電力電子技術(shù)在變壓器中的應(yīng)用

1、電力電子技術(shù)在變壓器中的應(yīng)用作者：黃仲安來源：科技創(chuàng)新與應(yīng)用2013年第32期摘 要：近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)已快速成為一門獨(dú)立的完善的學(xué)科。它作為集電路技術(shù)、功率半導(dǎo)體器件、現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一身的技術(shù)平臺(tái)，已慢慢滲入國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。本文就主要探討電子電力技術(shù)在變壓器中的應(yīng)用，從實(shí)例中反映電子電力技術(shù)廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；變壓器；應(yīng)用新世紀(jì)電力電子技術(shù)不斷提升，尤其是微電子技術(shù)的革新，使得電力電子技術(shù)的世界日新月異，帶動(dòng)許多關(guān)鍵技術(shù)引領(lǐng)尖端科學(xué)技術(shù)的潮流。電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用能力廣泛，與其他學(xué)科的交叉應(yīng)用性強(qiáng)，是目前頗具焦點(diǎn)性的一

2、個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。通過半導(dǎo)體器件、計(jì)算機(jī)科技、電路科技、控制智能科技等等平臺(tái)構(gòu)成電力電子技術(shù)，通過將近五十年時(shí)間的發(fā)展，其已經(jīng)不斷融入生活、工作的方方面面，在新世紀(jì)中伴隨電力電子技術(shù)新的理論、實(shí)踐應(yīng)用發(fā)展，成為了關(guān)鍵性的技術(shù)。目前，電力電子技術(shù)相關(guān)的研究，在國際上仍處于較為初級(jí)的階段，雖然為我們帶來了巨大的便利，但其仍有許許多多方面的理論和實(shí)際應(yīng)用有待人們的開發(fā)與研究，相信在不久的將來，電力電子技術(shù)將成為我們生活中不可或缺的一部分。本文基于電力電子技術(shù)在變壓器中的應(yīng)用，通過其相關(guān)的理論與原理的闡述，設(shè)計(jì)電力電子變壓器的仿真，致力于提升電力質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器的優(yōu)越性。1 相關(guān)定義與原理1.1 電

3、力電子變壓器定義電力電子變壓器，又叫做固態(tài)、柔性變壓器，通過對(duì)目前在用的電力電子變壓器進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究，可以闡述為電力電子變壓器是一種將帶有電力特性的能量向另一種帶有電力特性的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)變的設(shè)備，而上述的兩種能量具有不同的頻率、相位等等特征。1.2 電力電子變壓器原理電力電子變壓器通過兩種不同的功率變換器實(shí)現(xiàn)變頻，屬于交-交式的轉(zhuǎn)化。它的工作原理主要是將一種電壓，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換器，變換為另一種交流的電壓，利用高頻電壓進(jìn)行耦合，經(jīng)變換器轉(zhuǎn)換為所需電壓。其可以利用增強(qiáng)變壓器的功率實(shí)現(xiàn)體積的縮小。運(yùn)用目前的電力電子技術(shù)以及合理的工作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高頻交流電的制造，再利用電壓器進(jìn)行電壓的交互，實(shí)現(xiàn)工頻交流電的

4、制造，減少、減輕變壓器的體積，如此往返，即為電力電子變壓器的工作原理。當(dāng)前，因在用的基本所有電力系統(tǒng)相關(guān)器件，耐壓性與輸電系統(tǒng)方面都比較薄弱，因此電力電子變壓器需要在配電領(lǐng)域進(jìn)行一定的技術(shù)開發(fā)，相較于常規(guī)的電力變壓器，配電系統(tǒng)的變壓器其電源兩側(cè)的繞組將固定為一次側(cè)，與高頻電壓器的繞組將固定為二次側(cè)，它們之間由高頻變壓器作為載體進(jìn)行聯(lián)結(jié)，詳見圖1。圖1 配電用電力電子變壓器基本原理2 電力電子變壓器電路類型分析2.1 斬控式電力電子變壓器1995年，美國電科院首先研制出了電力電子變壓器的斬控式樣機(jī)，它選取了BUCK結(jié)構(gòu)的電路，其簡(jiǎn)單實(shí)用，易于調(diào)節(jié)變壓，但缺點(diǎn)是控制性不強(qiáng)，并不含有變頻的功能，還不

