一种通用型拓扑结构可变的功率单元及其构建方法与流程

1.本发明涉及一种通用型拓扑结构可变的功率单元及其构建方法，主要针对中高压系统模块化多电平换流器，诸如中高压statcom、高压直流输电换流器hvdc、电力电子变压器等，提供一种内部拓扑结构可变、具有通用性的功率单元，属于电力电子技术领域。


背景技术：

2.目前，模块化多电平换流器在柔性直流输电、电力传动、高压直流功率变换、电能质量治理等工业领域具有广泛的应用前景。作为构成多电平换流器基本功率单元，其内部采用的拓扑结构决定了功率单元的类型，使用较为普遍的拓扑结构包括半桥型拓扑和全桥型拓扑。因功率器件的耐压有限，在中高压工业领域，采用数个功率单元构成级联型电力电子装置，但此种类型的电力电子装置，在装配前的设计制造环节繁琐，周期长，成本高，除了硬件成本，不同需求需要采用不同类型的功率单元，如果需要更换功率单元类型，整个结构均需要重新设计然后更换，导致装置的设计成本及售后维护成本都会较高。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是不同类型的功率单元无法通用，导致使用功率单元的电力电子装置设计成本和更换成本较高。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种通用型拓扑结构可变的功率单元构建方法，所述拓扑结构的类型包括a型
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全桥型拓扑结构、b型
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全桥型背靠背拓扑结构、c型
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两级级联的全桥型拓扑结构、d型
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两级级联的半桥型拓扑结构以及e型
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半桥型拓扑结构中的至少两种，其特征在于，具体构建步骤如下：
5.步骤一、搭建通用主体部分，将基础部件散热器、4个功率模块、电容器、放电电阻、电源板和控制板，固定在主体架上；
6.步骤二、选定所需要的拓扑类型，根据该拓扑类型对应的电路连接关系，将需要连接的基础部件通过连接件连接；
7.步骤三、将步骤二中的所有连接件相对固定形成对应于该拓扑类型的连接套件；
8.步骤四、通过切换不同连接套件改变拓扑结构。
9.本发明根据上述方法还提供了一种通用型拓扑结构可变的功率单元，所述拓扑结构的类型包括a型
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全桥型拓扑结构、b型
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全桥型背靠背拓扑结构、c型
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两级级联的全桥型拓扑结构、d型
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两级级联的半桥型拓扑结构以及e型
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半桥型拓扑结构中的n种，n至少为2，其特征在于，包括主体部分和n个连接套件；
10.所述主体部分包括固定在主体架上的基础部件，所述基础部件包括散热器、4个功率模块、电容器、放电电阻、电源板和控制板；
11.每个所述连接套件对应一个拓扑结构，连接套件包括多个相对固定的连接件，每个所述连接件为按照该拓扑结构的电路连接关系将基础部件点对点连接的连接件。
附图说明
12.图1为a型全桥型拓扑结构电路图；
13.图2为b型全桥型背靠背拓扑结构电路图；
14.图3为c型两级级联的全桥型拓扑结构电路图；
15.图4为d型两级级联的半桥型拓扑结构电路图；
16.图5为e型半桥型拓扑结构电路图。
具体实施方式
17.为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
18.实施例
19.功率单元主要应用于电力电子装置，其基础结构包括4个功率模块，每个功率模块是构成半桥结构的两只igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)，散热器，控制板(包含驱动)，直流电容，直流母排，dc
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dc开关电源，放电电阻；通过如图1至图5所示的不同的电路连接形式，可构成5种不同拓扑结构的功率单元，分别为a型
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全桥型拓扑结构、b型
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全桥型背靠背拓扑结构、c型
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两级级联的全桥型拓扑结构、d型
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两级级联的半桥型拓扑结构以及e型
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半桥型拓扑结构。
20.本发明旨在提供通用型功率单元，可以兼容上述五种拓扑结构，具体构建方法如下：
21.步骤一、搭建通用主体部分，将基础部件，散热器、4个功率模块、电容器、放电电阻、电源板和控制板，固定在主体架上；
22.步骤二、选定所需要的拓扑类型，根据该拓扑类型对应的电路连接关系，将需要连接的基础部件通过连接件连接；
23.步骤三、将步骤二中的所有连接件相对固定形成对应于该拓扑类型的连接套件；
24.步骤四、通过切换不同连接套件改变拓扑结构。
25.最终形成的通用型功率单元的结构包括：
26.主体部分：基础部件固定在主体架上，基础部件包括散热器、4个功率模块、电容器、放电电阻、电源板和控制板；
27.连接套件：每个连接套件对应一个拓扑结构，五种拓扑结构共对应五种连接套件，所述连接套件包括多个相对固定的连接件，所述连接件根据该连接套件对应的拓扑的电路连接关系将基础部件连接。
28.通过上述方法构建的通用型功率单元，主体部分保持不变，需要切换拓扑结构时，只需要更换对应的连接套件即可；具备如下几种优点：
29.1、主体部分布局相同，仅通过更换不同连接套件，进而改变连接方式即可构建5种不同类型的拓扑形式，易于衍生多种级联型电力电子装置，如中高压静止无功补偿器statcom、高压直流输电换流器hvdc、电力电子变压器pet等；
30.2、构建的5种拓扑形式，功率相当，损耗相当，可采用同样的散热器及冷却方式；
31.3、构建的5种拓扑形式，主要电气元件耐压相当，无须做不同的绝缘耐压处理；
32.4、在小电流应用场合，可选择应用c或d类型拓扑，同等电压等级下，级联的功率单元数减半，可极大减小装置的外形尺寸，降低成本；
33.5、易于实现标准化，主体部分完全一致，对应于一拓扑结构的连接套件可独立生产，便于降低生产成本和后期更换成本。


