10kV電網(wǎng)用電子變壓器主電路的研發(fā)

白云飛

摘 要 隨著大功率全控型電力電子器件的工業(yè)應(yīng)用、新型拓?fù)潆娐泛拖鄳?yīng)控制技術(shù)的發(fā)展，一種通過電力電子電路實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞的新型變壓設(shè)備——電子電力變壓器得到了越來越多的關(guān)注。本文對(duì)10kV電力電子變壓器的兩種主電路進(jìn)行了對(duì)比，提出了10kV電力電子變壓適合的主電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)電路電子變壓器前中后三級(jí)結(jié)構(gòu)中所示宜采用的電路進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】鏈?zhǔn)诫娐?電力電子變壓器 電壓源型換流器

1 引言

隨著大功率全控型電力電子器件的工業(yè)應(yīng)用、新型拓?fù)潆娐泛拖鄳?yīng)控制技術(shù)的發(fā)展，一種新型變壓設(shè)備——電子電力變壓器得到了越來越多的關(guān)注。

電子電力變壓器又稱固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）是一種融合了電力電子變流器和高頻隔離變壓器的變電設(shè)備，它通過電力電子變換技術(shù)和高頻變壓器的磁耦合實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換、能量傳遞和不同電壓系統(tǒng)之間電氣隔離。電力電子變壓器在解決電能質(zhì)量問題、提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性上具有明顯的優(yōu)勢和傳統(tǒng)電力變壓器無法比擬的功能。10kV配電網(wǎng)用電力電子變壓器是目前該領(lǐng)域應(yīng)用研究的主要方向。

2 10kV電力電子變壓主電路

隨著多重化電力電子拓?fù)涞陌l(fā)展，新型的鏈?zhǔn)蕉嚯娖綋Q流器和模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)成熟為電力電子變壓的發(fā)展提供了新的技術(shù)支撐，從根本上解決電力電子變壓器接入高電壓等級(jí)電網(wǎng)的限制，同時(shí)使電力電子變壓器具備了對(duì)不同電壓等級(jí)側(cè)的電壓、電流以及有功功率、無功功率的靈活調(diào)節(jié)的能力。

新型的電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)采用高壓工頻交流-直流-高頻交流-高頻交流-直流-低壓工頻交流結(jié)構(gòu)。其中，接入高壓電網(wǎng)的電路為其前級(jí)電路，起到隔離作用的直流-高頻交流-高頻交流-直流為中間級(jí)電路，接入低壓電網(wǎng)的電路為后級(jí)電路。

10kV電力電子變壓器前級(jí)電路主要有這兩種類型。這兩種電力電子變壓器的主要區(qū)別在于其前級(jí)電力分別采用了MMC電路和鏈?zhǔn)诫娐贰２捎肕MC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器由于前級(jí)電路采用了MMC電路的原因，使得采用此結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器的前級(jí)電路可以工作在極低的開關(guān)頻率下，可以大大的減小電力電子變壓器前級(jí)電路的開關(guān)損耗，從而提高電力電子變壓器的運(yùn)行效率，同時(shí)由于這種電路結(jié)構(gòu)中間級(jí)并聯(lián)的數(shù)量較少，可減少一定的設(shè)備成本。

采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的電力電子變壓器，中間級(jí)電路的模塊數(shù)量較多，這樣不利于降低設(shè)備成本，但是同容量條件下，由于并聯(lián)模塊數(shù)量較多，有助于降低單臺(tái)高頻變壓器的容量，從而減低變壓器尺寸，提高功率單元的模塊化設(shè)計(jì)水平。另外，一方面由于MMC電路中接入電抗器的數(shù)量是鏈?zhǔn)诫娐返膬杀叮黾恿酥麟娐返某杀荆灰环矫嬗捎谠?0kV電壓等級(jí)中MMC串聯(lián)模塊的數(shù)量較少，為了改善輸出波形，MMC結(jié)構(gòu)在調(diào)制方法上應(yīng)采較高的開關(guān)頻率，因此在高電壓系統(tǒng)中MMC單個(gè)鏈接開關(guān)損耗小的優(yōu)勢，在10kV電力電子變壓器應(yīng)用領(lǐng)域不能體現(xiàn)。兩種電力電子變壓的結(jié)構(gòu)各具優(yōu)點(diǎn)，就10kV電壓等級(jí)的應(yīng)用背景而言，前級(jí)電路基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的電力電子變壓器更加具有優(yōu)勢。

