基于固態變壓器的移動變電站綜合性能提升方法

高美金 狄 謙 王婷婷 黃江倩 孟凡剛

基于固態變壓器的移動變電站綜合性能提升方法

高美金1狄 謙2王婷婷1黃江倩1孟凡剛3

（1. 國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院 杭州 310000 2. 河南平高電氣股份有限公司 平頂山 467001 3. 哈爾濱工業大學電氣工程學院 哈爾濱 150001）

為減小移動變電站中主變壓器的體積和質量，提高移動變電站的高壓側電能質量，提出一種用于移動變電站的固態變壓器拓撲。所提出的固態變壓器由AC-AC變換器、高頻多脈波整流器、工頻逆變器三部分組成，該文首先分析了AC-AC變換器的工作原理，并從降低開關損耗的角度出發，設計其控制策略；然后從磁路和電路對稱的角度出發，設計用于高頻多脈波整流器的移相變壓器，并應用開關函數法計算固態變壓器的輸入電流和輸出電壓；最后設計固態變壓器中AC-AC變換器的控制和驅動電路，搭建了移動變電站的縮比仿真和實驗平臺。仿真和實驗結果表明，使用固態變壓器代替傳統的工頻主變壓器后，主變壓器體積減小了三分之二，其體積和質量得到顯著降低；使用所設計的三相五芯柱變壓器作為移相變壓器后，固態變壓器的輸入電流總諧波畸變率（THD）值由22%降到了16%，有效提高了移動變電站的電能質量。

移動變電站 固態變壓器 AC-AC變換器 高頻多脈波整流器 移相變壓器

0 引言

移動變電站具有容量配置和選址靈活、快速移動性、結構緊湊、可快速并網等優點，能夠有效彌補地區性、時段性的電力供應不足，在事故搶修、自然災害救援、變電站負荷轉供、鐵路牽引等場合得到了越來越廣泛的應用[1-2]。主變壓器容量大（功率密度低）及大量一次設備和二次設備導致的移動變電站整體體積大（超寬、超重、超高）等不足一直影響著移動變電站的現場投運[3-4]。

現有移動變電站包括主變壓器模塊、自動控制保護模塊、中壓配電模塊及運輸車輛等[2]。考慮運輸和安裝方便性的要求，移動變電站各組成部分要盡可能小型化、模塊化，尤其是主變壓器的小型化。主變壓器工作在工頻狀態，在大功率場合，其鐵心體積大，是導致移動變電站整體體積大的主要原因。在保證容量的前提下，主變壓器的小型化和緊湊化設計可以減輕其質量和壓縮其占用的空間[3]。近年來，有學者提出了使用自耦變壓器代替傳統的隔離型主變，自耦變壓器各繞組之間交互連接，通過磁耦合傳遞的功率僅占負載功率的一小部分，這會顯著降低變壓器的體積和容量[5-6]。但是，自耦變壓器的輸入與輸出端之間沒有電氣隔離，當其應用于輸出與輸入電壓等級差別比較大的場合時，會存在安全問題。另一方面，傳統主變壓器功能單一，僅有電壓等級變換和電氣隔離功能。為實現電能質量管理，移動變電站需配備電能質量控制裝置，如交流側無功補償及諧波抑制裝置，這也增加了移動變電站的體積和質量[7]。

固態變壓器集成了電力電子變換器和高頻變壓器，不僅具有傳統交流變壓器的電壓等級變換和電氣隔離功能，同時具有交流側無功補償及諧波抑制、可再生能源/儲能設備直接接入、端口間故障隔離等功能[9-14]。與集成了工頻變壓器及電能質量治理功能的傳統移動變電站相比，固態變壓器在效率、成本、功率密度和電能質量管理等方面具有明顯優勢，特別適用于移動變電站[14]。現有三相高頻隔離變壓器與電力電子變換器相結合組成固態變壓器時，由于磁路和電路結構不對稱，導致固態變壓器輸入電能質量較低。為此，本文提出一種應用于移動變電站的固態變壓器拓撲，該拓撲由AC-AC變換器、高頻多脈波整流器和工頻逆變器三部分組成。所提出的固態變壓器使用高頻多脈波整流器中的移相變壓器作為主變壓器，有效降低了主變壓器的體積和質量；移相變壓器使用三相五芯柱鐵心，保證了磁路的對稱；移相變壓器的二次繞組結構使用延邊三角形聯結，保證了電路的對稱；AC-AC變換器使用方波控制，有效降低了開關損耗。上述研究有效提高了固態變壓器的綜合性能。

