用于中压转换器柜内的中频变压器的强制对流冷却

技术领域

本公开涉及变压器装置并且涉及用于冷却变压器装置的方法。

背景技术

固态变压器(SST)采用电力电子器件来操作所谓的中频变压器(MFT)。

例如，SST可以接收频率为50Hz的中压三相AC输入，并且使用多个转换器和中频变压器将上述输入转换为频率为50Hz的低压三相AC输出，或者反之亦然。例如，50Hz AC输入可以由多个输入转换器转换为频率在几kHz到几十kHz范围内的中频AC信号。例如，中频AC信号然后被施加到连接到输出转换器的中频变压器，该输出转换器最终产生50Hz的AC输出。输入转换器和输出转换器可以由固态电力电子组件形成，该固态电力电子组件利用中间DC链路将AC信号转换为不同频率的AC信号以在转换期间存储能量。例如，输出转换器可以共享公共DC链路。与低频变压器相比，中频变压器较小。典型的SST可以包括多个转换器单元，每个转换器单元接收低频AC信号，将上述低频AC信号转换为中频AC信号，利用中频变压器将上述中频AC信号从较高电压转换为较低电压或反之亦然，并且最终将中频变压器的输出再次转换为低频和/或转换为DC电压，以用于经由DC链路和最终反相器最终转换为低频AC信号。

典型的SST包括很多充分连接以获取期望电压和/或电流的转换器单元。例如，多个输入转换器可以串联连接以处理更高的输入电压，每个转换器向中频变压器供电，该中频变压器向相应AC到DC转换器级供电，该AC到DC转换器级向耦合到最终输出反相器的公共输出DC链路供电(或者对于从较低电压到较高电压的转换，反之亦然)。

例如，J.Huber、J.W.Kolar的“Common-Mode Currents in Multi-Cell Solid-State Transformers”(Proceedings of the International Power ElectronicConference,ECCE Asia(IPEC 2014),Hiroshima,Japan,May18-21,2014)中描述了固态变压器。

固态变压器的中频变压器很难冷却和绝缘。

因此，需要一种改善变压器冷却的固态变压器的中频变压器的装置。

发明内容

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定本发明的另外的实施例。

附图说明

图1示出了根据本公开的一些实施例的变压器装置。

图1A示出了根据本公开的一些实施例的变压器。

图1B示出了根据本公开的一些实施例的变压器装置。

图2示出了没有冷却管道的变压器装置以及上述装置的温度。

图3示出了根据本公开的变压器装置。

具体实施方式

固态变压器(SST)是中压(MV)转换器，其采用电力电子器件以通常高于50Hz的频率操作中频变压器(MFT)以缩小变压器尺寸。

中频变压器可以例如在5kHz至30kHz的范围内操作，特别是例如在20kHz下操作。固态变压器可以例如将中压(MV)转换为低压(LV)，或者反之亦然，例如固态变压器可以将通常在10kV至50kV之间或更高范围内的中压转换为高达1kV的低压，或者反之亦然。中压可以是例如在10kV至50kV之间或在10kV至100kV之间。例如，中压可以为10kV或20kV或30kV或50kV或100kV或大于100kV。

SST的典型应用是在与可再生能源相关的电网和发电厂中，例如在由太阳能和/或风能供电的电网中，和/或在存储系统中，比如包括电池和/或燃料电池和/或氢气生产的系统中。SST也可以用于为电动汽车充电和在数据中心中使用。

固态变压器(SST)通常包括多个转换器单元，每个单元具有中频变压器。中频变压器的尺寸小于在50Hz或60Hz下操作的变压器，具有相当的电气特性。由于多种原因，中频变压器的高效冷却是具有挑战性的：

-与在例如50Hz或60Hz下操作的变压器相比，中频变压器由于上述变压器的尺寸较小而难以冷却。

-在中频变压器中，很难保证被施加有MV的较高电压绕组的绝缘。

-由于难以实现足够有效的冷却剂流，因此难以有效地利用冷却剂的冷却能力。

-为每个中频变压器提供风扇和/或专用冷却系统增加了SST的尺寸、复杂性和成本。

-将中频变压器与转换器单元的电力电子固态组件一起冷却导致中频变压器与固态组件之间的热交换，这在稳定性和效率方面可能是不利的。

本公开描述了在保证中压绝缘(包括75kV或更高的线路绝缘)的约束下，通过将MFT放置在与SST的功率转换器热去耦的特殊冷却管道中来优化中频变压器冷却的设计。MFT可以根据用于固态变压器的装置中的任何方便的分组来分组。在一些实施例中，可以存在多个冷却管道，每个冷却管道冷却一堆MFT。