基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的10kV電力電子變壓是目前學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用研究中最受關(guān)注的主電路拓?fù)洹Ｔ谶@種電路的電力電子變壓器，其前級(jí)電路采用鏈?zhǔn)诫娐方Y(jié)構(gòu)，中間級(jí)電路采用雙有源橋式變換電路（Dual-active-bridge， DAB），后級(jí)電路采用三相橋式逆變電路。

3 10kV電力電子變壓器的前級(jí)電路

根據(jù)換流器三相接線方式的不同，電力電子變壓器前級(jí)電路所采用的鏈?zhǔn)诫娐房梢苑譃椤癥”接法和“Δ”接法兩類。當(dāng)接入相同電壓等級(jí)的電網(wǎng)時(shí)，“Δ” 接法的鏈?zhǔn)诫娐吠癥”接法的鏈?zhǔn)诫娐废啾瘸杀据^高，但是采用相同容量的鏈結(jié)時(shí)，“Δ”能夠?qū)崿F(xiàn)更大的輸出容量。在接入電壓相同的條件下，如果電力電子變壓器的設(shè)計(jì)容量較小時(shí)，采用“Y”接法的前級(jí)電路經(jīng)濟(jì)性更好，而在設(shè)計(jì)容量較大時(shí)則應(yīng)采用“Δ”接法的前級(jí)電路。

電力電子變壓器在電網(wǎng)中是一個(gè)串聯(lián)設(shè)備，而鏈?zhǔn)絊TATCOM是并聯(lián)設(shè)備，所以電力電子變壓器的電路要求必須具有更高的可靠性。為了保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性，電力電子變壓器的高壓側(cè)鏈?zhǔn)诫娐繁仨毧紤]一定的冗余度設(shè)計(jì)，其前級(jí)電路中需要留有一定數(shù)量的熱備功率單元。熱備功率單元能夠在工作的功率單元發(fā)生故障時(shí)快速的投入工作，保證電路電子變壓器能夠繼續(xù)工作。

4 10kV電力電子變壓器的后級(jí)電路

電力電子變壓器的后級(jí)電路通常有多個(gè)輸出電路，這些后級(jí)輸出電路的直流側(cè)都并聯(lián)在電力電子變壓器的后級(jí)電路的直流母線上，從而可以更加容易地實(shí)現(xiàn)多輸入或多輸出支路的擴(kuò)展。

10kV電力電子變壓器的后級(jí)電路接入的電力系統(tǒng)380V低壓電網(wǎng)。在該電壓等級(jí)的電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)采用了三相三線制和三相四線制兩種線路結(jié)構(gòu)，因此電力電子變壓器的后級(jí)電路中的輸出電路必須能夠適合接入不同線路結(jié)構(gòu)的380V電網(wǎng)。電力電子變壓器的后級(jí)電路中的輸出電路可采用兩電平全橋電路或三電平全橋電路。

5 10kV電力電子變壓器的中間級(jí)電路

考慮電力電子變壓器中需要實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，因此電力電子變壓器中間級(jí)的基本電路單元為雙有源橋式變換電路。

雙有源橋式變換電路是近年來研究較多的一種典型的雙向DC-DC變換器，這類變換器由兩個(gè)IGBT單相橋式變換單元、諧振電抗器和隔離變壓器組成。由于雙有源全橋雙向 DC-DC變換器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，采用移相控制可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。

6 結(jié)論

本文對(duì)電力電子變壓器主電路的電路拓?fù)涞陌l(fā)展和演變過程進(jìn)行簡單歸納總結(jié)后，對(duì)10kV電力電子變壓器的兩種主電路進(jìn)行了對(duì)比，提出了10kV電力電子變壓適合的主電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)電路電子變壓器前中后三級(jí)結(jié)構(gòu)中所示宜采用的電路進(jìn)行了分析，提出了適合的電路結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧衛(wèi)華，張波，胡宗波.電子電力變壓器電路拓?fù)渑c控制策略研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（20）：40-44.

作者單位

1.西安西電自動(dòng)化控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司 陜西省西安市 710049

2.特變電工西安電氣科技有限公司 陜西省西安市 710049endprint