10kVMW級電力電子變壓器設(shè)計方案

10kVMW電力電子變壓器(PET)在具有傳統(tǒng)變壓器變壓和隔離等根本功能的同時,還具備功率靈敏可控和可進展無功補償?shù)葍?yōu)勢.通過對電力電子變壓器拓撲構(gòu)造和功iokVMWAC/DCMMC,DC/DCLLCDC/DCAC/DCDC/DCPET式以及各局部的根本把握策略.所提出的設(shè)計方案可實現(xiàn)中壓溝通、中壓直流、低壓直流以及低壓溝通的多級變壓、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及能量的多向流淌,有用性強,在中低壓交直流配電網(wǎng)中具有確定典型性,對工程設(shè)計有重要指導(dǎo)意義.%Thepowerelectronictransformer(PET)hasthebasicfunctionsofvoltagetransformationandisolationastraditionaltransformers,besidesitenjoystheadvantagesofhighlyflexiblepowercontrolandreactivepowercompensationandsoon.BasedontheanalysisofthePETtopologyandfunctions,anewdesignschemeof10kVmwlevelPETorientedtomediumandlow-voltageac-dchybridsmartdistributiongridisproposed.TheMMCconverterisusedasAC/DCconverterathigh-voltageside,andtheDC/DCconverterconsistsofinput-seriesoutput-parallel(ISOP)LLCresonantfull-bridgeDC/DCconvertersmodules.TheproposeddesignschemeincludesthedesignofthemaincomponentsofAC/DCconverterandDC/DCconverter,andalsocontainstheoperationalmodeofPETbyusingapplicationscenariosandbasiccontrolstrategiesforvariouscomponents.MultilevelvoltagetransformationofmediumvoltageAC,mediumvoltageDC,lowvoltageDCandlowvoltageACcanberealizedintheproposeddesignscheme,what”smore,networkinterconnectionandmultidirectionalflowsofenergybecomepossible.Theproposeddesignschemehassometypicalcharacteristicsinthemediumandlow-voltageac-dchybridsmartdistributiongrid,whichhasimportantguidingsignificancetoengineeringdesign.《華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》【年(卷),期】2023(044)003【總頁數(shù)】8(P59-66)電力電子變壓器;模塊化多電平換流器;交直流混合配電網(wǎng);設(shè)計方案劉欣和;吳金龍;辛德鋒;馮宇鵬;王先為;姚為正【作者單位】710075;西安許繼電力電710075;西安許繼電力電子技術(shù),陜西西安710075710075;西安許繼電力電子技710075461000【正文語種】中文TM7216～35kV400V傳統(tǒng)配電變壓器具有牢靠性強、價格低廉等優(yōu)點，但也存在以下缺點：(1)功能單一，可控性差；(2(3(4)鐵芯飽和子變壓器(PowerElectronicTransformer，PET)的概念受到了業(yè)界的關(guān)注[1-4]。電力電子變壓器供給了寬闊的應(yīng)用空間。電力電子變壓器(有些學(xué)者也稱之為固態(tài)變壓器(Solid-StateTransformer，SST)或智能通用變壓器(IntelligentUniversalTransformer，IUT)是由電力電子換流器1970AC-AC[5]以來，國內(nèi)PET[6-8AC-DC-AC1換為高直流電壓，通過中間帶高頻隔離變壓器的DC/DC變換器變換為低直流電壓，以供低壓側(cè)逆變器使用。PET，為了滿足高壓大功率的應(yīng)用需求，比較AC/DCH(ModularMultilevelConverter，MMC)，通過模塊化串并聯(lián)技術(shù)，使電壓等級和容量提升HMMC優(yōu)勢：(1)DC/DC(2)輸出電壓質(zhì)量高、功率靈敏可控；(3)直流側(cè)可直接輸出直流電壓等[9]MMCPET將來的中低壓交直流混聯(lián)智能配電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。