例如，6个MFT可以与1个冷却管道堆叠以用于冷却6个MFT，或者，备选地，6个MFT可以被分组为两个组/堆叠，每个组/堆叠包括3个MFT和一个冷却管道，从而导致2个冷却管道(每个组/堆叠一个)冷却6个MFT。

在一些实施例中，任何数目的MFT都可以方便地布置成由方便数目的冷却管道来冷却。

本公开的变压器装置可以与根据本公开和/或本领域已知的其他变压器装置相结合，以产生具有更多数目的变压器部分的装置，该装置是具有更方便特性的固态变压器的装置，例如具有更高的电流和/或电压额定值。根据本公开的多个变压器装置中的变压器可以被组合以串联和/或并联连接，从而产生更高的电流和/或电压。一个或多个冷却管道可以冷却一组或多组变压器。

本公开实现了中压SST的高效且低成本的冷却，以最小的复杂性提供了用于冷却和用于中压绝缘的简单设置。

固态变压器采用功率电子器件来操作在高于50Hz的频率下操作的中频变压器，例如在几kHz或几十kHz的频率下，例如在5kHz至30kHz之间的范围内的频率，例如20kHz。SST用于替换50Hz配电变压器。例如，SST可以用于将若干MW的功率传输到中频变压器比50Hz变压器小得多的中压(MV)AC电网。中频变压器的更小尺寸导致更小的占地面积、更低的重量和由于更少的材料成本而导致降低的成本。典型的应用涉及太阳能和/或风能可再生能源分配、电池、燃料电池和/或基于氢气的存储系统、电动汽车充电和数据中心。

典型的SST由转换器单元组成，通常采用低成本的低压(LV)电力电子器件。转换器单元串联和/或并联连接以实现期望的电压和电流。中频变压器通常提供中压电路与低压电路和/或接地的电绝缘。大量的低压转换器单元可以串联连接以处理整个中压电势差(作为固态变压器的输出或输入)。例如，在10kV电网中，每相需要多于10个1kV转换器单元，导致总共超过30个转换器单元，每个单元包含一个中频变压器，其中每个中频变压器需要套管和使中压与低压和/或地充分绝缘的距离。

MFT中的损耗与50Hz变压器中的损耗相当，但MFT的尺寸明显小于50Hz变压器的尺寸，典型的重量减少为5倍或更多。MFT的冷却明显比50Hz变压器的冷却困难，因为表面减少。

MFT必须提供中压绝缘，因此冷却系统必须考虑非常高的电场和高磁场变化。带有金属组件的冷却系统必须小心放置，以避免涡流。

很难以可靠的方式将散热器附接到MFT，因为大多数表面、尤其是MFT的线圈通常都不平坦。此外，由于MFT中的电磁场引起的涡流，MFT附近的散热器和/或金属翅片可能显著发热。

SST转换器柜内部通常有多个MFT，这些MFT必须在考虑到中压绝缘协调的情况下进行冷却。

当SST的电力电子器件与MFT热耦合并且每个转换器单元采用其自己的冷却系统时，所产生的复杂性导致转换器单元的尺寸和成本的增加，直到SST与传统变压器相比没有竞争力的程度。

本公开有利地使多个中频变压器与从转换器单元的功率转换器去耦的冷却管道接触。冷却管道允许在中压电绝缘的要求下实现MFT的最大功率密度，同时优化MFT的冷却，避免了针对SST中每个MFT的单独冷却系统。

本公开涉及变压器装置，特别是涉及固态转换器的中频变压器部分的变压器装置。

图1示出了根据本公开的一些实施例的变压器装置100。

根据本公开，提供了一种变压器装置100，该变压器装置包括：

多个102堆叠变压器，每个变压器101包括

变压器芯104，

缠绕在变压器芯周围的第一绕组106，

第二绕组108，

空间间隙110，被配置为允许通过流动在空间间隙中的冷却剂流体来冷却变压器；

支撑结构120，支撑多个堆叠变压器中的变压器；

其中支撑结构和多个102堆叠变压器中的变压器的空间间隙被配置为形成用于冷却剂流体的冷却管道130。

由此，考虑到高效冷却，冷却管道与多个堆叠变压器接触。多个堆叠变压器中的变压器的第一绕组和/或第二绕组可以具有被定向为平行于冷却管道的轴线并且平行于冷却剂流体的流动方向的轴线。

