張固態(tài)變壓器概述

固態(tài)變壓器研究1.。概念。固態(tài)變壓器又稱電力電子變壓器(ElectronicPowerTransformer,EPT)，是一種將電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的高頻電能變換技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征的電能的靜止電氣設(shè)備。與常規(guī)變壓器相比，EPT有很多優(yōu)點(diǎn)，其突出特點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)原方電流、副方電壓以及功率的靈活控制。EPT應(yīng)用于電力系統(tǒng)后將會改善電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)靈活的輸電方式以及電力市場下對功率潮流的實(shí)時(shí)控制。2.o基本原理。電子電力變壓器的基本原理如圖所示，首先通過電力電子變換技術(shù)將入信號變換為較高頻率信號，經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)，然后再通過電技術(shù)將高頻信號還原成工頻交流輸出?？偟膩碚f，按照變頻部分的實(shí)現(xiàn)方法分為兩大類：第一種是變換過程不存在中間直流環(huán)節(jié)，即直接AC/AC變換，第二種是變換過程中存在中間直流環(huán)節(jié)，即AC/DC/AC3.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。AC/AC變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其工作原理為工頻信號先被變換為中頻信號(600Hz?112kHz)后通過中頻隔離變壓器耦合到其副方，中頻信號隨后又被同步還原為工頻信號。為了減小器件開關(guān)過程中由于電流突變造成的過電壓，該方案采用了一種4級開關(guān)控制策略，可使功率器件在無吸收電路的條件下安全換向。2）AC/DC/AC變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。.圖中是其一相的整體結(jié)構(gòu)圖，也是一種3級結(jié)構(gòu)方案（AC/DC/AC）,包含高壓、隔離和低壓級。該方案的特點(diǎn)在于隔離級只使用了一個(gè)高頻變壓器，整個(gè)裝置的功率器件數(shù)減少1o3,解決了多模塊并聯(lián)帶來的均流問題。這種PET的高壓級各模塊為單相全控整流橋，采用PWM整流，輸入電流波形好，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動。4.優(yōu)點(diǎn)。1） 體積小，重量輕，無環(huán)境污染。2） 運(yùn)行時(shí)可保持二次側(cè)輸出電壓幅值恒定，不隨負(fù)載變化，且平滑可調(diào)。3） 可保證一次側(cè)電壓電流和二次側(cè)電壓為正弦波形，且一二次功率因數(shù)可調(diào)。4） 變壓器一二次電壓、電流和功率均高度可控。5） 兼有斷路器的功能，大功率電力電子器件可瞬時(shí)（以s級）關(guān)斷故障大電流，也無需常規(guī)的變壓器繼電保護(hù)裝置5.應(yīng)用前景。對電力電子變壓器進(jìn)行研究的一個(gè)重要趨勢是通過電力電子變壓器解決電能質(zhì)量問題，即電力電子變壓器既具備傳統(tǒng)變壓器的功能，如電能傳輸、隔離、變換等，又具有抑制諧波雙向流動、防止負(fù)載側(cè)出現(xiàn)故障影響電源電壓、輸出電壓可以有直流分量，消除電壓跌落、升高，以及過電壓、欠電壓等電源側(cè)電壓的干擾對負(fù)荷的影響，對各種電量進(jìn)行監(jiān)測、顯示、分析處理來判斷各種異常情況對其自身和系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，并給出報(bào)警信號和故障類型等信息。6研究趨勢。1）對適合于電力電子變壓器的各種電路拓?fù)溥M(jìn)行深入研究。因?yàn)?，為了使電力電子變壓器早日?yīng)用，應(yīng)當(dāng)從提高可靠性，降低損耗著手。而目前所使用的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，損耗大。32）對電力電子變壓器控制策略加以研究，得出能同時(shí)完成能量轉(zhuǎn)換和解決電能質(zhì)量的問題功能的控制策略，即如何將電能傳輸、隔離、變換、保護(hù)和改善電能質(zhì)量問題的功能合而為一。3電力電子變壓器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用在配電網(wǎng)中，配電線路經(jīng)常會出現(xiàn)各種電壓擾動，如電壓驟升、驟降、閃變、波動等。對于對電壓敏感的負(fù)荷，如電腦、通信設(shè)備等，經(jīng)常會造成巨大損失，如珍貴數(shù)據(jù)的丟失、通信的中斷等。傳統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復(fù)器可以解決配電線路電壓擾動的問題，但是傳統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復(fù)器用一個(gè)可調(diào)自耦變壓器和隔離變壓器去對系統(tǒng)注入一個(gè)補(bǔ)償電壓，這種結(jié)構(gòu)不但動態(tài)響應(yīng)比較慢，而且大的工頻變壓器也是其主要缺點(diǎn)，工頻變壓器不僅體積大、成本高，而且變換效率低。這里介紹一種基于電力電子變壓器的動態(tài)電壓恢復(fù)器。該動態(tài)電壓恢復(fù)器分為三級，輸入級為三相半橋PWM整流器，可以從電網(wǎng)中獲取能量，從而實(shí)現(xiàn)可連續(xù)運(yùn)行，可以使得整流器電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，大大降低低次諧波，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。隔離級采用高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)隔離、變壓和能量傳遞，高頻變壓器原方的電壓源變換器將直流電調(diào)制為交流電，通過高頻變壓器耦合到副方，然后通過副方的電DtronicPublishmgHouse.Allrightsreserved,壓源變換器進(jìn)行同步解調(diào)，還原為直流電。