配電系統(tǒng)電力電子變壓器研究

1、13/13作者：佚名轉(zhuǎn)貼自：電力安全論壇點(diǎn)擊數(shù)： 35更新時刻：2008-7-28配電系統(tǒng)電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的研究方華亮，黃貽煜，范澍，陸繼明，毛承雄(華中科技 HYPERLINK /article/list/List_58.html大學(xué)電氣與電子工程 HYPERLINK /article/list/List_58.html學(xué)院，武漢430074) 摘 要: 供電可靠性及電能質(zhì)量一直是用戶和供電部門緊密關(guān)注的問題。在電網(wǎng)中， HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓

2、器是電能轉(zhuǎn)換的最差不多的元件，但常規(guī) HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器難以對供電可靠性的提高和電能質(zhì)量的改善作出貢獻(xiàn)。本文介紹了一種全新的產(chǎn)品電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器，它具有提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量同時體積小、重量輕、環(huán)保效果好等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地解決這些問題。在對電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器現(xiàn)有方案進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的實(shí)現(xiàn)方案，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明： HYPERLIN

3、K /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器原方能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流波形為正弦和功率因數(shù)接近于1， HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器副方能夠獲得良好的輸出電壓、電流。 關(guān)鍵詞: 電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器; 高頻 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器; 供電可靠性; 電能質(zhì)量; 脈寬調(diào)制1引言 當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)展，使得人們對供電可靠性以及改善電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。假如一個供

4、電系統(tǒng)的可靠性不能保證，停電不只是給供電企業(yè)帶來損失，給用戶將造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。就電能質(zhì)量而言，一種頻率、電壓、波形的電能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶要求，通過變換處理后再供用戶使用的電能占全國總發(fā)電量的百分比比值的高低，已成為衡量一個國家技術(shù)進(jìn)步的要緊標(biāo)志之一。如在美國，2000年末，發(fā)電廠生產(chǎn)的40%以上的電能差不多上經(jīng)變換和處理后再供負(fù)載使用，可能到21世紀(jì)二、三十年代，美國發(fā)電站生產(chǎn)的全部電能都將經(jīng)變換和處理后再供負(fù)載使用。 如何更進(jìn)一步提高供電可靠性和改善電能質(zhì)量已成為供電部門十分重視和不斷努力解決的問題，在供電系統(tǒng)中， HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/ind

5、ex.html變壓器是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的最差不多、最重要的元件之一，對供電可靠性和電能質(zhì)量有著重大的阻礙。目前廣泛使用的配電系統(tǒng) HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器通常是采納鐵芯油浸式，其運(yùn)行可靠和效率較高；但同時，也存在以下一些不足之處1： 不能維持副方電壓恒定； 鐵芯飽和時，會造成電壓電流的波形畸變，產(chǎn)生諧波； 原副方電壓、電流緊密耦合，負(fù)荷側(cè)的波動會阻礙到電網(wǎng)側(cè)； 需裝備繼電愛護(hù)裝置； 體積大，笨重； 礦物油會帶來環(huán)境問題，且不易維護(hù)； 基于以上常規(guī) HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變

6、壓器的一些不足之處，如何進(jìn)一步提高 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的功能、改善其運(yùn)行特性以更好的發(fā)揮其在供電系統(tǒng)中的作用，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量的愿望，是一個十分值得我們深入研究的課題。目前隨著電力電子變流技術(shù)和大功率電力電子器件的迅速進(jìn)展，以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，所有的這些為我們研制新型 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器奠定了專門好的基礎(chǔ)。我們要研制的新型 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器要

7、緊是采納電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，我們稱之為電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器。 對電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的研究，國內(nèi)在這方面還差不多上未開展，國外在十多年前就已提出了那個概念。首先是美國海軍的一個研究打算，提出了一種“交流交流”的降壓變換器構(gòu)成的電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器；在這之后，由美國電力科學(xué)研究院(EPRI)贊助的一個研究項(xiàng)目也研制出了一種電力電子 HYPERLINK /Ele

