海底高壓直流變電裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種海底高壓直流變電裝置，包括高壓直流變換器和耐壓密封腔體，高壓直流變換器包括高壓啟動模塊、高壓高頻開關(guān)直流變換模塊和輸出濾波模塊。高壓高頻開關(guān)直流變換模塊采用多個高壓IGBT串聯(lián)后作為一個功率開關(guān)器件使用，且采用四個功率開關(guān)器件構(gòu)建高頻變壓器隔離的脈沖寬度調(diào)制移相控制全橋拓撲。多個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高壓直流電到400V中壓直流電的降壓變換。耐壓密封腔體內(nèi)充滿電子氟化液，并設(shè)油壓補償器來補償電子氟化液因溫升引起的油壓變化。本實用新型組合結(jié)構(gòu)簡單，機電集成簡單緊湊、功率密度大，易于裝配、檢修和維護；該裝置的輸入電壓范圍很寬，可根據(jù)實際應(yīng)用需要，靈活配置基本的模塊個數(shù)，對不同輸入電壓等級的適應(yīng)能力強。
【專利說明】
海底高壓直流變電裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于海底電力技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種海底高壓直流變電裝置，具體說是一種能將輸送到海底的高壓直流電降壓變換為中壓直流電的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前在海洋科學(xué)研究、災(zāi)害預(yù)警和資源開發(fā)等領(lǐng)域中，所需使用的海底設(shè)備的種類和數(shù)量越來越多，這些海底設(shè)備需要覆蓋的探測范圍越來越廣，要求原位連續(xù)運行的時間越來越長。隨著復(fù)雜性和智能化程度的不斷提高，各類海底設(shè)備的功耗越來越大，需要持續(xù)提供給它們的電能越來越多。因此，傳統(tǒng)的船基考察方式已難以滿足當(dāng)前這些領(lǐng)域的需求，只有通過連接至陸地的海底電網(wǎng)實現(xiàn)遠距離大范圍輸電，才能解決大量設(shè)備在海底長期運行面臨的充裕且持續(xù)的電能供給難題。
[0003]這類海底電網(wǎng)普遍采用跨洋通信系統(tǒng)所用的標準海底光電復(fù)合通信海纜進行直流輸電，為了覆蓋較廣的海底地理范圍，必須盡量提高輸電電壓來降低海纜上的電壓損耗，并提高電能輸送效率。為了保證25年以上的工作壽命，綜合考慮此類海纜的長期絕緣性能，這類海底電網(wǎng)的最高輸電電壓通常為數(shù)千伏，且最高不超過10kV。而海底設(shè)備普遍采用數(shù)十伏的低壓直流供電，且通常為48V以內(nèi)，因此必須在海底對海纜輸送的高壓直流電進行逐級降壓，其中海底高壓直流變電裝置為第一級降壓裝置，負責(zé)將數(shù)千伏的高壓直流電變換為數(shù)百伏的中壓直流電，且通常為400V左右，使得設(shè)置在負荷中心的海底直流配電裝置易于將其再次降壓至數(shù)十伏的低壓直流電。
[0004]為了提高電能變換效率，海底高壓直流變電裝置必須采用高頻開關(guān)直流變換方案。現(xiàn)有技術(shù)以金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)作為開關(guān)器件，構(gòu)建基本的開關(guān)直流變換模塊。由于現(xiàn)有成熟的功率MOSFET耐壓低、功率小，導(dǎo)致其所構(gòu)建的基本模塊耐壓也低、功率也小，因此必須將至少數(shù)十個基本模塊通過復(fù)雜的輸入、輸出串并聯(lián)組合，才能實現(xiàn)數(shù)千伏高壓直流電到數(shù)百伏中壓直流電的變換?，F(xiàn)有技術(shù)的缺點是，由于所需組合的基本模塊數(shù)量眾多、組合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得整個裝置的機電集成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)致其裝配、檢修和維護的效率低下，且大大降低了此類裝置的可靠性和穩(wěn)定性，因此難以滿足此類裝置在海底惡劣環(huán)境下長期運行所需的高可靠性、高穩(wěn)定性和體積緊湊的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型針的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的海底高壓直流變電裝置，所述的海底高壓直流變電裝置采用高耐壓的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)串聯(lián)后作為功率開關(guān)器件，并采用全橋拓撲構(gòu)建基本的高壓高頻開關(guān)直流變換模塊，再將數(shù)個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊進行輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(InputSeries Output parallel，IS0P)組合，實現(xiàn)數(shù)千伏的高壓直流電到數(shù)百伏的中壓直流電的降壓變換，可廣泛用于海洋科學(xué)研究、災(zāi)害預(yù)警和資源開發(fā)等領(lǐng)域。
