MMC電力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潘 淳，高 彪，張國棟，張中勝

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

隨著新型電力電子器件的出現(xiàn)，以柔性直流輸電產(chǎn)品為代表的新興電力電子技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)高電壓、大容量的發(fā)展趨勢(shì)[1]。這些發(fā)展趨勢(shì)促使了功率器件電壓、電流等級(jí)不斷攀升，導(dǎo)致設(shè)備與冷卻系統(tǒng)容量、體積日趨龐大，設(shè)備占地、環(huán)保等經(jīng)濟(jì)性問題以及現(xiàn)場施工、設(shè)備運(yùn)維等工程性問題日漸突顯。

上海南匯柔性直流輸電示范工程是亞洲首個(gè)柔性直流輸電工程，也是中國第一條擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柔性直流輸電線路[2]，該工程將上海南匯風(fēng)電場所發(fā)電傳輸并接入上海電網(wǎng)。自2011年該工程投入運(yùn)行以來，我國又陸續(xù)設(shè)計(jì)建設(shè)了多個(gè)柔性直流工程，這些工程總體呈現(xiàn)出高電壓、大容量、多端接入等發(fā)展趨勢(shì)。如何使電力電子設(shè)備具有優(yōu)異的電氣與機(jī)械性能以及良好的生產(chǎn)工藝性、現(xiàn)場可維護(hù)性成為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新目標(biāo)。

本文以模塊化多電平變換器(modular multilevel converter，MMC)模塊為研究對(duì)象，闡述電力電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。

1 電路拓?fù)渑c組成部分

電路拓?fù)湟卜Q電路的結(jié)構(gòu)圖，是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在考慮元器件電氣連接順暢的同時(shí)，還必須考慮每個(gè)實(shí)物的結(jié)構(gòu)特征，尤其是體積與質(zhì)量。圖1是MMC模塊的抽象電路拓?fù)渑c組成實(shí)物的對(duì)照?qǐng)D(其中粗線部分為電路拓?fù)?。

圖1 拓?fù)渑c實(shí)物對(duì)照關(guān)系

2 重要組成部分的特點(diǎn)與問題

2.1 C——電容器

電容器主要功能是儲(chǔ)存與釋放電能，同時(shí)為模塊控制電路提供電源。電容器隨著容量的增大，其體積和質(zhì)量會(huì)大幅度增加，這給操作人員在高空安裝、檢修模塊帶來了巨大困難與危險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮此問題。

2.2 I1，I2——功率器件與散熱器

功率器件起可控電子開關(guān)的作用，是模塊的核心器件，價(jià)格高、體積小。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下3個(gè)因素：

1)一個(gè)MMC模塊可能包含數(shù)個(gè)功率器件。功率器件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，這部分損耗轉(zhuǎn)換為熱能，需要通過(水冷或風(fēng)冷)散熱器帶走，以控制功率器件的溫升。

2)MMC模塊工作過載或短路時(shí)會(huì)造成功率器件損壞，甚至爆炸，必須通過合理地設(shè)計(jì)、布置以減小破壞的影響范圍。

3)所有模塊的散熱器通過水管接入水冷系統(tǒng)中進(jìn)行集中冷卻，有些工程還冗余設(shè)計(jì)有兩套水冷系統(tǒng)。水冷系統(tǒng)占地面積大、成本高，需要盡可能優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其效率，降低工程造價(jià)。

2.3 L——電路連接

電路拓?fù)渲须娐愤B接通過疊層母排與銅排來實(shí)現(xiàn)，二者特點(diǎn)如下：

疊層母排利用高性能絕緣材料，可以在結(jié)構(gòu)緊湊的情況，具備強(qiáng)絕緣能力，有效減小空間占用，節(jié)約模塊空間[3]；同時(shí)，相同載流的情況下，相比銅排其溫升低，雜散電感少，可有效提高產(chǎn)品的電氣性能。但是，疊層母排成本高，一般僅用在電氣要求較高、空間緊張的位置。

銅排加工成本低，一般用在要求不高、連接簡單的位置，通常用于模塊的輸入/輸出端。

鑒于柔性直流工程中模塊數(shù)量眾多，通過合理地選用銅排與疊層母排，可以提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

