闞興隆

摘 要：電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會不可缺少的重要組成部分，而電力變壓器廣泛應用于電力系統(tǒng)中，承擔著電位隔離、電壓變換等功能。電子電力變壓器是一種基于電力電子變流技術的新型電力變壓器，不僅可以完成傳統(tǒng)電力變壓器的功能，還具有完全的可控性、并能提供多種電能形式，所以電子電力變壓器具備解決未來電網(wǎng)面臨的諸多問題的能力。

關鍵詞：電力；變壓器；電氣高壓

一、引言

近幾十年，電力網(wǎng)絡的規(guī)模日趨擴大、結(jié)構(gòu)日趨復雜、運行方式日趨繁瑣，導致電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題日趨明顯；大量非線性和非對稱負荷接入電網(wǎng)，導致電能質(zhì)量下降，使電力系統(tǒng)不能為對電能質(zhì)量敏感的負荷提供高品質(zhì)供電；21 世紀初學者提出了“智能電網(wǎng)”的概念，作為“智能電網(wǎng)”的重要組成部分，交/直流微網(wǎng)的智能化運行方式和靈活電網(wǎng)結(jié)構(gòu)成為研究熱點，其需要靈活的交直流變換的電力接口。傳統(tǒng)電力設備尤其是傳統(tǒng)電力變壓器的智能控制手段和交直流電力接口功能非常有限，不能改善系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，不能解決電能品質(zhì)問題，不能提供智能控制，不能提供靈活交直流電力接口功能。

二、概念界定

電力變壓器（power transformer）是通過電磁感應將一個系統(tǒng)的交流電壓和電流轉(zhuǎn)換為另一個系統(tǒng)的電壓和電流的電力設備，承擔電壓隔離、電壓等級變換、能量傳輸?shù)裙δ?。電力變壓器廣泛應用于電力系統(tǒng)多個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電系統(tǒng)、輸變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)最重要的組成設備之一。

三、基于電力電子技術的電子電力變壓器的研究

內(nèi)部電氣參數(shù)模型及其分析：電子電力變壓器內(nèi)部電氣參數(shù)的建模和分析，是研究電子電力變壓器內(nèi)部電氣穩(wěn)態(tài)運行問題重要環(huán)節(jié)，在設計時即可通過建模、分析和仿真評估其穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，進而合理調(diào)整并優(yōu)化各個組成元件的設計參數(shù)，同時可以為電子電力變壓器的實時監(jiān)測、控制和保護提供參考。

硬件設計原則：電子電力變壓器內(nèi)部靜態(tài)模型的電氣參數(shù)的分析與計算，可以得到電子電力變壓器原副方直流電容電壓、中頻變壓器繞組電流、直流母排電流等的詳細的波形與量化的幅值，該結(jié)果可以直接指導電子電力變壓器的硬件選型與設計。合理的硬件設計與選型可以優(yōu)化整個裝置的體積，降低成本，減少運行風險。

動態(tài)模型研究：在電子電力變壓器啟動、工作點偏移和內(nèi)部或外部的發(fā)生故障的情況下，其內(nèi)部電氣運行參數(shù)會發(fā)生變化，研究人員需要研究電子電力變壓器內(nèi)部動態(tài)模型及其電氣參數(shù)的變化規(guī)律，研究其暫態(tài)和動態(tài)特性。在保證其裝置安全的情況下，結(jié)合其動態(tài)模型研究結(jié)果，通過調(diào)整合適的控制方式提高其故障穿越能力。

四、10k V 電子電力變壓器工業(yè)樣機關鍵環(huán)節(jié)設計與實現(xiàn)

1.主回路拓撲與控制系統(tǒng)設計

該電子電力變壓器樣機的拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示。原方為Y型接法，由于現(xiàn)場的10k V電網(wǎng)無中性點，所以原方Y(jié)型的中性點浮地；副方為Y型接法，由于現(xiàn)場的400V電網(wǎng)為三相四線制，所以副方Y(jié)型的中性點接出。

2.關鍵元件的選型與設計

（1）直流母排設計。在大功率電力電子變換器中，直流母排起到了非常關鍵的作用：用于完成電力電子產(chǎn)品中功率電路和器件的電氣連接，通過正負極層疊平行分布的結(jié)構(gòu)形式降低線路雜散電感，從而降低功率元件兩端的反向峰值電壓，降低功率器件對電壓保護吸收電路的要求，提高功率器件運行的可靠性和穩(wěn)定性，同時提高了電路的集成度，便于維修維護。直流母排的設計可以參考如下原則：

第一，盡可能保證正負母排面積重合，不建議設計為正負母排不完全重合形式。

第二，盡可能保證正負兩極的導通路徑相等。

第三，盡可能保證正負兩極的導通回路閉合的面積最小?？臻g上的直線排布可以使其面積最小，可使其雜散電感最小，所以推薦保證每個IGBT對應一個或多個直流電容。

第四，直流母排所有出線的端子必須加支撐。功率胞外部接線多使用電纜或銅排，這些接線會對端子產(chǎn)生較大的機械應力；受制于加工精度，某些連接端子存在安裝誤差，可能會造成母排端子和IGBT端子產(chǎn)生持續(xù)應力。短時過大的應力或長期承受應力，可能會對直流母排結(jié)構(gòu)和IGBT端子產(chǎn)生破壞性影響，所以端子的支撐是必須的。

（2）冷卻系統(tǒng)設計。電子電力變壓器冷卻系統(tǒng)的設計直接影響電力電子變壓器的整體結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟指標和技術水平，是電子電力變壓器設計工作中的重要一環(huán)。本裝置使用的冷卻系統(tǒng)為水冷和風冷混合式散熱方案，水冷系統(tǒng)對功率器件進行散熱，強迫風冷實現(xiàn)對磁性元件的散熱。水冷系統(tǒng)由水冷散熱片、泵系統(tǒng)、水風換熱系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。散熱片設計分為以下幾個部分：器件損耗、結(jié)溫計算、熱阻計算。

（1）高低壓功率胞設計。級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)電子電力變壓器容易實現(xiàn)模塊化設計，便于進行冗余設計，便于生產(chǎn)、安裝、檢修等，從硬件上提高裝置的可靠性和可維護性。所以其高低壓側(cè)功率胞的設計遵循模塊化的設計理念，其高低壓側(cè)功率胞分別設計為完全相同的單元。

（2）高低壓功率胞耐壓實驗。高低壓側(cè)功率胞安裝完成之后，需要進行絕緣耐壓實驗。該絕緣試驗參考國家標準和電力行業(yè)標準，對10k V EPT裝置進行一系列絕緣試驗。

（3）電子電力變壓器功率柜設計。電子電力變壓器柜體設計設計同樣需要考慮絕緣爬電和電氣間距的國標要求。除了電子電力變壓器功率胞安裝裝配的柜體之外，還有輸入開關柜、啟動電阻和boost電感柜、主控制柜、冷卻系統(tǒng)柜等。

五、結(jié)束語

電子電力變壓器是智能電網(wǎng)重要的組成部分，其擁有良好的可控性、優(yōu)秀的諧波抑制能力、靈活的接口和拓撲結(jié)構(gòu)等，在電力系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的可控性能，已經(jīng)成為眾多學者研究的熱點。

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