5、能進(jìn)行電氣隔離，以及無法對(duì)輸入的電流與功率進(jìn)行相關(guān)的抑制作用，所以，該斬控式電力電子變壓器無法在輸配電工作中發(fā)揮交大的作用。2.2 交-交-交變換電力電子變壓器MKang（美國德州大學(xué)）在1999年，研制出一種新型交-交-交變換電力電子變壓器，其由初、次兩級(jí)功率進(jìn)行交互變頻變壓器組成，通過兩種功率的轉(zhuǎn)換，連接功率器件，實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)電能的作用。其優(yōu)勢(shì)為傳送容量增加，體積相對(duì)小，缺點(diǎn)為相關(guān)器件繁復(fù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2.3 反激式電力電子變壓器反激式電力電子變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，裝置器件較少，避免了較多的中介環(huán)節(jié)，因此比前面兩種變壓器結(jié)構(gòu)有更大的進(jìn)步。其優(yōu)勢(shì)為相關(guān)器件少，電感與電容組成電路，簡(jiǎn)化了電能質(zhì)量不足的

6、缺陷。但其開關(guān)反應(yīng)能力偏大，很難在高電壓環(huán)境下使用，還容易因漏感產(chǎn)生交稿的尖峰電壓，對(duì)電壓應(yīng)力造成較大的壓力，因此電磁相關(guān)的干擾頗為明顯。3 電力電子變技術(shù)在變壓器中的仿真應(yīng)用3.1 電力電子變壓器在改善電能質(zhì)量中的應(yīng)用電能質(zhì)量在國際上的基本既定為：運(yùn)用電力相關(guān)設(shè)施設(shè)備無法進(jìn)入工作，以及使得其出現(xiàn)問題的電流、電壓或者頻率等等誤差，其基本內(nèi)容以電壓波動(dòng)與閃變、頻率偏移及短時(shí)供電中斷等等內(nèi)容為主，其次還有電壓的偏差、電流波形的畸變以及三相電壓不平衡等等問題，本文主要以前面兩種為主要仿真目標(biāo)進(jìn)行研究。說明其常規(guī)變化與故障隔離等等作用，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行一定的改善。3.1.1 電壓波動(dòng)與閃變?cè)陔妷翰▌?dòng)與閃

7、變的問題中，由于電力系統(tǒng)的母線出現(xiàn)非整數(shù)倍的影響，假設(shè)PET一次側(cè)的母線頻率是10Hz，幅值為10%左右的和諧波，使得母線電壓有異常的波動(dòng)，具體的仿真結(jié)果圖如圖2所表示。（1）PET輸入相電壓 （2）PET輸出相電壓圖2母線電壓波動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果從圖2可見，由于實(shí)驗(yàn)中有一定的間諧波影響，使得PET一次側(cè)的母線電壓有較大明顯的波幅，而另外的二次側(cè)電壓未受到一定的影響，還是可以對(duì)負(fù)荷提供有效的供電，對(duì)母線電壓閃變有交大的影響。3.1.2 電壓跌落及供電中斷本文所實(shí)驗(yàn)的仿真條件為0.2s（10周波）的持續(xù)時(shí)間，額定值為40%的跌幅，時(shí)間為0.3s-0.5s左右的跌落時(shí)間，電網(wǎng)電壓跌落供電中斷的特定問題

8、。按照美國電力研究協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，電壓跌落幅值一般小于40%，具體的實(shí)驗(yàn)仿真圖詳見圖3，在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落的間隙，PET的相關(guān)數(shù)值仍然保持較為未定的狀態(tài)，也就是其輸出電壓并未受到影響，保證一定的輸出。（1）PET輸入相電壓 （2）PET輸出相電壓圖3 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)仿真結(jié)果根據(jù)上述的仿真實(shí)驗(yàn)圖可得，電力電子不進(jìn)可以操作電壓器的轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)的隔離等等功能，還能對(duì)電能質(zhì)量起到良好的控制作用。如圖3（1）中顯示，電網(wǎng)電壓即使出現(xiàn)一定的閃變、不對(duì)稱或者跌落，二次側(cè)的輸出電壓仍然保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，進(jìn)行可靠的供電功能。3.2 電力電子變壓器進(jìn)行微電網(wǎng)孤島應(yīng)用研究從上述的研究可得，如電壓短時(shí)供電不足，或者出