2.4 控制電路

控制電路是控制模塊工作以及模塊通訊的關(guān)鍵部分，相對(duì)于柔性直流閥廳電磁環(huán)境而言，控制電路的電信號(hào)屬于弱電信號(hào)，極易受周邊電磁干擾。隨著柔性直流工程電流與電壓的不斷提升，控制電路所處電磁環(huán)境變得愈加嚴(yán)酷，提高模塊EMC性能是一項(xiàng)必須考慮的問題。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決方案

3.1 電容器

經(jīng)過多年的產(chǎn)品測(cè)試發(fā)現(xiàn)，MMC模塊電容器部分的故障率極低，模塊故障與損壞主要集中在控制電路與功率器件部分。因此，可以將電容器與模塊頭(包括控制電路、功率器件、旁路開關(guān)等)兩部分進(jìn)行分離式設(shè)計(jì)，如圖2所示。電容器固定在安裝板上；模塊頭可以在托架上固定、移動(dòng)、拆卸；兩部分通過疊層母排進(jìn)行快速連接。

圖2 分離式設(shè)計(jì)示意圖

當(dāng)模塊頭出現(xiàn)故障時(shí)，只需要將模塊頭拆卸檢修或更換，無需將整個(gè)MMC模塊從柔性直流閥塔上取出。該分離式設(shè)計(jì)解決了柔性直流輸電傳輸功率受功率器件制約的問題以及MMC模塊維護(hù)不便的問題，可提高設(shè)備輸電功率與效率，設(shè)備可維護(hù)性好[4]。

3.2 功率器件與散熱器

3.2.1 設(shè)計(jì)與裝配工藝要求

為了使功率器件與散熱器結(jié)合更緊密，同時(shí)減少熱阻，提高散熱效率，散熱器安裝面的表面粗糙度設(shè)計(jì)要求應(yīng)不大于1.6μm。

裝配過程中，接觸面應(yīng)涂抹硅脂或硅油以填充細(xì)微間隙、增加接觸面積，同時(shí)還起到隔絕空氣、防止安裝面氧化的作用。硅脂涂抹工藝要做到均勻、薄層。此外，硅脂長期受熱易發(fā)干、逐漸失效，因此安裝面光潔度較高的場合推薦使用硅油，相比硅脂不易失效。

3.2.2 散熱器的布置

在一個(gè)MMC模塊包含多個(gè)功率器件時(shí)，功率器件之間的相對(duì)位置存在兩種布置方式，即相對(duì)布置和同側(cè)布置。相對(duì)布置是指功率器件面對(duì)面布置，散熱器分別位于功率器件的背面，同側(cè)布置則是所有功率器件都位于散熱器的一側(cè)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，相對(duì)布置具備結(jié)構(gòu)緊湊勻稱、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在早期MMC模塊設(shè)計(jì)中。但在工程試驗(yàn)及測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)相對(duì)布置有一些比較嚴(yán)重的問題。如圖3所示，當(dāng)功率器件爆炸時(shí)，會(huì)影響對(duì)面的正常器件；散熱器連同水管接頭也會(huì)產(chǎn)生水平位移，甚至?xí)顾芩擅摗Ｋ芩擅搶?dǎo)致滲水、漏水，其影響范圍不可控，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備停運(yùn)。而同側(cè)布置則不存在此問題，當(dāng)功率器件爆炸時(shí)，模塊內(nèi)應(yīng)力首先破壞外殼，使外殼產(chǎn)生位移、變形，從而釋放掉大部分模塊內(nèi)應(yīng)力，使模塊與水路受到的影響降到最低。

圖3 布局對(duì)水路的影響

因此，散熱器應(yīng)盡量放在模塊的同一側(cè)，功率器件朝向也應(yīng)該保持一致，避免相對(duì)布置。

3.2.3 散熱器的水路連接

模塊與主水路連接有并聯(lián)與串聯(lián)兩種方式。假設(shè)圖4中每片散熱器流量相同，那么并聯(lián)方案中主水管流量等于支路水管流量的總和，因此支路水管越多，主水管直徑就越大，主水管直徑越大會(huì)導(dǎo)致制造難度與成本增加。而串聯(lián)方案中，主水管進(jìn)口與出口之間水壓差隨散熱器串聯(lián)個(gè)數(shù)增加而增加，因此串聯(lián)方案會(huì)導(dǎo)致主水路壓力增加。