PET10kVMWPETPETPETPETAC/DC-DC/DC-(DC/AC2AC/DCMMCMMC接入中壓直流配電網(wǎng)。MMC311N(sub-module，SM1本方案中橋臂子模塊全部承受全橋式拓撲構(gòu)造。DC/DC[10-12]的主要作用包括直流電壓的凹凸壓變換、電氣隔離和能量雙LLCDC/DC變換模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(input-seriesoutput-parallelISOP)組成，可實現(xiàn)能量雙向流淌時開關(guān)器件的零電壓開關(guān)(ZVS)和準零電流開關(guān)(ZCS)。直流低壓側(cè)配直流配電微網(wǎng)等。DC/AC溝通負載供電。PET3PET10kV網(wǎng)。通過該PET可實現(xiàn)中壓溝通、中壓直流、低壓直流以及低壓溝通的多級變壓、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及能量的多向靈敏流淌，有用性強。系統(tǒng)參數(shù)PETMW級PET，1AC/DC空載調(diào)制度核算AC/DCMMCMMC0.8～0.8610.8164，滿足功率把握的需求，且具備確定的裕量。橋臂電抗器設(shè)計MMC之外還需要在完成系統(tǒng)設(shè)計后對溝通電流紋波和故障電流上升率等進展校核。20%)可得到橋臂電抗設(shè)計初值：式中：EmLarm_sIn_peak為系統(tǒng)額定功率對應(yīng)的閥側(cè)峰值電流。依據(jù)式(1)50.9mH50mH。核算該值對應(yīng)的額定500.8603，滿足運行需求。換流閥設(shè)計電容參數(shù)和模塊中的開關(guān)器件型號等。子模塊個數(shù)設(shè)計：單個橋臂的子模塊個數(shù)由子模塊電壓和總直流電壓打算，需要結(jié)合實際IGBT規(guī)格考慮。另外，為了提高系統(tǒng)牢靠性，需要具有確定的冗余度。UdcMMCUsmkr冗余系數(shù)，子模塊個數(shù)可由式(2)計算得到：IGBT1700V/150AIGBT850V1026換流閥電容容值的設(shè)計：子模塊電容是MMC能量流淌的載體，在為換流器運行供給穩(wěn)定直流電壓的同時，模塊電容電壓也隨著電流的充放電作用而波動。另外，模塊電容在直流短路故障時MMC體積等方面的重要因素之一。因此電容的設(shè)計將直接影響 MMC的性能與經(jīng)濟性。子模塊電容設(shè)計時主要考慮因素是子模塊穩(wěn)態(tài)電壓波動限制，為保證換流器的穩(wěn)定運行，子模塊電容電壓波動量必需限制在確定范圍內(nèi)。依據(jù)子模塊電容容值、子模塊電壓與波動率、換流器功率、調(diào)制度和功率因數(shù)等因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[13]，可以計算得到子模塊電容容值的設(shè)計初值：式中：n；ξ10%；Usm壓；Psk；cosφ1.25MVA0.9953，調(diào)0.8204，電壓波動率取±10%，0.7234mF,將其1mF，此時子模塊電壓波動在額定有功輸出時為±7.234%。溝通軟啟電阻設(shè)計計算得到：式中：UlinePdcklimit5%額定有功功率計62.5kW1.6kΩ，2kΩ。DC/DCDC/DCMLLC(Dualactivebridgeresonantconverter，DAB)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)組成。單個DAB拓撲如圖4所示，IGBTQ1～Q4HM1，Q5～Q8HM2，Lr1Cr1LCLr2Cr2LCTRLmUiUoDABH50%的開環(huán)把握模式下。5UgsIGBTQ1～Q4驅(qū)動波形，UsIGBTQ1～Q4iDD5～D81055iLm(無功)、Lr1Cr1i1(有功)兩局部，還將輸出電壓等效為一個恒定電壓源,另外橋臂的死區(qū)時間也被放大。具體過程說明如下：(1)t0Q1、Q4、Q5、Q8Q1Q4imD1D4Q1Q4Q1Q4Lr1Cr1i1Lmt1(2)t1i1iLmD5D8Lr2Cr2D5D8t2D5D8t2Lr2Cr2t2t3i1iLm大到反向最大值。t3Q1Q4iLmD2D3IGBTQ2Q3結(jié)電容上的電壓逐步減小，IGBTQ1Q4(5)t4IGBTQ2Q3Q2Q3t5Q2Q3DAB設(shè)計的核心是諧振網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，為了保持變換器雙向運行增益特性的全都性，Lr1=n2·Lr2、Cr2=n2·Cr1。，另一方面設(shè)計變壓器Lr1Cr1Lr2Cr2fr1=fr2：DAB一般工作在諧振頻率點四周，此時變換器具有較高的效率，傳輸能量的電流波形也近似正弦，可用基波重量法進展分析和設(shè)計[14]，即假設(shè)只有開關(guān)頻率的基波重量才能傳輸能量，從而將變換器等效為一個線性網(wǎng)絡(luò)來分析。等效電路如圖6所示，Req[15]：6式中：Q；λkfkf=fs/frkf=1Lr1Cr1Lr2Cr21/n。