1 基于固態變壓器的移動變電站拓撲與工作原理分析

1.1 移動變電站的主電路拓撲

圖1所示為基于固態變壓器的移動變電站的主電路拓撲。圖1中，固態變壓器由AC-AC變換器、高頻多脈波整流器、工頻逆變器三部分組成。與傳統的隔離型主變壓器相比，圖1中高頻多脈波整流器所用的移相變壓器工作于高頻狀態，所需鐵心材料少，其體積和質量大幅降低；該移相變壓器采用三相五芯柱形式，二次繞組為延邊三角形聯結，有效解決了三芯柱移相變壓器繞組結構不對稱和磁路不平衡的問題；同時，AC-AC變換器中的H橋使用SiC MOSFET，能夠有效提高AC-AC變換器的效率。

1.2 AC-AC變換器的工作原理分析

圖1中，AC-AC變換器由單相二極管整流橋和H橋組成，可實現低頻交流電到高頻交流電的頻率變換；當輸入電壓較高時，AC-AC變換器可采用級聯形式。在頻率變換過程中，使用等占空比的高頻方波信號對H橋進行控制，將網側工頻電壓切分為高頻電壓，使用方波控制有利于降低H橋的開關損耗。圖2所示為AC-AC變換器的開關函數波形。圖2中，adio為單相二極管整流橋的開關函數，aIGBT為H橋的開關函數，w為AC-AC變換器的開關函數。

根據圖2，可得AC-AC變換器開關函數為

式中，ωs為高頻方波信號的角頻率。

圖2 AC-AC變換器各部分的開關函數波形

1.3 高頻多脈波整流器的工作原理分析

圖1中，高頻多脈波整流器由三相五芯柱移相變壓器和兩組三相整流橋組成，其功能是將AC-AC變換器輸出的高頻交流電進行整流。三相五芯柱移相變壓器的主要功能有三個：提供電氣隔離；升降壓；對AC-AC變換器的輸出電壓進行移相，輸出兩組存在30o相位差的三相電壓。圖3所示為三相五芯柱移相變壓器的繞組結構及其相量圖。三相五芯柱移相變壓器帶有兩個旁軛芯柱，可為零序磁通提供流通通道，從而減少電路中的零序電流。