技术特征：
1.一种通用型拓扑结构可变的功率单元构建方法，所述拓扑结构的类型包括a型
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全桥型拓扑结构、b型
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全桥型背靠背拓扑结构、c型
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两级级联的全桥型拓扑结构、d型
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两级级联的半桥型拓扑结构以及e型
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半桥型拓扑结构中的至少两种，其特征在于，具体构建步骤如下：步骤一、搭建通用主体部分，将基础部件：散热器、4个功率模块、电容器、放电电阻、电源板和控制板，固定在主体架上；步骤二、选定所需要的拓扑类型，根据该拓扑类型对应的电路连接关系，将需要连接的基础部件通过连接件连接；步骤三、将步骤二中的所有连接件相对固定形成对应于该拓扑类型的连接套件；步骤四、通过切换不同连接套件改变拓扑结构。2.一种通用型拓扑结构可变的功率单元，所述拓扑结构的类型包括a型
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全桥型拓扑结构、b型
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全桥型背靠背拓扑结构、c型
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两级级联的全桥型拓扑结构、d型
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两级级联的半桥型拓扑结构以及e型
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半桥型拓扑结构中的n种，n至少为2，其特征在于，包括主体部分和n个连接套件；所述主体部分包括固定在主体架上的基础部件，所述基础部件包括散热器、4个功率模块、电容器、放电电阻、电源板和控制板；每个所述连接套件对应一个拓扑结构，连接套件包括多个相对固定的连接件，每个所述连接件为按照该拓扑结构的电路连接关系将基础部件点对点连接的连接件。

技术总结
本发明公开了一种通用型拓扑结构可变的功率单元及其构建方法，构建方法步骤如下：步骤一、搭建通用主体部分，将基础部件散热器、4个功率模块、电容器、放电电阻、电源板和控制板，固定在主体架上；步骤二、选定所需要的拓扑类型，根据该拓扑类型对应的电路连接关系，将需要连接的基础部件通过连接件连接；步骤三、将步骤二中的所有连接件相对固定形成对应于该拓扑类型的连接套件；步骤四、通过切换不同连接套件改变拓扑结构；通过上述方法可构建出通用型拓扑结构可变的功率单元，包括主体部分和N个连接套件；主体部分包括固定在主体架上的基础部件，连接套件对应于具体拓扑结构。连接套件对应于具体拓扑结构。连接套件对应于具体拓扑结构。


技术研发人员：陈国栋 王江涛 邢新波 陈凯 洪赢 刘黎晖 王耀萱
受保护的技术使用者：上海电气电力电子有限公司
技术研发日：2021.09.23
技术公布日：2021/12/7