[0006]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]海底高壓直流變電裝置，包括高壓直流變換器200、上連接環(huán)203、散熱支架207和下連接環(huán)208和耐壓密封腔體，所述高壓直流變換器200、上連接環(huán)203、散熱支架207和下連接環(huán)208均安裝于耐壓密封腔體內(nèi)，所述耐壓密封腔體由前端蓋組件100、筒身400和后端蓋組件300依次連接而成，所述前端蓋組件100包括前端蓋108、第二 O型密封圈107、第一水密連接器104、第二水密連接器105和保護罩101，所述第一水密連接器104和第二水密連接器105均帶有外螺紋，且分別安裝于前端蓋108—側(cè)相應(yīng)的內(nèi)螺紋上，所述第一水密連接器104和第二水密連接器105與前端蓋108連接處通過螺紋鎖緊擠壓第一 O型密封圈106實現(xiàn)密封；所述第二水密連接器105用于輸入高壓直流電，所述第一水密連接器104用于輸出中壓直流電；所述保護罩101通過第一螺栓102安裝于前端蓋108—側(cè)上，且套于第一水密連接器104和第二水密連接器105外;所述后端蓋組件300包括后端蓋304、第三O型密封圈303和油壓補償器301，所述油壓補償器301通過第七螺栓302固定于下端蓋304—側(cè)上，所述前端蓋108另一側(cè)與高壓直流變換器200之間通過第八螺栓109連接;所述高壓直流變換器200安裝于耐壓密封腔體內(nèi)，高壓直流變換器200包括高壓啟動模塊202、高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206、輸出濾波模塊209、上連接環(huán)203、下連接環(huán)208和散熱支架207，高壓啟動模塊202、高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206和輸出濾波模塊208依次連接，所述高壓啟動模塊202通過第九螺栓201安裝于上連接環(huán)203上，所述高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206通過第四螺栓205安裝于散熱支架207上，所述輸出濾波模塊208通過第六螺栓211安裝于下連接環(huán)208上，所述上連接環(huán)203和下連接環(huán)208與散熱支架207之間分別通過第三螺栓204和第五螺栓210連接；所述高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206采用一個或多個高壓IGBT串聯(lián)后作為一個功率開關(guān)器件使用，且采用四個所述的功率開關(guān)器件構(gòu)建高頻變壓器隔離的脈沖寬度調(diào)制PulseWidth Modulat1n，PWM移相控制全橋拓撲，所述的高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206的輸入電壓范圍為lkV-3kV，最高輸出電壓為400V，最大輸出電流為25A，最高開關(guān)頻率為25kHz。
[0008]本實用新型中，所述前端蓋組件100和后端蓋組件300與筒身400連接處分別設(shè)置第二 O型密封圈107和第三O型密封圈303，實現(xiàn)前端蓋組件100和后端蓋組件300與筒身400之間的密封。
[0009]本實用新型中，所述高壓直流變換器200根據(jù)實際輸入電壓范圍選擇安裝1、2、3或4個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206，多個所述的高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)Input Series Output parallel，ISOP組合結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)lkV_3kV、2kV-6kV、3kV-9kV或4kV-12kV的高壓直流電到400V中壓直流電的降壓變換。
[0010]本實用新型中，所述耐壓密封腔體內(nèi)充滿用于所述的高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206對流散熱和高壓絕緣的電子氟化液，所述的油壓補償器301則用于補償電子氟化液因為溫升引起的體積膨脹，從而穩(wěn)定耐壓密封腔體內(nèi)部施加到高壓直流變換器200上的壓力。[0011 ]本實用新型的有益效果是:
[0012]該裝置所需的基本模塊個數(shù)少、組合結(jié)構(gòu)簡單，機電集成簡單緊湊、功率密度大，易于裝配、檢修和維護;該裝置的輸入電壓范圍很寬，可根據(jù)實際應(yīng)用需要，靈活配置基本的模塊個數(shù)，對不同輸入電壓等級的適應(yīng)能力強;該裝置的散熱能力強，且具有油壓補償能力，有效穩(wěn)定施加在內(nèi)部電路上的壓力。因此，該裝置在海底長期運行的可靠性和穩(wěn)定性尚O