為便于分析，假設圖3b中二次側輸出電壓的幅值為單位1，延邊繞組的電壓幅值為1，二次側三角形繞組的線電壓幅值為2。

為使移相變壓器輸出的兩組三相電壓存在30°的相位差，1和2應為

由式（2）可得

結合圖3a，移相變壓器的電壓比與其繞組的匝數關系應為

由式（2）和式（4）可知，根據整流器對移相變壓器移相角的要求，可計算出1和2的大小；依據整流器對移相變壓器升降壓的要求，可確定電壓比。

2 固態變壓器的輸入電流與高頻多脈波整流器的輸出電壓分析

2.1 固態變壓器的輸入電流分析

圖3中，根據KCL和安匝平衡原理，可得

式中，a、b、c為三相五芯柱移相變壓器的一次繞組電流；21、22、23、a1、b1、c1、31、32、33、a2、b2、c2為各二次繞組電流。

可以證明，a、b、c與固態變壓器的輸入電流相等，限于篇幅問題，此處不再證明。

式（5）中，各繞組電流為

根據開關函數的定義，可得高頻移相變壓器的六相輸出電流為

式中，a1、b1、c1、a2、b2、c2分別為兩組三相整流橋各相的開關函數。

假設工頻逆變器的輸入電流恒定，為d，則兩個三相整流橋的輸出電流為

將式（6）、式（7）代入式（5），可得整流器的輸入電流為

根據式（8）及兩組三相整流橋各相的開關函數，可計算固態變壓器輸入電流的Fourier級數表達式。以a相為例，其Fourier級數為

=1, 2, 3, … （10）

根據式（10），在Matlab中可繪制輸入電流的波形，如圖4所示。由圖4可知，固態變壓器的輸入電流為12階梯波，與12脈波整流器相同，這表明固態變壓器輸入端的AC-AC僅起到提高三相五芯柱移相變壓器輸入電壓頻率的目的，而對固態變壓器的輸入電流沒有影響。

圖4 固態變壓器的a相輸入電流

2.2 高頻多脈波整流器的輸出電壓分析

假設固態變壓器的三相輸入電壓為

式中，為輸入相電壓的有效值；為三相交流電源的角頻率。

根據圖1、圖3和式（1）、式（5），可得移相變壓器二次繞組的輸出電壓為

根據調制理論，兩個二極管整流橋的輸出電壓為

式中，d1、d2為兩個整流橋的輸出電壓。

將式（12）代入式（13），可得

式中，=1, 2, 3…。

根據KVL，高頻多脈波整流器的輸出電壓為

將式（14）代入式（15），可得高頻多脈波整流器的輸出電壓為

根據式（16），在Matlab中繪制輸出電壓的波形，如圖5所示。由圖5可知，在一個電源周期內，高頻多脈波整流器的輸出電壓含有12個波頭，與傳統工頻12脈波整流器相同。

AC-AC變換器由單相二極管整流橋和H橋組成，經過單相不控整流和固定占空比控制的全橋逆變后將50Hz的低頻交流電轉換為500Hz的高頻交流電，產生了式（1）中以開關函數w表示的高頻電壓諧波，高頻電壓諧波經移相變壓器為兩組三相整流橋供電，AC-AC變換器的開關函數與后級三相二極管整流橋的開關函數相乘后，消去了高頻方波函數w，從而使圖5中高頻多脈波整流器的輸出電壓與工頻多脈波整流器相同。根據以上分析可知，AC-AC變換器與移相變壓器共同作用產生了高頻諧波信號，而這些高頻諧波信號與后級三相整流橋產生的諧波信號相互抵消，整流器中只剩下由三相整流橋二極管非線性所產生的12±1次諧波。

圖5 高頻多脈波整流器的輸出電壓

3 AC-AC變換器的控制與驅動電路設計

AC-AC變換器的控制部分由電壓相位采樣電路、控制信號生成電路和驅動電路組成。

為精確控制AC-AC變換器中開關器件的通斷，需采樣移動變電站的輸入電壓相位。本文中，采樣電路由單相同步變壓器DTB3515和同向電壓跟隨器構成，如圖6所示。

圖6 電壓相位采樣電路

圖6中，DTB3515檢測輸入電壓，并隔離強、弱電信號；同向電壓跟隨器使用LF353P運算放大器，其可隔離同步電壓信號和控制器。若主電路發生短路，LF353P將首先被擊穿，輸出直流信號給控制器，避免過電流信號對控制器輸入端口的沖擊，提高了采樣電路的容錯率。圖7所示為電壓采樣波形，a的有效值為120V，采樣電壓in為6V。

圖7 電壓相位采樣波形

由圖2可得

根據圖3和式（17），可繪制各相AC-AC變換器中H橋的開關函數，如圖8所示。圖8中，SaIGBT、SbIGBT、ScIGBT分別為a、b、c相AC-AC變換器中H橋的開關函數。由圖8可知，當S=1時，VT1和VT4導通；當S=-1時，VT2和VT3導通。

