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，其突出特點在于可以實現(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，實現(xiàn)靈活的輸電方式以及電力市場下對功率潮流的實時控制。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.拓撲結(jié)構(gòu)。AC/AC變換拓撲結(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變換拓撲結(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。該方案的特點在于隔離級只使用了一個高頻變壓器，整個裝置的功率器件數(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，可實現(xiàn)功率的雙向流動。4.優(yōu)點。1） 體積小，重量輕，無環(huán)境污染。2） 運行時可保持二次側(cè)輸出電壓幅值恒定，不隨負載變化，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（以s級）關(guān)斷故障大電流，也無需常規(guī)的變壓器繼電保護裝置5.應(yīng)用前景。對電力電子變壓器進行研究的一個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)電壓的干擾對負荷的影響，對各種電量進行監(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)進行保護，并給出報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撲進行深入研究。因為，為了使電力電子變壓器早日應(yīng)用，應(yīng)當從提高可靠性，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)器用一個可調(diào)自耦變壓器和隔離變壓器去對系統(tǒng)注入一個補償電壓，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，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，從而實現(xiàn)可連續(xù)運行，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，實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。隔離級采用高頻變壓器來實現(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,壓源變換器進行同步解調(diào)，還原為直流電。輸出級采用三個單相電壓源逆變器并聯(lián)的模式，每個單相逆變器連接LC濾波器，通過電容器將補償電壓耦合到各相中去，實現(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償電壓，從而提高負載側(cè)的電能質(zhì)量，使電能質(zhì)量敏感負荷免受電壓跌落、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整流器用于實現(xiàn)三相高頻整流，在理論上，不但可以實現(xiàn)輸入電流正弦，且可以實現(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。輸出級的三個單相電壓源逆變器通過電容器將補償電壓耦合到各相線路中去?？梢圆扇?fù)合控制方式，同時檢測電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)電壓作為電壓補償指令⑻，控制策略分析如圖7所示。Us為電網(wǎng)側(cè)電壓，U為負載側(cè)電壓。Gs(s)為檢測電網(wǎng)側(cè)電壓補償指令傳遞函數(shù)，其輸出包括電壓諧波和電壓跌落；Gl(s)為檢測負載側(cè)電壓補償指令傳遞函數(shù)，k為放大系數(shù)；Gg(s)為補償電壓發(fā)生器傳遞函數(shù)，可以看成一個時間常數(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，改善電壓補償效果。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裝置FCL容易實現(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［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)進行控制。當系統(tǒng)正常工作時，開關(guān)斷開電流通過串補電容變流，這樣既實現(xiàn)了串補功能，又實現(xiàn)了開關(guān)零損耗。當故障時，檢測的電流達到臨界電流值，開關(guān)迅速閉合，電容和電感諧振實現(xiàn)高導(dǎo)通阻抗，就實現(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)對蓄電池組進行投切。當電網(wǎng)正常時，市電通過電力電子變壓器對負載供電，對電網(wǎng)的畸變和干擾有很好的抑制作用。當電網(wǎng)掉電時，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負載不間斷供電。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。當故障消失后，UPS又重新切換到由逆變器向負載供電。因此可以更好的保證供電質(zhì)量。當電力電子變壓器應(yīng)用在分布式能源發(fā)電系統(tǒng)時，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)成獨立的供電系統(tǒng)來向負載提供電能，當分布式能源輸出電能不能滿足負載