8、ctricity/bianyaqi/index.html變壓器。然而這些方案，由于電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的理論本身還不是專門成熟，同時受當(dāng)時大功率電力電子器件進(jìn)展水平的限制，因而都只是停留在研制實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)時期。近幾年，有關(guān)這方面理論又有了新的進(jìn)展，再加上電力電子技術(shù)及器件迅速進(jìn)展使得電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器走向有用化又向前邁進(jìn)了一大步。2電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器原理及

9、優(yōu)點(diǎn) 電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的差不多原理為在原方將工頻信號通過電力電子裝置轉(zhuǎn)化為高頻信號，即升頻；然后通過高頻隔離 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器到副方，再還原成工頻信號，即降頻。通過采納適當(dāng)?shù)牟倏v方案來操縱電力電子器件的工作，從而將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能。 電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器，從結(jié)構(gòu)和功能上大大突破了傳統(tǒng) HYPERLINK /Elect

10、ricity/bianyaqi/index.html變壓器，又稱為固態(tài) HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器（solid state transformer），它的工作原理決定了它是對上述提及問題比較好的一種解決方案。按照我們的研制思路實(shí)現(xiàn)的電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器應(yīng)具備以下優(yōu)點(diǎn)： 能夠提高供電可靠性。器件將以模塊的形式安裝到插槽結(jié)構(gòu)中，使器件之間不再有或者專門少的引線連接，從而使用方便,體積縮小，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

11、改善供電電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)恒頻、恒壓輸出； 無大鐵芯，不產(chǎn)生勵磁涌流； 有望解決副方負(fù)荷不平衡造成電網(wǎng)不對稱問題，特不是民用負(fù)荷； 檢測裝置電壓、電流互感器變得更簡單； 裝置采納數(shù)字化操縱，具有智能化特點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)故障時能采取適當(dāng)、靈活的處理方法，從而進(jìn)一步提高可靠性。 能夠高度自動化，配電網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠直接遠(yuǎn)程通訊操縱電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器，實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測和操縱； 能夠不需要常規(guī)繼電愛護(hù)裝置； 體積小,重量輕，對大都市供電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來專門大方便； 環(huán)保效果好，能夠空氣自然冷卻，省去充油，從而減少污染，維護(hù)簡單

12、，安全性好。 假如在電力系統(tǒng)裝備電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器，并進(jìn)行實(shí)時、適當(dāng)?shù)牟倏v，就能夠改變電力系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)電壓的大小和相位，補(bǔ)償電力網(wǎng)路的阻抗，減小甚至消除電力系統(tǒng)中的諧波，改變電力系統(tǒng)中的有功、無功潮流，并對正常運(yùn)行和故障時電力系統(tǒng)的功率平衡要求予以快速補(bǔ)償。這將能顯著提高輸電系統(tǒng)的極限傳輸功率能力，改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性2。 當(dāng)今世界環(huán)境愛護(hù)問題日趨嚴(yán)峻，在電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器中應(yīng)用了高頻電力電子技術(shù)，使得設(shè)備重量減輕，體積變小，節(jié)約大

13、量銅、鋼等原材料；在電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器中不需要使用 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器油，從而減少環(huán)境污染，維護(hù)也變得更方便。在電力系統(tǒng)中廣泛采納電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器以后，能夠節(jié)約大量的電力，這就能夠節(jié)約大量資源和一次能源，從而改善人類的生活環(huán)境。3差不多實(shí)現(xiàn)方案分析 電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html

14、變壓器要緊由電力電子裝置部分、操縱部分、高頻 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器部分以及其它的一些輔助設(shè)備等組成。其中要緊部分是電力電子裝置部分，這部分實(shí)現(xiàn)信號頻率、幅值轉(zhuǎn)換，可采納IGBT或IGCT等高頻大功率電力電子器件組成。操縱部分發(fā)出門極操縱信號來開通或關(guān)斷IGBT或IGCT來操縱電力電子裝置部分的正常工作。高頻 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器部分起隔離及變壓作用?，F(xiàn)介紹一下國內(nèi)外比較常見的幾種方案： （1）“交流交流”變換結(jié)構(gòu)34如圖1，在這種變換中，上下連接的兩個器件