支撑结构120可以包括在多个堆叠变压器中的变压器之间的竖直壁和/或水平分隔板122。支撑结构120的水平分隔板122可以具有开口150以允许冷却剂流体在相邻变压器的空间间隙之间流动。开口150可以例如具有圆形或圆环的形状。冷却剂流由此由圆孔引导进入并且穿过多个堆叠变压器中的变压器的空间间隙。

堆叠式变压器通常是被容纳在机柜中的SST的MFT。

空气入口可以存在于机柜的底部，并且机柜和/或变压器装置的顶部上的风扇可以产生强制对流冷却。冷却管道与机柜内部的其他组件(例如，电力电子转换器和/或固态设备)热去耦。

在一些实施例中，冷却剂是空气。

在图1中，对于多个102堆叠变压器中的每个变压器101，第一绕组106和第二绕组108两者都被拆分成两个线圈，以形成第一绕组第一线圈、第一绕组第二线圈、第二绕组第一线圈和第二绕组第二线圈；并且第二绕组第一线圈和第二绕组第二线圈中的每个具有远离变压器芯延伸的两个套管140，特别地，所有套管可以基本上彼此平行并且远离变压器芯104延伸。

图1A示出了根据本公开的一些实施例的变压器。在图1A中，变压器101具有第二绕组108，该第二绕组具有由单个线圈形成的两个套管。

图1B示出了变压器装置100，其中多个120堆叠变压器由如图1A中所述的变压器101形成。

变压器可以具有带有高压套管的线圈，该高压套管远离变压器芯延伸，特别是垂直于线圈轴线和/或垂直于空气流动方向延伸。

支撑结构可以具有用于高压套管的开口160，该开口160可以与套管连接以形成气密连接，从而避免空气通过用于套管的开口160的泄漏。套管140允许MFT HV线圈在机柜的中压侧的冷却管道外部连接到转换器。

支撑结构120可以由非导电材料制成。例如，冷却管道和/或水平分隔板122可以采用不导电板来形成，以避免由于MFT附近的高频和大杂散磁场而产生的涡流。

所有变压器芯通常都处于地电位。

可选地，除了顶部的风扇170之外，可以存在每MFT一个风扇172从侧面吹送，该风扇附接到支撑结构的壁，该壁与包含用于套管的开口的壁相对。

因此，本公开允许MV SST转换器的高效并且简单的低成本冷却。

本公开提供了一种用于以最小复杂性冷却和绝缘MVT的简单设置。

本公开允许在SST中最大化MFT额定功率，以MFT的内部绕组与芯之间的间隙中的热点具有足够冷却剂流为目标。

在本公开的一些实施例中，变压器装置还包括用于形成固态变压器(SST)的固态转换器，其中多个堆叠变压器中的变压器被配置为在1kHz至100kHz之间、特别是5kHz至30kHz之间、特别是在20kHz的频率下操作，并且其中变压器装置被配置为使得冷却剂流体专门冷却多个堆叠变压器中的变压器。特别地，冷却剂流体可以不冷却固态变压器的固态组件(例如，IGBT、晶体管等)。

可以针对SST中的大量MFT采用单个风扇。

冷却管道与SST的电力电子组件热去耦。因此，本公开允许MFT冷却管道与其他SST组件的冷却系统的热去耦，例如SST的机柜中的转换器中包括的固态组件。

在一些实施例中，对于变压器装置中的每个变压器，套管可以远离变压器的变压器芯延伸。所有套管可以彼此平行并且在同一方向上延伸。套管允许MFT绕组在更高电位下与SST的转换器的电连接。套管可以延伸穿过支撑结构的竖直壁中的气密开口。当所有套管在同一方向上延伸时，在中压电位下，SST中与转换器的连接是简单而清晰的。

根据本公开的实施例的变压器装置可以形成用于通过在机柜内部的变压器装置中串联和/或并联连接若干变压器来可选地增加SST中的功率的构建块。因此，本公开的多个变压器装置可以彼此连接和/或连接到固态转换器，以形成变压器的串联和/或并联连接，从而形成具有增加的电压和/或电流容量的整体固态变压器。例如，根据本公开的一个或多个变压器装置可以用于三相SST中的每相。

耦合到本公开的冷却管道的若干MFT可以被视为用于通过在SST的机柜内部电并联或串联连接这样的风洞配置来可选地增加功率的构建块。

在一些实施例中，在水平分隔板中存在小的附加开口，以便增加冷却剂的体积，特别是冷却空气的体积。

图2示出了没有冷却管道的变压器装置以及上述装置的温度。尽管从所有侧面都有可用空气，并且顶部有风扇，但对于在10kV/1MW的转换器操作，在高度为2m的配置中，MFT的温度通常达到约220℃或更高，每MFT的芯损耗约为500W，每MFT的低压绕组损耗为462W，并且每MFT的高压绕组损耗为575W。

