白云飛

摘 要 隨著大功率全控型電力電子器件的工業(yè)應(yīng)用、新型拓?fù)潆娐泛拖鄳?yīng)控制技術(shù)的發(fā)展，一種通過電力電子電路實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞的新型變壓設(shè)備——電子電力變壓器得到了越來越多的關(guān)注。本文對10kV電力電子變壓器的兩種主電路進(jìn)行了對比，提出了10kV電力電子變壓適合的主電路結(jié)構(gòu)，并對電路電子變壓器前中后三級結(jié)構(gòu)中所示宜采用的電路進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】鏈?zhǔn)诫娐?電力電子變壓器 電壓源型換流器

1 引言

隨著大功率全控型電力電子器件的工業(yè)應(yīng)用、新型拓?fù)潆娐泛拖鄳?yīng)控制技術(shù)的發(fā)展，一種新型變壓設(shè)備——電子電力變壓器得到了越來越多的關(guān)注。

電子電力變壓器又稱固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）是一種融合了電力電子變流器和高頻隔離變壓器的變電設(shè)備，它通過電力電子變換技術(shù)和高頻變壓器的磁耦合實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換、能量傳遞和不同電壓系統(tǒng)之間電氣隔離。電力電子變壓器在解決電能質(zhì)量問題、提高系統(tǒng)運行可靠性上具有明顯的優(yōu)勢和傳統(tǒng)電力變壓器無法比擬的功能。10kV配電網(wǎng)用電力電子變壓器是目前該領(lǐng)域應(yīng)用研究的主要方向。

2 10kV電力電子變壓主電路

隨著多重化電力電子拓?fù)涞陌l(fā)展，新型的鏈?zhǔn)蕉嚯娖綋Q流器和模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)成熟為電力電子變壓的發(fā)展提供了新的技術(shù)支撐，從根本上解決電力電子變壓器接入高電壓等級電網(wǎng)的限制，同時使電力電子變壓器具備了對不同電壓等級側(cè)的電壓、電流以及有功功率、無功功率的靈活調(diào)節(jié)的能力。

新型的電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)采用高壓工頻交流-直流-高頻交流-高頻交流-直流-低壓工頻交流結(jié)構(gòu)。其中，接入高壓電網(wǎng)的電路為其前級電路，起到隔離作用的直流-高頻交流-高頻交流-直流為中間級電路，接入低壓電網(wǎng)的電路為后級電路。

10kV電力電子變壓器前級電路主要有這兩種類型。這兩種電力電子變壓器的主要區(qū)別在于其前級電力分別采用了MMC電路和鏈?zhǔn)诫娐?。采用MMC結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器由于前級電路采用了MMC電路的原因，使得采用此結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器的前級電路可以工作在極低的開關(guān)頻率下，可以大大的減小電力電子變壓器前級電路的開關(guān)損耗，從而提高電力電子變壓器的運行效率，同時由于這種電路結(jié)構(gòu)中間級并聯(lián)的數(shù)量較少，可減少一定的設(shè)備成本。

采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的電力電子變壓器，中間級電路的模塊數(shù)量較多，這樣不利于降低設(shè)備成本，但是同容量條件下，由于并聯(lián)模塊數(shù)量較多，有助于降低單臺高頻變壓器的容量，從而減低變壓器尺寸，提高功率單元的模塊化設(shè)計水平。另外，一方面由于MMC電路中接入電抗器的數(shù)量是鏈?zhǔn)诫娐返膬杀?，增加了主電路的成本；一方面由于?0kV電壓等級中MMC串聯(lián)模塊的數(shù)量較少，為了改善輸出波形，MMC結(jié)構(gòu)在調(diào)制方法上應(yīng)采較高的開關(guān)頻率，因此在高電壓系統(tǒng)中MMC單個鏈接開關(guān)損耗小的優(yōu)勢，在10kV電力電子變壓器應(yīng)用領(lǐng)域不能體現(xiàn)。兩種電力電子變壓的結(jié)構(gòu)各具優(yōu)點，就10kV電壓等級的應(yīng)用背景而言，前級電路基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的電力電子變壓器更加具有優(yōu)勢。