15、為背對背連接，這種連接可實(shí)現(xiàn)低頻交流信號（50Hz）變換成為高頻交流信號（通常是1kHz左右），然后加載到高頻隔離 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的原方，耦合到副方后高頻交流信號又轉(zhuǎn)換成低頻交流信號（50Hz）。這一變換的實(shí)現(xiàn)要求原副方的功率器件同步工作，功率器件的開關(guān)函數(shù)為一占空比為50%的方波，通過方波寬度的調(diào)制能夠操縱高頻電壓、頻率。 （2）斬波變換結(jié)構(gòu)5 如圖2，這種結(jié)構(gòu)和直流斬波有些相似，當(dāng)原方開關(guān)器件開通時能量儲存在原方繞組中，然后耦合到副方繞組，當(dāng)副方開關(guān)器件開通時聚攏的能量釋放。由于斬波可能產(chǎn)生專門大的諧波，因此，原副

16、方都使用了較大的濾波器。 （3）串聯(lián)模塊化結(jié)構(gòu)67 如圖3，整個系統(tǒng)分為三大部分：輸入部分、隔離部分、輸出部分。輸入部分由若干模塊串聯(lián)而成，如此均分到每一模塊上電壓比較低，采納低壓器件即可滿足要求。在每一輸入模塊上電壓被整成直流，輸出的直流電壓就加在相應(yīng)的隔離模塊上，然后直流電壓被逆變成高頻交流后加載至高頻隔離 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的原方，再耦合至副方，降壓后的高頻交流又被整流成為直流。隔離模塊的輸出送到輸出模塊，在輸出部分直流被逆變成交流輸出。盡管目前電力電子器件進(jìn)展十分迅速，電壓、功率等級不斷升高，但離實(shí)際電力系統(tǒng)中的高

17、壓、大功率的等級水平還有專門大的差距。因此，要構(gòu)成實(shí)際應(yīng)用的高壓、大功率必須把器件串、并聯(lián)使用。另外目前的高壓、大功率器件價格較貴，我們能夠采納低壓、小功率器件就能夠構(gòu)成高壓、大功率裝置。本方案的變換過程較多，在每個過程都能夠?qū)﹄娔苓M(jìn)行操縱，能夠?qū)﹄娔艿母鱾€參數(shù)進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)操縱，因此操縱方案實(shí)現(xiàn)也專門復(fù)雜，這是一個缺點(diǎn)?？偟闹v來，本方案是一種比較經(jīng)濟(jì)、有用、可行性較高的方案。 除了以上介紹的幾種方案以外，還有其它的一些方案，不管哪種方案，在電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器中，對電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)差不多上由電力電子裝置部分完成的。

18、采取適當(dāng)?shù)碾娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)和PWM算法，能夠獲得良好的電壓、波形、頻率?，F(xiàn)以方案（1）中交流到交流的變換為例，分析一下電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器一些新的性質(zhì)8。 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器輸入電壓高頻信號轉(zhuǎn)換函數(shù)展開成傅立葉級數(shù)其中：n為奇數(shù)，S=ki為轉(zhuǎn)換的開關(guān)頻率。其中：i為工頻50Hz，改變k能夠改變高頻交流電壓的頻率，一般取k20。 由上式能夠看出vp(t)基波重量頻率為19it=950Hz和21it=1050Hz。由此可見頻率為1kHz左右電壓幅值

19、最大。 應(yīng)用高頻電力電子技術(shù)使得 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生較大變化，電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器體積、重量大為減小。在電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器中容量S與尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)及電磁變量之間的關(guān)系式如下：其中：S為 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器容量，K為銅導(dǎo)線飽和因數(shù)，f為勵磁頻率，Ac為鐵芯面積，Ae為繞組線面積，J為導(dǎo)