图3示出了根据本公开的变压器装置，其以与图2的装置类似的参数操作。MFT的最高温度保持在140℃以下。

图3示出了冷却剂流、特别是空气流集中在冷却管道中，并且MFT与机柜内部的电力电子器件热去耦。MFT内部的最高温度保持在140℃以下。整个配置高度为2米。

图3进一步示出了作为冷却剂流体的空气的速度，示出了空气流以均匀的速度集中在冷却管道中。

本公开提供了一种变压器装置100，包括：

多个102堆叠变压器，每个变压器101包括

变压器芯104，

第一绕组106，缠绕在该变压器芯周围，

第二绕组108，

空间间隙110，被配置为允许通过流动在空间间隙中的冷却剂流体对变压器的冷却；

支撑结构120，支撑多个堆叠变压器中的变压器；

其中支撑结构120和多个堆叠变压器中的变压器的空间间隙被配置为形成用于冷却剂流体的冷却管道130。

在一些实施例中，变压器装置被配置为使得冷却剂流体顺序地流过多个堆叠变压器中的变压器的空间间隙中的每个空间间隙。

在一些实施例中，第一绕组与变压器芯之间的电压差低于第二绕组与变压器芯之间的电压差，并且空间间隙位于变压器芯与第一绕组之间；和/或空间间隙位于第一绕组与第二绕组之间。

在一些实施例中，第二绕组缠绕在第一绕组周围。

在一些实施例中，对于每个变压器，第一绕组和第二绕组两者都被拆分成两个线圈，以形成第一绕组第一线圈、第一绕组第二线圈、第二绕组第一线圈和第二绕组第二线圈；并且第二绕组第一线圈和第二绕组第二线圈中的每个具有远离变压器芯延伸的两个套管140，特别地其中所有套管140基本上彼此平行并且远离变压器芯104延伸。

在一些实施例中，对于每个变压器，第二绕组由具有两个套管140的线圈形成，特别地两个套管可以平行并且远离变压器芯104延伸。

在一些实施例中，支撑结构120包括在多个102堆叠变压器中的变压器101之间的竖直壁和/或水平分隔板122，水平分隔板122具有开口150以允许冷却剂流体在变压器的空间间隙110之间的流动，特别地其中开口150与空间间隙110的一部分匹配，特别地其中开口具有圆形或圆环的形状。

在一些实施例中，支撑结构由不导电材料制成。

在一些实施例中，变压器结构还包括位于顶部的用于产生流过变压器的空间间隙110的气流的至少一个风扇170；并且冷却剂流体是空气。

在一些实施例中，支撑结构具有用于高压套管140的开口160、特别是用于远离变压器芯104延伸并且耦合到变压器的第二绕组的平行高压套管140的开口，特别地其中开口在支撑结构120的竖直壁中。

在一些实施例中，用于高压套管的开口160被配置为与套管140形成气密连接以避免空气通过开口的泄漏。

在一些实施例中，支撑结构还包括每变压器一个横向风扇172，横向风扇附接到支撑结构120的与用于高压套管的开口160相对的壁；并且变压器装置被配置为使得横向风扇在冷却管道130中吹送流入变压器的空间间隙110中的空气。

在一些实施例中，支撑结构包括辅助开口，辅助开口被配置为增加在装置中的变压器的空间间隙中和/或变压器周围流动的冷却空气的体积；特别地辅助开口位于变压器之间的水平分隔板中。

在一些实施例中，变压器装置还包括用于每个变压器的螺旋引导件，螺旋引导件被配置和成形用于冷却变压器，并且被放置在空间间隙中，使得冷却剂流体在空间间隙中由螺旋引导件引导，冷却剂与变压器芯和/或第一绕组直接接触。

在一些实施例中，变压器装置还包括用于形成固态变压器的固态转换器，其中多个堆叠变压器中的变压器被配置为在1kHz至100kHz之间、特别是5kHz至30kHz之间、特别是为20kHz的频率下操作，并且其中变压器装置被配置为使得冷却剂流体专门冷却多个堆叠变压器中的变压器。

本公开还提供了一种用于冷却根据本公开的变压器装置的方法，方法包括：

使冷却剂在冷却管道中流动，冷却剂顺序地流入多个堆叠变压器中的变压器的空间间隙中。