箱式電力電子變壓器功率閥塔結構設計

翁凌云，戴 偉，魏 星，楊 晨，孟 佳,高 飛

(1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，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

隨著城市配網發(fā)展，干式變壓器質量重、體積大、維護不方便、對環(huán)境造成的污染嚴重等問題凸顯，因而利用電力電子技術實現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，還包括交流側無功補償、諧波治理、光伏/儲能等設備的直流接入，以及與其他智能設備的通信功能[4-6]。

電力電子變壓器功率閥塔是電力電子變壓器設備的心臟[7]，是實現電力電子變壓器功能的核心設備，功率閥塔結構設計的合理性會直接影響設備的絕緣、強度等性能。故基于AC 10 kV/DC 750 V電力電子變壓器，對其功率閥塔進行緊湊化結構設計，并通過仿真和試驗進行驗證。

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)，經過高壓側電抗器濾波后，通過電力電子變壓器功率閥塔進行交直流變換，構建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。功率模塊拓撲結構如圖2所示[8-10]。由圖2可知，功率模塊通過級聯H橋(CHB)實現AC/DC變換，再經過雙有源橋(DAB)電路，進行中高頻隔離后，輸出直流。從結構上看，每臺功率模塊包括高壓側功率單元、低壓側功率單元、中高頻變壓器和電感。

圖2 功率模塊拓撲圖

高壓側功率單元串聯接入交流系統(tǒng)，低壓側功率單元并聯輸出并構建直流母線，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 功率閥塔結構設計

AC 10 kV/DC 750 V電力電子變壓器功率閥塔對應交流三相，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備在運行過程中發(fā)生電擊穿[11]。

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

功率閥塔的高壓側額定電壓為AC 10 kV，根據文獻[12]，額定雷電沖擊耐受電壓為75 kV。功率閥塔高壓側對地電氣間隙≥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。因為戶外環(huán)境溫度不超過40 ℃，海拔高度不超過1 000 m，故不需要進行修正。

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

UH=US/N

(1)

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

通過式(1)可以計算出UH=830 V，又因為功率閥塔低壓側輸出電壓為DC 750 V。因此當交流或直流標稱電壓在600～1 000 V之間時，查閱文獻[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[11]，高壓側額定電壓為10 kV，結合環(huán)境污穢情況，按照文獻[14]，得到高壓側最小爬電比距為25 mm/kV；低壓側額定電壓為750 V，由文獻[12]可以確定低壓側最小爬電距離為16 mm。

2.2 結構方案

2.2.1 功率閥段結構

結合功率閥段系統(tǒng)圖，各個功率模塊需要并排布置。功率模塊結構如圖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 功率模塊結構

圖5 功率閥段結構

為了驗證閥段的強度，使用仿真軟件進行閥段結構強度及變形校核。從圖6可知，閥段結構的最大應力為33.34 MPa，最大變形約為0.48 mm，整體結構穩(wěn)固。功率閥段使用的絕緣型材的彎曲強度均≥170 MPa。

圖6 閥段結構強度校核結果

2.2.2 功率閥塔結構

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構件固定在12#工字鋼上，每層閥段單邊均有3個固定點。12#工字鋼焊接的固定在箱體上。

圖7 功率閥塔結構

按照上述設計方案，核對實際電氣間隙滿足絕緣配合設計要求。核對實際爬電距離滿足絕緣配合設計要求。

3 試驗驗證

3.1 試驗要求及接線原理

為了驗證功率閥塔的絕緣性能，以文獻 [15]為依據，對功率閥塔進行絕緣耐壓試驗。試驗項目分2部分：工頻耐壓試驗、雷電沖擊電壓試驗。

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

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

雷電沖擊電壓試驗要求：高壓側相間及對地分別施加電壓75 kV的雷電沖擊波，正、負極性各3次，無閃絡擊穿。

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

圖8 工頻耐壓試驗接線原理

圖9 雷電沖擊電壓接線原理

試驗環(huán)境條件如表1所示，所進行的工頻耐壓試驗和雷電沖擊電壓試驗在此環(huán)境下進行。

表1 試驗環(huán)境參數

試驗實物如圖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 試驗實物

3.2 試驗結果

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，觀察到沒有閃絡擊穿現象，工頻耐壓試驗結果如表2所示。

表2 工頻耐壓試驗結果

雷電沖擊電壓試驗結果如下所述。

a.AC相接地、B相接高壓時施加雷電沖擊電壓75 kV，正、負極性各3次，試驗結果如表3所示。

表3 雷電沖擊電壓試驗結果1

b.三相對地施加雷電沖擊電壓75 kV，正、負極性各3次，試驗結果如表4所示。

表4 雷電沖擊電壓試驗結果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，沒有閃絡擊穿現象，結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，功率閥塔沒有閃絡擊穿現象，結果表明功率閥塔雷電沖擊耐壓合格。

4 結束語

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上設計了電力電子變壓器功率閥塔，并且對其功率閥段進行了結構強度仿真分析，通過對功率閥塔進行工頻耐壓試驗、雷電沖擊電壓試驗，驗證了所設計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，本文所設計的功率閥塔已經在實際工程上實現應用，可為后續(xù)電力電子變壓器進一步發(fā)展提供參考。