圖4 多種水路連接方案

圖4中混合方案的實(shí)現(xiàn)方法：將散熱器分成兩組，組內(nèi)散熱器先采用串聯(lián)方案互相連接，然后兩組散熱器再采用并聯(lián)方案接入主水管。該混合方案可以在水管管徑與壓力之間找到平衡點(diǎn)，從而提高水系統(tǒng)的利用率，降低設(shè)備成本。

此外，在串聯(lián)方案中還可以通過調(diào)整連接點(diǎn)次序達(dá)到控制功率器件溫升的目的。如圖5所示，假設(shè)進(jìn)、出口水溫均為恒定值，進(jìn)口水溫最低，出口水溫最高，每個(gè)功率器件損耗相同。

串聯(lián)調(diào)整前散熱器溫度依次上升，TS1

串聯(lián)調(diào)整后，冷卻水流路徑因連接次序的變化，使TS1

圖5 方案改進(jìn)

3.3 電路連接

電感普遍存在于導(dǎo)體中，疊層母排的雜散電感會(huì)直接影響功率器件的使用效果，進(jìn)而影響功率器件輸出電氣性能與電力電子設(shè)備的電磁兼容性能[5]。為了盡量減少電感的影響，一般有以下兩點(diǎn)要求：第一，路徑和雜散電感成正相關(guān)關(guān)系，縮短導(dǎo)體與導(dǎo)體的間距可減小電感；第二，導(dǎo)體采用大寬度薄厚度也有利于降低電感。

在銅排應(yīng)用場合，銅排雖然不能像疊層母排那樣設(shè)計(jì)成復(fù)雜的形狀，但在設(shè)計(jì)中也應(yīng)盡可能遵循這兩個(gè)原則，在絕緣距離不夠的情況下可以在銅排表面包裹一層絕緣套管。

正如3.2.2所述，功率器件相對(duì)布置會(huì)使導(dǎo)體間距增加，而同側(cè)布置有利于將疊層母排設(shè)計(jì)成一體，從而使得導(dǎo)體間距降到最低。同側(cè)布置在降低導(dǎo)體雜散電感方面同樣具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3.4 控制電路

當(dāng)弱電控制信號(hào)處于強(qiáng)電環(huán)境中時(shí)，可以通過分層屏蔽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大幅提高M(jìn)MC模塊控制電路的抗干擾能力，從而提升設(shè)備的運(yùn)行可靠性，如圖6所示。

圖6 分層屏蔽示意圖

第一層屏蔽：將不同功能的控制電路設(shè)計(jì)布置在模塊頭同一側(cè)，用金屬材質(zhì)外殼將控制電路整體封閉。對(duì)控制電路集中屏蔽能夠減少弱電線纜的長度，避免弱電線纜間的相互交叉以及弱電線纜與強(qiáng)電線纜的交叉，從而降低各種電信號(hào)的耦合。

第二層屏蔽：將安裝板(鐵制)、散熱器(鋁制)放置在控制電路屏蔽外殼與功率器件之間，安裝板與散熱器均有面積大、厚度薄的特點(diǎn)，自然地形成了第二層金屬屏蔽。

從圖7同類設(shè)備仿真數(shù)據(jù)可以看出，使用分層屏蔽設(shè)計(jì)后，弱電區(qū)域電場強(qiáng)度從1.13×105V/m降低到3.60×104V/m，減少約68%。

圖7 仿真圖

4 結(jié)束語

伴隨南京南瑞繼保電氣有限公司在新興電力電子設(shè)備業(yè)務(wù)上的拓展，作者參與了各種電力電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的研發(fā)工作，尤其是針對(duì)MMC模塊的設(shè)計(jì)，通過不斷地對(duì)比、嘗試各種設(shè)計(jì)，總結(jié)出本文所述的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與解決方案，這些經(jīng)驗(yàn)與方案不僅可應(yīng)用在柔性直流設(shè)備中，還可應(yīng)用于無功補(bǔ)償、直流融冰、靜止無功發(fā)生器、統(tǒng)一潮流控制器等設(shè)備。