【附圖說明】
[0013]圖1為該裝置的總體爆炸結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2為該裝置前端蓋組件的爆炸結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3為該裝置前端蓋的示意圖。其中:(a)為前端蓋的上視圖，(b)為前端蓋的側(cè)視圖，(C)為前端蓋的下視圖。
[0016]圖4為該裝置保護罩的示意圖。其中:(a)為保護罩的下視圖，(b)為保護罩的側(cè)視圖。
[0017]圖5為該裝置后端蓋組件的爆炸示意圖。
[0018]圖6為該裝置油壓補償器的示意圖。其中:(a)為油壓補償器的下視圖，(b)為油壓補償器的側(cè)視圖。
[0019]圖7為該裝置后端蓋的示意圖。其中:(a)為后端蓋的下視圖，(b)為后端蓋的側(cè)視圖，(C)為后端蓋的上視圖。
[0020]圖8為該裝置高壓直流變換器的爆炸示意圖。
[0021]圖9為該裝置上連接環(huán)和下連接環(huán)的示意圖。其中:(a)上連接環(huán)和下連接環(huán)的上視圖，(b)上連接環(huán)和下連接環(huán)的下視圖，(C)上連接環(huán)和下連接環(huán)的側(cè)視圖。
[0022]圖10為該裝置高壓高頻開關(guān)直流變換模塊在散熱支架上的安裝示意圖。
[0023]圖11為該裝置散熱支架的示意圖。其中:(a)為散熱支架的前視圖，(b)為散熱支架的側(cè)視圖，(C)為散熱支架的上視圖。
[0024]圖12為該裝置的整體示意圖。
[0025]圖13為該裝置單個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊的原理圖。
[0026]圖14為該裝置單個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊的設(shè)計框圖。
[0027]圖15為該裝置兩個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊的組合框圖。
[0028]圖16為該裝置三個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊的組合框圖。
[0029]圖17為該裝置四個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊的組合框圖。
[0030]圖中標號:100為前端蓋組件、101為保護罩、102為第一螺栓、103為第二螺栓、104為第一水密連接器、105為第二水密連接器、106為第一O型密封圈、107為第二O型密封圈、108為前端蓋、109為第八螺栓、200為高壓直流變換器、201為第九螺栓、202為高壓啟動模塊、203為上連接環(huán)、204為第三螺栓、205為第四螺栓、206高壓高頻開關(guān)直流變換模塊、207為散熱支架、208為下連接環(huán)、209為輸出濾波模塊、210為第五螺栓、211為第六螺栓、300為后端蓋組件、301為油壓補償器、302為第七螺栓、303為第三O型密封圈、304為后端蓋、305為第八螺栓、400為筒身。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0032]實施例1:如圖1和圖12所示，該裝置包括高壓直流變換器200和耐壓密封腔體，其中高壓直流變換器200安裝在耐壓密封腔體內(nèi)。耐壓密封腔體包括前端蓋組件100、后端蓋組件300和筒身400。
[0033]如圖2-圖4所示，前端蓋組件100包括前端蓋108、2個第二 O型密封圈107、3個第一水密連接器104和2個第二水密連接器105、保護罩101。其中，3個第一水密連接器104均用于中壓直流輸出，每個水密連接器104均可獨立輸出中壓直流電，2個第二水密連接器105分別連接高壓直流輸入的正端+和負端_，用于高壓直流輸入。第一水密連接器104和第二水密連接器105均帶有外螺紋，并安裝在前端蓋108相應(yīng)的內(nèi)螺紋上，第一水密連接器104和第二水密連接器105各帶有一個第一 O型密封圈106，通過螺紋鎖緊擠壓第一 O型密封圈106實現(xiàn)水密連接器和前端蓋108之間的密封。保護罩101通過第一螺栓102安裝在前端蓋108—側(cè)上，并套于3個第一水密連接器104和2個第二水密連接器105外。前端蓋組件100與高壓直流變換器200之間通過第八螺栓109連接，與筒身400之間通過第二螺栓103連接，且通過第二 O型密封圈107實現(xiàn)與筒身400之間的密封。
[0034]如圖5-圖7所示，后端蓋組件300包括后端蓋304、2個第三O型密封圈303和油壓補償器301。油壓補償器301通過第七螺栓302固定在下端蓋304上。后端蓋組件300與筒身400之間通過第八螺栓305連接，且通過第三O型密封圈303實現(xiàn)與筒身400之間的密封。
[0035]為了避免海水腐蝕，上述前端蓋108、后端蓋304、筒身400和保護罩101均采用鈦合金制造。
