV；低壓側(cè)額定電壓為750 V，由文獻(xiàn)[12]可以確定低壓側(cè)最小爬電距離為16 mm。

2.2 結(jié)構(gòu)方案

2.2.1 功率閥段結(jié)構(gòu)

結(jié)合功率閥段系統(tǒng)圖，各個功率模塊需要并排布置。功率模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。安裝時，將功率模塊依次推入功率閥段。功率閥段布置如圖5所示。

圖4 功率模塊結(jié)構(gòu)

圖5 功率閥段結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證閥段的強(qiáng)度，使用仿真軟件進(jìn)行閥段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形校核。從圖6可知，閥段結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為33.34 MPa，最大變形約為0.48 mm，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。功率閥段使用的絕緣型材的彎曲強(qiáng)度均≥170 MPa。

圖6 閥段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果

2.2.2 功率閥塔結(jié)構(gòu)

如圖7所示，將上述功率閥段層層布置，單層閥段通過固定結(jié)構(gòu)件固定在12#工字鋼上，每層閥段單邊均有3個固定點(diǎn)。12#工字鋼焊接的固定在箱體上。

圖7 功率閥塔結(jié)構(gòu)

按照上述設(shè)計(jì)方案，核對實(shí)際電氣間隙滿足絕緣配合設(shè)計(jì)要求。核對實(shí)際爬電距離滿足絕緣配合設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)要求及接線原理

為了驗(yàn)證功率閥塔的絕緣性能，以文獻(xiàn) [15]為依據(jù)，對功率閥塔進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目分2部分：工頻耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊電壓試驗(yàn)。

工頻耐壓試驗(yàn)要求：高壓側(cè)相間及對地應(yīng)能承受42 kV(有效值)的工頻電壓，持續(xù)時間1 min，無閃絡(luò)擊穿。

工頻耐壓試驗(yàn)接線原理如圖8所示，使用工頻耐壓發(fā)生器對箱式電力電子變壓器進(jìn)行加壓。

雷電沖擊電壓試驗(yàn)要求：高壓側(cè)相間及對地分別施加電壓75 kV的雷電沖擊波，正、負(fù)極性各3次，無閃絡(luò)擊穿。

雷電沖擊電壓試驗(yàn)接線原理如圖9所示，使用沖擊電壓發(fā)生器對箱式電力電子變壓器進(jìn)行加壓。

圖8 工頻耐壓試驗(yàn)接線原理

圖9 雷電沖擊電壓接線原理

試驗(yàn)環(huán)境條件如表1所示，所進(jìn)行的工頻耐壓試驗(yàn)和雷電沖擊電壓試驗(yàn)在此環(huán)境下進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

試驗(yàn)實(shí)物如圖10所示，從左向右依次為沖擊電壓發(fā)生器、箱式電力電子變壓器等。

圖10 試驗(yàn)實(shí)物

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在AC相接地、B相接高壓和三相對地的條件下，對功率閥塔施加42 kV(有效值)的工頻電壓，持續(xù)1 min，觀察到?jīng)]有閃絡(luò)擊穿現(xiàn)象，工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果

雷電沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果如下所述。

a.AC相接地、B相接高壓時施加雷電沖擊電壓75 kV，正、負(fù)極性各3次，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 雷電沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果1

b.三相對地施加雷電沖擊電壓75 kV，正、負(fù)極性各3次，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 雷電沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果2

由表2可知，在AC相接地、B相接高壓和三相對地的條件下，對功率閥塔施加42 kV(有效值)的工頻電壓，持續(xù)1 min，沒有閃絡(luò)擊穿現(xiàn)象，結(jié)果表明功率閥塔工頻耐壓合格；從表3和表4可知，在2種工況下，施加雷電沖擊電壓75 kV，功率閥塔沒有閃絡(luò)擊穿現(xiàn)象，結(jié)果表明功率閥塔雷電沖擊耐壓合格。

4 結(jié)束語

本文基于AC 10 kV/DC 750 V電力電子變壓器，在滿足電氣間隙和爬電距離的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電力電子變壓器功率閥塔，并且對其功率閥段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，通過對功率閥塔進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊電壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的功率閥塔絕緣性能。電力電子變壓器目前還處于新興發(fā)展階段，本文所設(shè)計(jì)的功率閥塔已經(jīng)在實(shí)際工程上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，可為后續(xù)電力電子變壓器進(jìn)一步發(fā)展提供參考。