根據圖8所示的H橋的開關函數，可以得到控制算法的Simulink模型，如圖9所示。圖9中，控制器通過單相鎖相環獲取采樣電壓信號的相位信息，經查表模塊完成方波信號的生成功能。

為降低實現難度，本文中控制信號由NI公司的快速控制原型（Rapid Prototype Control，RCP）實現。該算法模型首先在Matlab中編譯為C語言底層代碼，然后下載至MT RCP硬件控制器中，該控制器與實物硬件構成閉環，完成控制算法的實時運行。MT RCP硬件控制器的CPU結合FPGA的架構，K7-160T FPGA芯片的IO延遲低至ns級，可滿足控制需求。電壓相位采樣電路將幅值和相位信息送入控制器，經CPU運算，可生成相應的控制信號。圖10所示為控制器輸出的AC-AC變換器的a相控制信號波形。

圖1中，H橋的開關器件端電壓等于二極管整流橋的輸出電壓，其峰值為高頻多脈波整流器輸入電壓的峰值，電流峰值為輸入電流的峰值。在本節中，假設高頻多脈波整流器的輸入電壓峰值為170V，電流最大值為5A，工作頻率為500Hz。考慮到開關器件開通和關斷期間的過電壓和過電流，本文選取英飛凌公司的IHW30N60T（600V, 30A）作為H橋的開關管。為正常驅動IHW30N60T，選取落木源公司的TX-KA103大功率IGBT驅動器作為驅動電路的主體。圖11所示為驅動模塊的電路。

圖9 控制算法的Simulink模型

圖10 AC-AC變換器的a相控制信號

圖11 驅動電路

圖12所示為驅動電路的輸出波形。由圖12可知，驅動電路可準確跟蹤控制信號，穩定輸出+15V和-8V的驅動信號。

圖12 AC-AC變換器的驅動信號

4 仿真與實驗驗證

為了驗證上述理論分析的正確性和有效性，本文設計了移動變電站的縮比實驗平臺，并進行了相應的仿真和實驗驗證。仿真和實驗條件如下：①固態變壓器的容量為1.6kV·A；②固態變壓器的控制由Modeling Tech公司的StarSim RCP(Rapid Control Prototype)控制器實現；③AC-AC變換器輸出電壓的頻率為500Hz，即三相五芯柱移相變壓器的輸入電壓頻率為500Hz；④移動變電站的輸入相電壓有效值為120V；⑤工頻逆變器使用阻性負載代替，阻值為25Ω。同時，為便于對比，本文設計了使用Y/Y/D三相三芯柱移相變壓器的固態變壓器。

圖13所示為三相五芯柱移相變壓器和工頻變壓器的體積和質量。根據1.6kV×A的縮比固態變壓器分析計算，三相五柱變壓器的體積、質量均為工頻變壓器的1/3左右。

從結構形式上來說，隨著電壓等級和容量的增加，移動變電站需拆分為開關、變電、配電三部分，分別安裝于三個不同的車載平臺上，即三車裝載；在某些對電能質量要求比較嚴格的場合，還需要無功補償車。三車裝載雖然增加了移動變電站容量和功能配置的靈活性與機動性，但是無法從根本上降低主變壓器的質量和高度，反而降低了響應速度，增大了移動變電站的占地面積。固態變壓器還具有無功補償/諧波抑制、故障隔離等功能，即使用固態變壓器后，可以不再使用移動變電站中原有的電能質量治理設備和與繼電保護相關的一次、二次設備，主變壓器體積與質量的降低也極大地節省了空間，因此，基于電力電子變壓器的新型移動變電站可將高壓開關、變電、配電三部分集中到一個車載平臺上；相比于傳統的三車裝載移動變電站，基于電力電子變壓器的新型移動變電站只需一車裝載，其體積與占地面積均降低了2/3左右，顯著提高了移動變電站的靈活性與響應速度。

