MMC電力電子設備的結構設計

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，以柔性直流輸電產品為代表的新興電力電子技術得到了廣泛應用，并呈現高電壓、大容量的發展趨勢[1]。這些發展趨勢促使了功率器件電壓、電流等級不斷攀升，導致設備與冷卻系統容量、體積日趨龐大，設備占地、環保等經濟性問題以及現場施工、設備運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柔性直流輸電工程，也是中國第一條擁有完全自主知識產權的柔性直流輸電線路[2]，該工程將上海南匯風電場所發電傳輸并接入上海電網。自2011年該工程投入運行以來，我國又陸續設計建設了多個柔性直流工程，這些工程總體呈現出高電壓、大容量、多端接入等發展趨勢。如何使電力電子設備具有優異的電氣與機械性能以及良好的生產工藝性、現場可維護性成為了結構設計的新目標。

本文以模塊化多電平變換器(modular multilevel converter，MMC)模塊為研究對象，闡述電力電子設備結構的設計思路。

1 電路拓撲與組成部分

電路拓撲也稱電路的結構圖，是產品結構設計的基本依據。結構設計中在考慮元器件電氣連接順暢的同時，還必須考慮每個實物的結構特征，尤其是體積與質量。圖1是MMC模塊的抽象電路拓撲與組成實物的對照圖(其中粗線部分為電路拓撲)。

圖1 拓撲與實物對照關系

2 重要組成部分的特點與問題

2.1 C——電容器

電容器主要功能是儲存與釋放電能，同時為模塊控制電路提供電源。電容器隨著容量的增大，其體積和質量會大幅度增加，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，結構設計時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的作用，是模塊的核心器件，價格高、體積小。產品設計時必須考慮以下3個因素：

1)一個MMC模塊可能包含數個功率器件。功率器件工作時會產生一定的損耗，這部分損耗轉換為熱能，需要通過(水冷或風冷)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會造成功率器件損壞，甚至爆炸，必須通過合理地設計、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中進行集中冷卻，有些工程還冗余設計有兩套水冷系統。水冷系統占地面積大、成本高，需要盡可能優化設計以提高其效率，降低工程造價。

2.3 L——電路連接

電路拓撲中電路連接通過疊層母排與銅排來實現，二者特點如下：

疊層母排利用高性能絕緣材料，可以在結構緊湊的情況，具備強絕緣能力，有效減小空間占用，節約模塊空間[3]；同時，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量眾多，通過合理地選用銅排與疊層母排，可以提高產品的經濟性。

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鍵部分，相對于柔性直流閥廳電磁環境而言，控制電路的電信號屬于弱電信號，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境變得愈加嚴酷，提高模塊EMC性能是一項必須考慮的問題。

3 結構設計解決方案

3.1 電容器

經過多年的產品測試發現，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、旁路開關等)兩部分進行分離式設計，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、拆卸；兩部分通過疊層母排進行快速連接。

圖2 分離式設計示意圖

當模塊頭出現故障時，只需要將模塊頭拆卸檢修或更換，無需將整個MMC模塊從柔性直流閥塔上取出。該分離式設計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模塊維護不便的問題，可提高設備輸電功率與效率，設備可維護性好[4]。

3.2 功率器件與散熱器

3.2.1 設計與裝配工藝要求

為了使功率器件與散熱器結合更緊密，同時減少熱阻，提高散熱效率，散熱器安裝面的表面粗糙度設計要求應不大于1.6μm。

裝配過程中，接觸面應涂抹硅脂或硅油以填充細微間隙、增加接觸面積，同時還起到隔絕空氣、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MMC模塊包含多個功率器件時，功率器件之間的相對位置存在兩種布置方式，即相對布置和同側布置。相對布置是指功率器件面對面布置，散熱器分別位于功率器件的背面，同側布置則是所有功率器件都位于散熱器的一側。

產品設計時，相對布置具備結構緊湊勻稱、靈活性好的優點，應用在早期MMC模塊設計中。但在工程試驗及測試中，發現相對布置有一些比較嚴重的問題。如圖3所示，當功率器件爆炸時，會影響對面的正常器件；散熱器連同水管接頭也會產生水平位移，甚至會使水管松脫。水管松脫將導致滲水、漏水，其影響范圍不可控，嚴重的還會導致整個設備停運。而同側布置則不存在此問題，當功率器件爆炸時，模塊內應力首先破壞外殼，使外殼產生位移、變形，從而釋放掉大部分模塊內應力，使模塊與水路受到的影響降到最低。

圖3 布局對水路的影響

因此，散熱器應盡量放在模塊的同一側，功率器件朝向也應該保持一致，避免相對布置。

3.2.3 散熱器的水路連接

模塊與主水路連接有并聯與串聯兩種方式。假設圖4中每片散熱器流量相同，那么并聯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，主水管直徑越大會導致制造難度與成本增加。而串聯方案中，主水管進口與出口之間水壓差隨散熱器串聯個數增加而增加，因此串聯方案會導致主水路壓力增加。

圖4 多種水路連接方案

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

此外，在串聯方案中還可以通過調整連接點次序達到控制功率器件溫升的目的。如圖5所示，假設進、出口水溫均為恒定值，進口水溫最低，出口水溫最高，每個功率器件損耗相同。

串聯調整前散熱器溫度依次上升，TS1

串聯調整后，冷卻水流路徑因連接次序的變化，使TS1

圖5 方案改進

3.3 電路連接

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

在銅排應用場合，銅排雖然不能像疊層母排那樣設計成復雜的形狀，但在設計中也應盡可能遵循這兩個原則，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，功率器件相對布置會使導體間距增加，而同側布置有利于將疊層母排設計成一體，從而使得導體間距降到最低。同側布置在降低導體雜散電感方面同樣具有一定的優勢。

3.4 控制電路

當弱電控制信號處于強電環境中時，可以通過分層屏蔽的結構設計大幅提高MMC模塊控制電路的抗干擾能力，從而提升設備的運行可靠性，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計布置在模塊頭同一側，用金屬材質外殼將控制電路整體封閉。對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電線纜的交叉，從而降低各種電信號的耦合。

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，自然地形成了第二層金屬屏蔽。

從圖7同類設備仿真數據可以看出，使用分層屏蔽設計后，弱電區域電場強度從1.13×105V/m降低到3.60×104V/m，減少約68%。

圖7 仿真圖

4 結束語

伴隨南京南瑞繼保電氣有限公司在新興電力電子設備業務上的拓展，作者參與了各種電力電子設備結構的研發工作，尤其是針對MMC模塊的設計，通過不斷地對比、嘗試各種設計，總結出本文所述的設計經驗與解決方案，這些經驗與方案不僅可應用在柔性直流設備中，還可應用于無功補償、直流融冰、靜止無功發生器、統一潮流控制器等設備。