[0036]如圖7-圖11所示，高壓直流變換器200包括高壓啟動模塊202、高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206和輸出濾波模塊209以及這些模塊的安裝結(jié)構(gòu)，高壓啟動模塊202通過螺栓201安裝在上連接環(huán)203上，高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206通過螺栓205安裝在散熱支架207上，輸出濾波模塊209通過螺栓211安裝在下連接環(huán)上。上連接環(huán)203和下連接環(huán)208與散熱支架207之間分別通過螺栓204和螺栓210連接。
[0037]上述耐壓密封腔體內(nèi)充滿用于高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206對流散熱和高壓絕緣的電子氟化液，該電子氟化液的體積隨自身溫度的上升而增大。若無油壓調(diào)節(jié)模塊，若因腔體外部環(huán)境溫度上升或腔體內(nèi)部電路模塊運行發(fā)熱等原因引起腔體內(nèi)部電子氟化液的溫度上升，高壓啟動模塊202、高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206和輸出濾波模塊209將承受較大的壓力，可導(dǎo)致電路模塊的性能下降甚至失效。上述油壓補償器301為兩端密封的波紋管結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼制造，內(nèi)為真空，其波紋可隨外部壓力的變化而伸縮，引起油壓補償器301的體積變化。油壓補償器301在常壓下處于平衡狀態(tài)時，其波紋處于中間狀態(tài)，使得油壓補償器301的體積也處于中間狀態(tài)。當(dāng)腔體外部環(huán)境溫度上升或腔體內(nèi)部電路模塊運行發(fā)熱等原因引起腔體內(nèi)部環(huán)境溫度上升，造成電子氟化液體積膨脹時，油壓補償器301的波紋相應(yīng)壓縮，反之亦然，從而在一定程度上補償電子氟化液因溫度變化引起的體積變化，穩(wěn)定電子氟化液施加在高壓啟動模塊202、高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206和輸出濾波模塊209的壓力，從而提高電路模塊的運行穩(wěn)定性和可靠性。
[0038]如圖13所示，高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206采用高頻脈沖寬度調(diào)制PulseWidthModulat1n，P麗的移相控制全橋拓撲，并采用高頻變壓器隔離原邊和副邊，減小故障傳播概率。為進一步提尚功率開關(guān)器件的耐壓能力和可靠性，尚壓尚頻開關(guān)直流變換t旲塊206在隔離變壓器之前逆變部分采用多個高壓IGBT如4個1200V耐壓的IGBT串聯(lián)后作為一個功率開關(guān)器件使用，高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206在隔離變壓器之后的整流部分也采用多個高壓二極管串并聯(lián)如四個二極管兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)，作為一個整流二極管使用。高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206采用的全橋拓撲需要采用四個上述功率開關(guān)器件，采用的全橋整流需要四個上述整流二極管。
[0039]如圖14-圖17所示，單個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206的輸入電壓范圍為IkV-3kV，最高輸出電壓為400V，最大輸出電流為25A，最高開關(guān)頻率為25kHz。高壓直流變換器200根據(jù)實際輸入電壓范圍選擇安裝1、2、3或4個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206，多個所述的高壓高頻開關(guān)直流變換模塊206采用ISOP組合結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)lkV-3kV、2kV-6kV、3kV-9kV或4kV-12kV的高壓直流電到400V中壓直流電的降壓變換。