圖13 三相五芯柱移相變壓器和工頻變壓器的實物圖

圖14和圖15分別為使用三相五芯柱移相變壓器和三相三芯柱移相變壓器時的固態變壓器輸入電流及其質量分析圖。對比圖14和圖15可知，使用三相五芯柱移相變壓器時，三相輸入電流波形較為對稱，輸入電流THD值為16%左右；使用三相三芯柱移相變壓器時，輸入電流THD值為22%左右。這表明三相五芯柱移相變壓器的電路和磁路的對稱性更好，提高了電能品質。

圖15 使用三相三芯柱移相變壓器時的固態變壓器輸入電流及其電能質量分析

圖16所示為高頻多脈波整流器的輸出電壓和電流。在一個電源周期內，輸出電壓和電流含有12個波頭，實驗過程中，由于固態變壓器的開關作用，輸出電壓和電流中含有較多毛刺。

圖17所示為固態變壓器的效率實測圖。由圖17可知，該固態變壓器的實測效率為94.9%。使用SiC器件后，功率開關器件的損耗會有所降低，使固態變壓器具有較高的效率。若移相變壓器使用性能更優的鐵心材料，如非晶硅或者鐵氧體，其效率還會有所提高。

圖16 高頻多脈波整流器的輸出電壓和和電流

圖17 固態變壓器的效率實測圖

5 結論

本文提出了一種應用于移動變電站的固態變壓器拓撲，使用該拓撲，可顯著降低主變壓器的體積和質量，并可以提高移動變電站的輸入側電能質量。所提出的固態變壓器包含AC-AC變換器、高頻多脈波整流器、工頻逆變器等三部分組成。為提高固態變壓器的輸入電能質量，高頻多脈波整流器使用三相五芯柱隔離變壓器作為移相變壓器，有效提高了變壓器的磁路對稱性；該變壓器的二次繞組采用延邊三角形聯結，有效提高了變壓器的電路對稱性。同時，為提高固態變壓器的能量變換效率，AC-AC變換器中功率開關器件使用了SiC MOSFET。實驗結果表明，使用三相五芯柱移相變壓器后，固態變壓器的輸入電流THD值由22%降到了16%，能量變換效率達到了94.9%。

由于實驗條件所限，本文所設計的固態變壓器容量較小，僅進行了功能性測試，后續工作中需設計大容量的固態變壓器，并對級聯形式的AC-AC變換器的控制策略、高頻多脈波整流器中的高頻變壓器等進行優化設計。

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Improving the Comprehensive Performance of Mobile Substation Based on Solid State Transformer

Gao Meijin1Di Qian2Wang Tingting1Huang Jiangqian1Meng Fangang3

（1. State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd Hangzhou 310000 China 2. Henan Pinggao Electric Co. Ltd Pingdingshan 467001 China 3. School of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

In order to reduce the volume and weight of the main transformer, and to improve the input power quality of mobile substation, this paper proposes a solid state transformer topology used in the mobile substation. The proposed mobile substation comprises a AC-AC converter, high-frequency multi-pulse rectifier, and a line-frequency inverter. The operating principle of the AC-AC converter is analyzed, and its control strategy is designed from reducing its switching losses. The phase-shifting transformer used in the high-frequency multi-pulse rectifier is designed from the symmetry of magnetic and electric circuit, and the input current and output voltage of the solid state transformer are also calculated based on the switching function. The control and drive circuit of the AC-AC converter is designed, and the scaling simulation and experimental platform is also setup. The simulation and experimental results show that volume of the main transformer reduced to 1/3 of that of the line frequency transformer under the same kV·A rating; after using the phase-shifting transformer, the THD of the input line current decreases from 22% to 16%.

Mobile substation, solid state transformer, AC-AC converter, high-frequency multi-pulse rectifier, phase-shifting transformer

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces. L90004

TM933

國家自然科學基金資助項目（51777042）。

2020-04-09

2020-12-26

高美金 女，1980年生，碩士，高級工程師，研究方向為移動變電站設計與經濟運行。E-mail：550650305@qq.com

孟凡剛 男，1982年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電能變換與電能質量控制。E-mail：motor@tju.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）