20、體中的電流密度，Bm為最大磁通密度。 由式（5）能夠看出 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的尺寸要緊取決于一般情況下Bm、J變化不是專門大，而f能夠升高專門多，因此 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的尺寸的減小要緊取決于頻率f。然而頻率的升高引起鐵芯損耗的增加，為了減小損耗必須減小磁通密度Bm。因此，為了達(dá)到最佳效率，必須適當(dāng)?shù)卮_定f和Bm、J之間的比例關(guān)系，一般f能夠選用1kHz左右。4仿真系統(tǒng)方案9 對上述幾種方案，認(rèn)為：方案（1）的原理和結(jié)構(gòu)比較簡單，轉(zhuǎn)換過程為低頻AC高頻

21、AC高頻AC低頻AC。這種方案性能比較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)起來比較容易。但功能有限，對電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)能力較差，差不多上是原方是什么樣的波形，副方確實(shí)是什么樣的波形。方案（2）結(jié)構(gòu)特不簡單，變換過程為斬波AC斬波AC。這種方案對電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)能力也較差，電壓、波形、頻率質(zhì)量效果都不是專門好，且只適合在小容量方案中應(yīng)用。方案（3）實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，每一模塊上所加的電壓和電流較小，所用器件均為低壓器件，其成本較低。但轉(zhuǎn)換過程較復(fù)雜，使用器件較多，性能不穩(wěn)定。 我們正在進(jìn)行電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的研制，方案的主回路如圖4所

22、示。變換過程為ACDCACACDCAC。在 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器原方采納合適的PWM算法可使原方電壓、電流同相位，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)接近1；在副方通過操縱逆變器能夠獲得良好的輸出電壓電流。5仿真結(jié)果9 仿真系統(tǒng)如圖4所示，輸入為三相，線電壓Ul500V，輸出為三個單相，相電壓Uo220V，系統(tǒng)容量S10kVA，負(fù)載為純電阻，輸入和輸出都加上適當(dāng)?shù)臑V波裝置，在上述條件下用MATLAB 6.1進(jìn)行動態(tài)仿真，所得結(jié)果如下： 仿真系統(tǒng)中，原方加上LC濾波器（L2.4mH，C70F），三相全控整流橋的整流頻率f8kHz，原方輸入電壓電流波形

23、如圖5所示，輸入電壓與電流相位差不多一致,功率因數(shù)cos0.98。通過改變整流部分的PWM算法能夠操縱功率因數(shù)和電流波形。在副方，高頻方波經(jīng)整流濾波后再逆變成交流正弦波，逆變部分頻率f2kHz，濾波部分L0.6mH，C200F?？色@得良好的輸出電壓波形如圖6所示。6結(jié)論 提出了電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的一種新的實(shí)現(xiàn)方案，本方案在計(jì)算機(jī)仿真中取得了較好的結(jié)果，我們的電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的研制正在進(jìn)行。在本方案中， HYPERLINK

24、 /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器原副方都可控，這種技術(shù)方案能夠較好的改善電能質(zhì)量、提高供電可靠性，同時適合大功率傳輸。我們研制的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)為小容量的，而實(shí)際應(yīng)用中容量較大，能夠采取串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 電力電子 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器的研制是一項(xiàng)全新的技術(shù)，但目前其理論上還不夠完善、有待進(jìn)一步研究，在具體實(shí)現(xiàn)上也有一些困難，假如研制成功并推廣應(yīng)用到電力系統(tǒng)中將產(chǎn)生重大的阻礙和深遠(yuǎn)的意義。因此，這是一個特不值得我們深入研究的理論課題和實(shí)踐課題。7參考文獻(xiàn)1 HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器制造技術(shù)叢書編審委員會. HYPERLINK /Electricity/bianyaqi/index.html變壓器繞組制造工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19982商國才.電力系統(tǒng)自動化.天津：天津 HYPERLINK /article/list/List_58.html大學(xué)出版社，19993Moonshik Kang,Prasad N Enjeti,Ira J Pitel.Analysis and design of electronic transformers for electric po