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固態(tài)變壓�
閱讀�7463時間�2018-01-29 10:35:30

固態(tài)變壓�又稱電力電子變壓�(Electronic Power Transformer,EPT�,是一種將電力電子變換技�(shù)和基于電磁感�(yīng)原理的高頻電能變換技�(shù)相結(jié)合,�(shí)�(xiàn)將一種電力特征的電能�(zhuǎn)�?yōu)榱硪环N電力特征的電能的靜止電氣�(shè)�。與常規(guī)變壓器相�,EPT有很多優(yōu)�(diǎn),其突出特點(diǎn)在于可以�(shí)�(xiàn)原方電流、副方電壓以及功率的靈活控制。EPT�(yīng)用于電力系統(tǒng)后將會改善電能質(zhì)�,提高系�(tǒng)�(wěn)定性,�(shí)�(xiàn)靈活的輸電方式以及電力市場下對功率潮流的�(shí)時控�?,F(xiàn)階段SST除用于新能源智能微網(wǎng)�(lǐng)�,在傳統(tǒng)電網(wǎng)�,主要用于解決配電網(wǎng)的電壓擾動問題�

簡介

  電力變壓器作為電壓變換和電氣隔離的基�(chǔ)�(shè)�,是電力系統(tǒng)中網(wǎng)�(luò)連接的核心,在輸配電�(lǐng)域均有應(yīng)�。目前系�(tǒng)中采用較多的是鐵芯油浸式變壓器,雖經(jīng)過導(dǎo)磁材料和鐵芯�(jié)�(gòu)等一系列改�(jìn)�,效率和可靠性得到很大提�,但用戶需求越來越大,供電可靠性和電能�(zhì)量標(biāo)�(zhǔn)也隨之提高,此時傳統(tǒng)鐵芯式變壓器的缺陷和不足突顯:體積和重量大,電壓等級和功率容量提升增加變壓器的空載損�,一次側(cè)電壓幅值變動會影響二次�(cè)輸出電壓,負(fù)荷變化帶來二次側(cè)輸出電壓不穩(wěn)�,鐵芯飽和時�(chǎn)生的諧波造成勵磁涌流,一次側(cè)和二次側(cè)的諧波侵入誘�(fā)新的故障�。需�(jìn)行電壓變換和�(diào)整,同時對功率流動�(jìn)行靈活控�,兼?zhèn)涔收显\斷和隔離。傳�(tǒng)變壓器的局限性顯然不能滿足上述要求�
  為實(shí)�(xiàn)改善系統(tǒng)電能�(zhì)量的目標(biāo),同時為新能源并�(wǎng)提供智能化接�,一種新型變壓器�(yīng)�(yùn)而生,即為固�(tài)變壓�(Solid State Transformer, SST)。隨著大功率電力電子器件制作工藝和性能的提�,涌�(xiàn)了許多基于電力電子的電能�(zhì)量調(diào)節(jié)裝置,如DVR(Dynamic Voltage Regulator), APFC(Active Power Factor Correction),UPFC(LJnified Power Flow Controller)�。固�(tài)變壓器在高頻變壓器的基礎(chǔ)上融合了電力電子變換技�(shù),亦稱電子電力變壓器(Electronic Power Transformer, EPT)或電力電子變壓器((Power Electronic Transformer, PET);它能整合上述電能�(zhì)量調(diào)節(jié)器的功能。又因其控制的靈活性和易于拓展的特�(diǎn),又稱智能通用變壓�(Intelligent Universal Transformer, IUT)�
  固態(tài)變壓器是一種基于電磁感�(yīng)原理的高頻耦合裝置,并�(jié)合先�(jìn)的電力電子變流技�(shù),實(shí)�(xiàn)電能變換的靜止電氣設(shè)�� SST集電氣隔�、電壓變換、無功補(bǔ)�?shù)裙δ苡谝簧?,通過對傳�(tǒng)變壓器和電力電子�(shè)備的集成�,可提高電網(wǎng)�(shè)備的智能化水平。相較于常規(guī)電力變壓�,SST的主要優(yōu)勢在�:�(huán)境友好,占地�,無變壓器油,污染少;原副方電壓幅值可保持恒定,不因負(fù)載切換而發(fā)生大幅波�;高低壓側(cè)交流波形畸變率小,基本為正弦,功率因�(shù)控制靈活;可實(shí)�(xiàn)斷路器的部分功能,瞬間關(guān)斷故障電�,繼電保�(hù)裝置較傳�(tǒng)變壓器相對簡�;可配置智能控制單�,便于設(shè)備層面配合實(shí)�(xiàn)自愈功能,亦可實(shí)�(xiàn)�(lián)�(wǎng)通信,有利于電網(wǎng)智能��

原理

  SST又叫電力電子變壓�(Power Electronic Transformer, PET)或者電子電力變壓器(Electronic Power Transformer, EPT,是利用電力電子變換技�(shù)來實(shí)�(xiàn)電壓等級�(zhuǎn)換和電力傳輸?shù)闹悄芑O(shè)��
  其基本原理如�:首先工頻交流信號�(jīng)電力電子變換器變換為高頻方波信號,信號通過高頻隔離變壓器傳�,再�(jīng)電力電子變換器將高頻方波信號還原成工頻交流信號。該過程可以通過控制器對電力電子變換裝置�(jìn)行適�(dāng)?shù)目刂苼硗瓿伞?BR>  由固�(tài)變壓器的基本原理,可以看出其相對于傳�(tǒng)變壓器的�(yōu)�(diǎn):
 ?�?)采用了高頻變壓�,而非工頻變壓�,因此變壓器的體積和重量都大大減小�
 ?�?)通過適當(dāng)?shù)目刂疲梢詫?shí)�(xiàn)輸入�(cè)單位功率因數(shù)�(yùn)�,可以吸收負(fù)載側(cè)無功功率和隔離諧波電�,抑制諧波雙向流�,有效改善電能質(zhì)��
  �3)可以消除電源側(cè)電壓過壓或欠壓對�(fù)載側(cè)電壓的影�,保證負(fù)載側(cè)電壓幅值、頻�、波形的�(wěn)��
 ?�?)含有交直流接口,方便分布式�(fā)電系�(tǒng)的聯(lián)�(wǎng)和直流負(fù)載的接入�
 ?�?)全�(shù)字化控制,方便采集電�(wǎng)信息和聯(lián)�(wǎng)通信,從而能�?qū)崿F(xiàn)潮流控制,還可與柔性交流輸電協(xié)同工�,增�(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠��
  可見,固�(tài)變壓器比傳統(tǒng)電力變壓器更能夠滿足智能電網(wǎng)的要�,且更能滿足用戶對電�(wǎng)的個性化需求�

缺點(diǎn)

  近幾十年�,電力系�(tǒng)�(fā)展迅速,且呈�(xiàn)出幾大特�(diǎn):
  一、電力系�(tǒng)從剛開始的跨市連接到現(xiàn)在的跨省級、跨區(qū)域連接,規(guī)模越來越�,如何保證超大規(guī)模力系統(tǒng)的安全性和�(wěn)定性是需要嚴(yán)肅考慮的問題�
  �、能源危�(jī)日趨�(yán)�,因�,可再生能源分布式發(fā)電系�(tǒng)如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等越來越受到重�,而分布式�(fā)電系�(tǒng)接入電網(wǎng)又會引發(fā)一系列控制問題�
  三、用電負(fù)荷多樣性增�,非線性負(fù)荷越來越�,而非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波會對電網(wǎng)�(chǎn)生影響,使得電能�(zhì)量問題日益突�。面對電力系�(tǒng)新的挑戰(zhàn),傳�(tǒng)電力變壓器作為電力系�(tǒng)輸配電中基本的電力設(shè)�,其過于單一的功能也越來越不能滿足現(xiàn)代電力系�(tǒng)的需��
  目前,傳�(tǒng)變壓器采用油浸式變壓�,雖然傳�(tǒng)變壓器工作效率高、可靠性高且價格低�,但是傳�(tǒng)變壓器也有不可忽視的缺點(diǎn),包�:
  (1)體積大、過于笨��
  (2)電網(wǎng)�(cè)與負(fù)載側(cè)沒有�(shí)�(xiàn)隔離,因此電�(wǎng)�(cè)和負(fù)載側(cè)的擾動和故障會互相禍�。電�(wǎng)�(cè)�(fā)生電壓跌落和閃變會禍合到�(fù)載側(cè),同樣,�(fù)載側(cè)的諧波也會禍合到電網(wǎng)�(cè),污染電�(wǎng),影響電�(wǎng)的穩(wěn)定��
  (3)�(fù)載側(cè)電壓受負(fù)載影響較大,�(fù)載發(fā)生很大的變化�,負(fù)載側(cè)電壓波動大�
  (4)沒有直流接口和儲能的能力�
  (5)若變壓器�(fā)生漏油,會造成�(huán)境污��
  隨著電力電子器件的飛速發(fā)�,電力電子技�(shù)在電力系�(tǒng)中應(yīng)用的越來越多。現(xiàn)代系�(tǒng)�,許多機(jī)械式、電磁式�(shè)備都在被新型電力電子�(shè)備替�,使得電力系�(tǒng)能夠更好的實(shí)�(xiàn)自動�、智能化和靈活化。例�,高壓直流輸�( HVDC )、靜止無功補(bǔ)償裝�(( SVC )、有源電力濾波器(APF)、電能質(zhì)量控制器(UPQC)、統(tǒng)一潮流控制�(UPFC)等電力電子設(shè)備廣泛運(yùn)用于輸電和配電中??紤]到當(dāng)今電力系�(tǒng)的特�(diǎn)和傳�(tǒng)變壓器的不可避免的缺�(diǎn),那么是否也可以將電力電子技�(shù)�(yùn)用到電力變壓器中,因此固�(tài)變壓器應(yīng)�(yùn)而生�

�(yīng)�

  隨著�(shí)際生�(chǎn)中對電能�(zhì)量的要求越來越高,傳�(tǒng)的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝�(如靜止同步補(bǔ)償器、動�(tài)電壓恢復(fù)�、有源電力濾波器和綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等)功能較為單一,若為滿足全部電能要求逐個安�,成本高,效率低,加之傳�(tǒng)變壓器及其配套監(jiān)�,整個系�(tǒng)�(fù)雜性提高,不利于電能質(zhì)量的控制。SST具備解決這一問題的高性價�,因其本身具備無功補(bǔ)�?shù)墓�?,可靈活�(yīng)對電壓上升、電壓閃�、電壓諧�、電壓跌落及三相輸出電壓不平衡等工況,并具備極短時間�(guān)斷故障電流的能力,兼顧了斷路器功能。除電力系統(tǒng)�,若對電能變換裝置的重量和體積有特殊要求,如化工、航�、軍�、醫(yī)�、航海等�(lǐng)域,SST亦將擁有�(shí)際的�(yīng)用前��
  SST具備原副方電壓電流實(shí)時控制,靈活�(diào)節(jié)的能�,功率可雙向流動,交直流均有,對分布式電源有很強(qiáng)的兼容�。通過SST本身的監(jiān)測控制功能和一定的通訊功能,可�(xié)�(diào)控制多臺SST控制新能源微�(wǎng)�(nèi)的功率流�,提高能源利用效�,同時可適時地將微網(wǎng)接入大電�(wǎng),必要時提供電壓和頻率支�,無需額外增加�(diào)壓和�(diào)頻設(shè)�。因�,風(fēng)電、太陽能、蓄電池這類電源可利用SST�(jìn)行整合,�(shí)�(xiàn)多元化能源集中控�?,F(xiàn)代電�(wǎng)自動化程度較高,輔助以人工智�,將推�(jìn)電網(wǎng)智能化建�(shè),基于固�(tài)變壓器的控制即為一種智能型體現(xiàn)。在電力系統(tǒng)�(fā)生嚴(yán)重故�,甚至崩潰解列的情況�,SST切換于不同模式,先滿足當(dāng)?shù)�?fù)載的用電需�,待系統(tǒng)恢復(fù)供電,正常運(yùn)行時又可將負(fù)載轉(zhuǎn)移至大電�(wǎng),即所謂的黑啟�:在沒有外部輔助電源的情況�,逐步恢復(fù)對負(fù)載側(cè)的正常供電。當(dāng)然這需要建立在SST完善的控制模式基�(chǔ)�,即微網(wǎng)并網(wǎng)情況下的�(fù)載運(yùn)行模式和孤島�(yùn)行模式�
  �(xiàn)階段SST除用于新能源智能微網(wǎng)�(lǐng)�,在傳統(tǒng)電網(wǎng)�,主要用于解決配電網(wǎng)的電壓擾動問題。常�(guī)的解決辦法是采用動態(tài)電壓恢復(fù)�,其工作原理是通過一個隔離變壓器和可�(diào)自藕變壓器產(chǎn)生一個補(bǔ)償電壓輸送至電力系統(tǒng)。但變換效率不高,響�(yīng)速度慢,變壓器成本高,體積大。固�(tài)變壓器則不存在上述問題,因其二次�(cè)輸出電壓可調(diào)且能維持恒定,而且變換效率�,體積小,足夠滿足敏感負(fù)荷的電能要求。又因SST具備直流接口,可將蓄電池或超級電容接�,利用蓄電池的充放電特性和超級電容吸收釋放電能的原�,來�(yīng)對瞬時電壓中�,提高供電可靠性�

典型�?fù)浼翱刂品�?/span>

  高頻耦合的AC/AC電路
  上世紀(jì)七十年代,美國GE公司的W.McMurray提出一種基于高頻藕合的AC/AC電路�(jié)�(gòu)�
  電路工作的基本原理為:采用移相控制的方�,原方開�(guān)S1和s2互補(bǔ)�(dǎo)��
  工作在高頻狀�(tài),輸入的低頻交流或直流信號被逆變?yōu)楦哳l信號,經(jīng)高頻變壓器禍合到副方,副方開�(guān)S3和S4通斷與S1和S2同步,觸�(fā)相位上相差角�,控制移相角即可控制變換器輸出電壓幅�。當(dāng)移相角等�0時,變換后的副方電壓波形與原方電壓相�;�(dāng)移相角不等于0�,輸出電壓波形呈�(xiàn)一定規(guī)律的正弦變化,在變壓器副方配置輸出濾�,方可得到正弦波形的電壓。作為現(xiàn)代電力電子變壓器的早期雛�,該�(shè)計思想也是后期固態(tài)變壓器發(fā)展的基礎(chǔ)�
  三級�(jié)�(gòu)的固�(tài)變壓�
  20世紀(jì)�,出�(xiàn)了一種針對電力電子變壓器的三級結(jié)�(gòu),由Runan和Sudnoff兩人提出,該變壓器由高壓�(輸入�)、隔離級和低壓級(輸出�)�(gòu)�。這是固態(tài)變壓器領(lǐng)域首次嘗試三級結(jié)�(gòu)�?fù)?,受制于?dāng)時的功率器件耐壓水平,高壓側(cè)多采用多個模塊串�(lián)分壓,各級模塊內(nèi)部相互獨(dú)�。輸入級模塊為整流器,可�(shí)�(xiàn)單位功率因數(shù),該級將輸入的交流變換為直流;隔離級將直流信號�(jīng)過直一交一直變換后還原為直�,隔離級的輸出直流并�(lián)后送入輸出�,輸出級將直流逆變?yōu)樗韫ゎl交流后輸�。此種結(jié)�(gòu)較好地滿足了降壓變原方高電壓小電流和副方低電壓大電流的要求。但該固�(tài)變壓器的局限性在于其只能�(shí)�(xiàn)功率的單向流�,且對無功的�(diào)整不夠靈活�

展望

  固態(tài)變壓器基本都采用三級� (直流固態(tài)變壓器除�),都使用了高頻變壓器和DAB�(jié)�(gòu),主要是�?yàn)楦哳l變壓器的體積小,傳輸效率�,以及DAB能實(shí)�(xiàn)能量雙向流動�
  雖然固態(tài)變壓器較傳統(tǒng)變壓器有很多�(yōu)�,但損耗大、可靠性低、成本高和短路特性等都是固態(tài)變壓器的弱點(diǎn)。但是固�(tài)變壓器由于擁有傳�(tǒng)電力變壓器所不具備的�(qiáng)大功能和諸多�(yōu)�(diǎn),隨著電力電子器件技�(shù)的發(fā)展和電力電子變換技�(shù)的�(jìn)步,固態(tài)變壓器造價會逐漸降低,可靠性會逐步提高,效率會不斷提升,取代傳�(tǒng)變壓器成為可能,而控制靈�、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)也使得固�(tài)變壓器具有更廣闊的應(yīng)用前��

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