9、現(xiàn)一定的跌落，電力電子變壓器的輸出仍然處于穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)于點(diǎn)電能的質(zhì)量也能給予滿足。通過對(duì)電能質(zhì)量的影響研究，發(fā)現(xiàn)頻率偏差，將大幅度的影響電能的質(zhì)量，尤其是電網(wǎng)中出現(xiàn)可再生能源的時(shí)候。近年來，我國對(duì)于可再生能源的重視可見一斑，不斷的有新的可再生能源進(jìn)入電網(wǎng)中，另外微電網(wǎng)、發(fā)電等科研技術(shù)廣泛的得到發(fā)展，其在電網(wǎng)出現(xiàn)故障以及電能的質(zhì)量無法達(dá)到用電需求的期間，能夠運(yùn)用孤島方案，持續(xù)不間斷的功能，對(duì)供電的安全性和可靠性提供了很大的保證，基本微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。圖4 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)由于微電網(wǎng)的容量不大，功率波動(dòng)性大，使得其頻率的控制偏繁復(fù)，尤其是主網(wǎng)和微電網(wǎng)分開以后，其功率的波動(dòng)性就很大，穩(wěn)定性不強(qiáng)，

10、對(duì)于頻率要求高、敏感性強(qiáng)的功能負(fù)荷帶來比較嚴(yán)重的影響。通過對(duì)可再生能源的研究，主要的一種能源即為風(fēng)能，通過風(fēng)能發(fā)電，在可再生能源的比例占據(jù)越來越高的比重。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有風(fēng)能和風(fēng)機(jī)相關(guān)理論、異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)以及電路設(shè)計(jì)等等問題，風(fēng)力發(fā)電主要包含了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、 普通異步發(fā)電機(jī)以及多極同步電機(jī)等等。作為一種新型的、智能型的變壓器，電力電子變壓器運(yùn)用相關(guān)器件以及高頻交流變壓器進(jìn)行交互，充分展示了不同于傳統(tǒng)型的電力變壓器的工作效用和功能，最大限度的保持了下述三種優(yōu)勢(shì)：（1）給予較為穩(wěn)定、安全的二次側(cè)輸出電壓，不受負(fù)荷的影響，輸出電壓可控性強(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)；（2）如一次側(cè)電壓有一定的故障、電壓跌落、閃

11、動(dòng)、暫停等問題，也不會(huì)受太大的影響，恒定性強(qiáng)，保障性強(qiáng)；（3）不斷吸收、發(fā)出武功，使得無功率處于電網(wǎng)中有較小的線損，降低成本。時(shí)代不斷進(jìn)步，社會(huì)不斷發(fā)展，不同的、新型的變壓器層出不窮，要使得電能質(zhì)量有一定的保障、電的負(fù)荷得到保障，尤其的配電系統(tǒng)的質(zhì)量保障，是目前變壓器相關(guān)研究中最為重要的問題。電力電子變壓器在上述問題中均能得到較好的體現(xiàn)，解決了許多以前存在的問題，通過無功補(bǔ)償、APF等等功能進(jìn)行電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)。相信不久的將來，電力電子變壓器將更加良好的運(yùn)用于配電系統(tǒng)中，這將在很大程度上幫助調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，降低相關(guān)費(fèi)用，取得良好的收益。參考文獻(xiàn)1王忠勇.電力電子變壓器多指標(biāo)非線性控制研究J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2011，35（5）： 1072-1076.2曹解圍，毛承雄，陸繼明，范澍.電力電子變壓器在改善電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性中的應(yīng)用J.電力自動(dòng)化設(shè)備，2005， 25（4）： 65-6