[0040]上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本實用新型。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本實用新型不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型的揭示，不脫離本實用新型范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.海底高壓直流變電裝置，包括高壓直流變換器(200)、上連接環(huán)(203)、散熱支架(207)、下連接環(huán)(208)和耐壓密封腔體，其特征在于所述高壓直流變換器(200)、上連接環(huán)(203)、散熱支架(207)和下連接環(huán)(208)均安裝于耐壓密封腔體內(nèi)，所述耐壓密封腔體由前端蓋組件(100)、筒身(400)和后端蓋組件(300)依次連接而成，所述前端蓋組件(100)包括前端蓋(108)、第二 O型密封圈(107)、第一水密連接器(104)、第二水密連接器(105)和保護罩(101)，所述第一水密連接器(104)和第二水密連接器(105)均帶有外螺紋，且分別安裝于前端蓋(108)—側(cè)相應(yīng)的內(nèi)螺紋上，所述第一水密連接器(104)和第二水密連接器(105)與前端蓋(108)連接處通過螺紋鎖緊擠壓第一 O型密封圈(106)實現(xiàn)密封;所述第二水密連接器(105)用于輸入高壓直流電，所述第一水密連接器(104)用于輸出中壓直流電；所述保護罩(101)通過第一螺栓(102)安裝于前端蓋(108)—側(cè)上，且套于第一水密連接器(104)和第二水密連接器(105)外;所述后端蓋組件(300)包括后端蓋(304)、第三O型密封圈(303)和油壓補償器(301)，所述油壓補償器(301)通過第七螺栓(302)固定于下端蓋(304)—側(cè)上，所述前端蓋(108)另一側(cè)與高壓直流變換器(200)之間通過第八螺栓(109)連接;所述高壓直流變換器(200)安裝于耐壓密封腔體內(nèi)，高壓直流變換器(200)包括高壓啟動模塊(202)、高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206 )、輸出濾波模塊(209 )、上連接環(huán)(203 )、下連接環(huán)(208 )和散熱支架(207)，高壓啟動模塊(202)、高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206)和輸出濾波模塊(209)依次連接，所述高壓啟動模塊(202)通過第九螺栓(201)安裝于上連接環(huán)(203)上，所述高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206)通過第四螺栓(205)安裝于散熱支架(207)上，所述輸出濾波模塊(209)通過第六螺栓(211)安裝于下連接環(huán)(208)上，所述上連接環(huán)(203)和下連接環(huán)(208)與散熱支架(207)之間分別通過第三螺栓(204)和第五螺栓(210)連接;所述高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206)采用一個或多個高壓IGBT串聯(lián)后作為一個功率開關(guān)器件使用，且采用四個所述的功率開關(guān)器件構(gòu)建高頻變壓器隔離的脈沖寬度調(diào)制移相控制全橋拓撲，所述的高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206)的輸入電壓范圍為lkV-3kV，最高輸出電壓為400V，最大輸出電流為25A，最高開關(guān)頻率為25kHz。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底高壓直流變電裝置，其特征在于所述前端蓋組件(100)和后端蓋組件(300)與筒身(400)連接處分別設(shè)置第二O型密封圈(107)和第三O型密封圈(303)，實現(xiàn)前端蓋組件(100)和后端蓋組件(300)與筒身(400)之間的密封。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底高壓直流變電裝置，其特征在于所述高壓直流變換器(200)根據(jù)實際輸入電壓范圍選擇安裝1、2、3或4個高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206)，多個所述的高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206)采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)IkV-3kV、2kV-6kV、3kV-9kV或4kV-12kV的高壓直流電到400V中壓直流電的降壓變換。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底高壓直流變電裝置，其特征在于所述耐壓密封腔體內(nèi)充滿用于所述的高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206)對流散熱和高壓絕緣的電子氟化液，所述的油壓補償器(301)則用于補償電子氟化液因為溫升引起的體積膨脹，從而穩(wěn)定耐壓密封腔體內(nèi)部施加到高壓高頻開關(guān)直流變換模塊(206)上的壓力。
【文檔編號】H02M3/155GK205430053SQ201620196646
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】呂楓, 周懷陽
【申請人】同濟大學(xué)