基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的10kV電力電子變壓是目前學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用研究中最受關(guān)注的主電路拓?fù)?。在這種電路的電力電子變壓器，其前級電路采用鏈?zhǔn)诫娐方Y(jié)構(gòu)，中間級電路采用雙有源橋式變換電路（Dual-active-bridge， DAB），后級電路采用三相橋式逆變電路。

3 10kV電力電子變壓器的前級電路

根據(jù)換流器三相接線方式的不同，電力電子變壓器前級電路所采用的鏈?zhǔn)诫娐房梢苑譃椤癥”接法和“Δ”接法兩類。當(dāng)接入相同電壓等級的電網(wǎng)時，“Δ” 接法的鏈?zhǔn)诫娐吠癥”接法的鏈?zhǔn)诫娐废啾瘸杀据^高，但是采用相同容量的鏈結(jié)時，“Δ”能夠?qū)崿F(xiàn)更大的輸出容量。在接入電壓相同的條件下，如果電力電子變壓器的設(shè)計容量較小時，采用“Y”接法的前級電路經(jīng)濟(jì)性更好，而在設(shè)計容量較大時則應(yīng)采用“Δ”接法的前級電路。

電力電子變壓器在電網(wǎng)中是一個串聯(lián)設(shè)備，而鏈?zhǔn)絊TATCOM是并聯(lián)設(shè)備，所以電力電子變壓器的電路要求必須具有更高的可靠性。為了保證設(shè)備運行的可靠性，電力電子變壓器的高壓側(cè)鏈?zhǔn)诫娐繁仨毧紤]一定的冗余度設(shè)計，其前級電路中需要留有一定數(shù)量的熱備功率單元。熱備功率單元能夠在工作的功率單元發(fā)生故障時快速的投入工作，保證電路電子變壓器能夠繼續(xù)工作。

4 10kV電力電子變壓器的后級電路

電力電子變壓器的后級電路通常有多個輸出電路，這些后級輸出電路的直流側(cè)都并聯(lián)在電力電子變壓器的后級電路的直流母線上，從而可以更加容易地實現(xiàn)多輸入或多輸出支路的擴(kuò)展。

10kV電力電子變壓器的后級電路接入的電力系統(tǒng)380V低壓電網(wǎng)。在該電壓等級的電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)采用了三相三線制和三相四線制兩種線路結(jié)構(gòu)，因此電力電子變壓器的后級電路中的輸出電路必須能夠適合接入不同線路結(jié)構(gòu)的380V電網(wǎng)。電力電子變壓器的后級電路中的輸出電路可采用兩電平全橋電路或三電平全橋電路。

5 10kV電力電子變壓器的中間級電路

考慮電力電子變壓器中需要實現(xiàn)能量的雙向流動，因此電力電子變壓器中間級的基本電路單元為雙有源橋式變換電路。

雙有源橋式變換電路是近年來研究較多的一種典型的雙向DC-DC變換器，這類變換器由兩個IGBT單相橋式變換單元、諧振電抗器和隔離變壓器組成。由于雙有源全橋雙向 DC-DC變換器結(jié)構(gòu)對稱，采用移相控制可以實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。

6 結(jié)論

本文對電力電子變壓器主電路的電路拓?fù)涞陌l(fā)展和演變過程進(jìn)行簡單歸納總結(jié)后，對10kV電力電子變壓器的兩種主電路進(jìn)行了對比，提出了10kV電力電子變壓適合的主電路結(jié)構(gòu)，并對電路電子變壓器前中后三級結(jié)構(gòu)中所示宜采用的電路進(jìn)行了分析，提出了適合的電路結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧衛(wèi)華，張波，胡宗波.電子電力變壓器電路拓?fù)渑c控制策略研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27（20）：40-44.

作者單位

1.西安西電自動化控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司 陜西省西安市 710049

2.特變電工西安電氣科技有限公司 陜西省西安市 710049endprint