n=17Q=1Mλ、kf8λ=0.1MQ、kf7，λλλ8，Q0.25四周的增益最平滑。結(jié)合上述分析，DC/DC為了削減高頻變壓器的數(shù)量，DABIGBT3300V2000V，變換器的級數(shù)M20kV/2000V=10MMCMMC0.5mF；低壓側(cè)電容主要考慮電壓紋波的要求，在一個高頻開2%，計算并經(jīng)過調(diào)整后得到低壓2.6mF。5kHzn=2000V∶700V=2.86∶1；(4kf1，Q=0.25，λ=0.05，依據(jù)式(5)～(10Cr1=5uF，Lr1=203uH，Lm=4.06mH，Cr2=40.8uF，Lr2=24.87uH。DC/AC工作模式設(shè)計PET口，可分別接入中低壓溝通、中低壓直流系統(tǒng)中。結(jié)合具體應(yīng)用場景，設(shè)計PET主要工作模式如下：直流穩(wěn)壓模式：MMCDC/DCPET功率調(diào)度模式：直流高壓側(cè)接入中壓直流配網(wǎng)直接穩(wěn)定直流電壓，或直流低壓DC/DCMMC模式，準確把握交直流系統(tǒng)間的功率流淌。PETPETDC/DCMMC電壓把握模式，為孤島網(wǎng)絡(luò)供給穩(wěn)定的溝通電壓。MMCPETMMC依據(jù)溝通電網(wǎng)的狀況協(xié)作輸出確定的無功功率。MMC9MMCdq構(gòu)造具有快速的響應(yīng)力氣和內(nèi)在的限流力氣。MMCPETdqMMCMMC損耗，需設(shè)計環(huán)流抑制把握器[16]。調(diào)制方面，MMC(NLM)和載波移相法，考慮到20，可選用更適用多子模塊數(shù)的最近電平調(diào)制法，并均衡。DC/DCPETDC/DC50%的開環(huán)把握方式即可實現(xiàn)5kHz。在諧振頻率四周變換器等效內(nèi)阻很ISOP側(cè)電容電壓的自動均衡，不需要額外的均壓把握。低壓側(cè)逆變器把握PET網(wǎng)間的潮流，具體把握細節(jié)不再贅述。Matlab/Simulink10kV/1.25MWPET述。10PETPET0.5s0.7sPETMMCDC/DC變換器的把握下快速回到額定值。11PETPETDC/DCPETMMC0.5s01s反向額定，功率響應(yīng)動態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高。12PET0.2～0.5sMMC0.5s孤島網(wǎng)絡(luò)投入了額定負載，實現(xiàn)了由直流配電網(wǎng)向溝通系統(tǒng)的反向供電。由仿真結(jié)果可以看出，PET計方案具有可行性。AC/DC-DC/DC-DC/ACPETAC/DCMMCPETPETPETMMCPETPET合配電網(wǎng)用變壓器的使用需求，具備工程設(shè)計指導(dǎo)價值。【相關(guān)文獻】徐政，陳海榮．電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述[J]．高電壓技術(shù)，2023，33(1)：1-10．張文亮，湯廣福，查鯤鵬，等．先進電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．中國電機工程學(xué)報，2023，30(4)：1-7．KANGMoonshilk，ENJETIPrasadN，PITELIraJ．AnalysisandDesignofElectronicTransformersforElectricPowerDistributionSystem[J]．IEEETransactionsonPowerElectronics，1999，14(6)：1133-1141．楊麗徙，曾梅，劉蓉．變電站電氣一次設(shè)備智能化問題的爭論綜述[J]．高壓電器，2023，48(9)：99-103．晏陽．電力電子變壓器理論爭論綜述[J]．電工電氣，2023，(3)：5-8．朱英浩．配電變壓器的進展趨勢[J]．電工技術(shù)雜志，2023(3)：1-6．DC/DC[J].中國電機工程202334(S)218-224.劉海波，毛承雄，陸繼明，等．電子電力變壓器儲能系統(tǒng)及其最優(yōu)把握[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2023，25(3)：54-60．李子欣，王平，楚遵方，等．面對中高壓智能配電網(wǎng)的電力電子變壓器爭論[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2023，37(9)：2592-2601．LLC[J]2023,48(6)51-52.LLC[J].中國電機工程202335(2)451-457.LLC[J].中國電機工程學(xué)報,2023,33(18)48-56.王姍姍，周孝信，湯廣福，等．模塊化多電平HVDC輸電系統(tǒng)子模塊電容值的選取和計算[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2023，35(1)：26-32．LUB，LIUWD，LIANGY，etal．O