輸出級采用三個(gè)單相電壓源逆變器并聯(lián)的模式，每個(gè)單相逆變器連接LC濾波器，通過電容器將補(bǔ)償電壓耦合到各相中去，實(shí)現(xiàn)對各相電壓的調(diào)節(jié)。這種基于電力電子變壓器的動態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理為利用傳感器、檢測電路檢測出電源側(cè)電壓；通過控制電路產(chǎn)生補(bǔ)償給定信號；由SPWM形成PWM信號；再由驅(qū)動電路去控制電壓型逆變器的功率開關(guān)；最后通過濾波器濾除高次電壓諧波，在串聯(lián)電容器上產(chǎn)生與畸變分量相反的補(bǔ)償電壓，從而提高負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量，使電能質(zhì)量敏感負(fù)荷免受電壓跌落、不對稱、閃變、波動及諧波的影響。該動態(tài)電壓恢復(fù)器的輸入級的三相半橋PWM整流器用于實(shí)現(xiàn)三相高頻整流，在理論上，不但可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦，且可以實(shí)現(xiàn)原方輸入功率因數(shù)可控、直流輸出電壓可控。輸入級高頻整流一般需要采用雙環(huán)控制，即直流電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)，這和分布式電源并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)中輸入級PWM整流器的控制方式是一樣的。隔離級作用是將輸入級的高壓直流調(diào)制成中頻方波信號，經(jīng)中頻變壓器變壓并耦合到副方后再轉(zhuǎn)換成低壓直流。這一級實(shí)現(xiàn)隔離及直流降壓功能。采用開環(huán)控制，由PWM技術(shù)調(diào)制直流電壓成高頻方波，耦合到中頻變壓器副方后再同步解調(diào)成直流。輸出級的三個(gè)單相電壓源逆變器通過電容器將補(bǔ)償電壓耦合到各相線路中去?？梢圆扇?fù)合控制方式，同時(shí)檢測電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)電壓作為電壓補(bǔ)償指令⑻，控制策略分析如圖7所示。Us為電網(wǎng)側(cè)電壓，U為負(fù)載側(cè)電壓。Gs(s)為檢測電網(wǎng)側(cè)電壓補(bǔ)償指令傳遞函數(shù)，其輸出包括電壓諧波和電壓跌落；Gl(s)為檢測負(fù)載側(cè)電壓補(bǔ)償指令傳遞函數(shù)，k為放大系數(shù)；Gg(s)為補(bǔ)償電壓發(fā)生器傳遞函數(shù)，可以看成一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的一階慣性系統(tǒng)；Gb(s)為變壓器傳遞函數(shù)。在補(bǔ)償電壓指令中，檢測電網(wǎng)側(cè)電壓形成的指令部分主要完成電壓諧波補(bǔ)償，有利于提高控制的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)能力，而檢測負(fù)載側(cè)電壓形成的指令部分能修正變壓器內(nèi)阻和漏抗對副邊輸出電壓的影響，可以不需要很大的k值。顯然，將電網(wǎng)側(cè)電壓檢測和負(fù)載側(cè)電壓檢測結(jié)合在一起形成的復(fù)合控制策略，能兼具前饋和反饋控制策略的優(yōu)點(diǎn)，改善電壓補(bǔ)償效果。7.技術(shù)現(xiàn)狀電力電子變壓器可以比較容易地與許多柔性交流輸電(FACTS)技術(shù)相結(jié)合，從而具有許多傳統(tǒng)工頻變壓器難以實(shí)現(xiàn)的功能。4.1輸電網(wǎng)高壓短路限流器隨著電力系統(tǒng)發(fā)展以及負(fù)荷的增大，系統(tǒng)互聯(lián)就會使短路電流水平不斷提高，電力電子型故障限流保護(hù)裝置FCL容易實(shí)現(xiàn)，控制迅速，能有效地限制短路電流的峰值，是目前最可取的限流方法。電力電子型FCL與電力電子變壓器技術(shù)相結(jié)合就可實(shí)現(xiàn)綜合型多功能FACTS器件，具有非常好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)［9］提出了一種電力電子變壓器型FCL。FCL模塊被串聯(lián)在電力電子變壓器輸入模塊前端，控制器通過檢測其輸出端電流以及輸入端電流對FCL模塊中的開關(guān)進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，開關(guān)斷開電流通過串補(bǔ)電容變流，這樣既實(shí)現(xiàn)了串補(bǔ)功能，又實(shí)現(xiàn)了開關(guān)零損耗。當(dāng)故障時(shí)，檢測的電流達(dá)到臨界電流值，開關(guān)迅速閉合，電容和電感諧振實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)通阻抗，就實(shí)現(xiàn)了短路電流的限制。4.2不間斷供電技術(shù)應(yīng)用在配電網(wǎng)中的電力電子變壓器可在直流環(huán)節(jié)加上蓄電池組，組成在線式不間斷電源(UPS)。由于在線式UPS總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動態(tài)響應(yīng)特性好，波形畸變小，并通過監(jiān)控輸入電壓的狀態(tài)對蓄電池組進(jìn)行投切。當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，市電通過電力電子變壓器對負(fù)載供電，對電網(wǎng)的畸變和干擾有很好的抑制作用。當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負(fù)載不間斷供電。如果逆變器發(fā)生故障，UPS則通過靜態(tài)開關(guān)切換到旁路，由旁路供電。當(dāng)故障消失后，UPS又重新切換到由逆變器向負(fù)載供電。因此可以更好的保證供電質(zhì)量。當(dāng)電力電子變壓器應(yīng)用在分布式能源發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，也可以把蓄電池組接入直流環(huán)節(jié)，作為中間儲能環(huán)節(jié)。利用蓄電池和分布式能源構(gòu)成獨(dú)立的供電系統(tǒng)來向負(fù)載提供電能，當(dāng)分布式能源輸出電能不能滿足負(fù)載