[新型电力电力变压器] 10kv电力变压器

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新型电子电力变压器结构与工作原理

背景：

随着现代电网的不断发展,越来越多的分布式发电系统和分布式储能系统需要同电网相连接。新能源发电系统并网时,需要接口设备提供无功功率补偿、电压调整、智能能量管理和即插即用等功能。而传统的变压器功能有限,无法提供上述的功能。

简介：

一种新型的电力电子变压器来替代传统变压器作为新能源发电系统并网的接口设备，所谓电力电子变压器,是一种把高频变换技术和电力电子变换技术相结合,来实现电压等级变换和电气隔离等功能的静止电气设备。由于目前电力电子器件耐压等级的限制,电力电子变压器应用于高压场合时需要釆用多个低压模块级联的结构。模块级联型电力电子变压器面临的主要问题之一是各级联模块之间的均压问题,各模块之间电压不均衡会导致关器件上承受的电压超过其耐压值,造成开关器件的损坏。本文主要研究在模块级联型PWM整流级实现各级联模块的均压问题。即共同占空比控制方法和电压均衡控制方法。通过对小信号模型伯德图的分析分别得到了共同占空比控制和电压均衡控制两种控制方法下控制器的参数。

电力电子变压器的优点：

电力电子变压器具有传统变压器不具备的特点,它通过电力电子变换器对其一次侧和二次侧的电压幅值和相位进行实时控制,可以实现变压器一次侧、二次侧的电压、电流和功率 灵活调节。与传统的变压器相比,电力电子变压器具有如下特点:

体积小,重量轻,不需要变压器油,对环境没有污染。

运行时可以保证用户侧电压幅值稳定,不随着负载的变化而变化。由于一次侧和二次侧之间实现解耦,因此电网侧电压幅值的波动、电压波形的失真以及频率的波动对用户侧不会产生影响,同时用户侧产生的无功、谐波等也不会影响电网的稳定性。

具有高度的可控性,变压器一次侧和二次侧的电压和电流均可控。(4)电力电子变压器中间有直流环节,可以直接对直流负载供电。这一特点有助于直流入户概念的实现,可以节省掉大量的整流设备,降低了用电成本。

(5)含有智能控制单元,一方面可以实现变压器本身的自检测、自诊断、自保护和自恢复等功能,另一方面可以实现变压器状态或控制的联网通信,对于实现智能电网具有积极意义。

图1-1三级式电力电子变压器结构

由此可见,电力电子变压器在实现传统变压器的电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的同时,还可以实现潮流控制和电能质量控制等功能,这是电力电子变压器最突出的特点。

电力电子变压器的工作原理：

电力电子变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合,实现将一种电力特征的的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备上述的电力特征包括电压或者电流的幅值、相位、相序、波形、频率和相数等。它的主要功能包括变压、变流、电气隔离、能量传递和电能控制在结构上,电力电子变压器主要包括两个部分:高频变压器和电力电子变换器。电力电子变换器的作用是为高频变压器与电源和负载之间的连接提供接口,把电源侧的工频交流电变换为高频变压器一次侧的高频交流电或者把高频变压器输出 高频交流电变换为负载所需的电能;高频变压器把电源侧和负载侧的电力电子变换器连接起来,对高频交流电进行电压等级的变换。电力电子变压器的结构如图1-2所示。

图1-2电力电子变压器原理结构图

根据电力电子变压器原理结构图1-2,可知电力电子变压器的工作原理为:电源接到一次侧时,电力电子变换器1将输入的工频交流电变换成高频交流电,同时把高频交流电输送到同它相连的高频变压器的一次绕组,根据法拉第电磁感应定律,在高频变压器的二次绕组会感应出相应的感应电动势,这个感应电动势同电力电子变换器2相连接,通过电力电子变换器2变换成负载所需的电能形式,输出到负载上。电力电子变压器工作的基本原理如图1-3所示。

图1-3电力电子变压器工作结构图

从以上的分析可以得到如下结论:(1)电力电子变压器中电力电子变换器的主要功能是实现电压或者电流的频率控制、相位控制和谐波控制。(2)电力电子变压器中的高频变压器主要功能是电压等级的变换和电气隔离。

电力电子变压器的分类：

随着电力电子技术的逐步发展,电力电子变压器引起了越来越多学者的重视,大量的拓扑被提出,主要分为单级式,两级式和三级式几种结构,如图1-4~1-6所示。这几种结构各有优缺点,基本功能类似都可以实现交交变换,但衍生功能有所差异。目前看来三级式结构可行性最高,功能相对齐全,控制相对简单,是SST发展的主流方向,本文主要研究三级式结构的电力电子变压器。

图1-4电力电子变压器单级式结构

图1-5电力电子变压器双级式结构

图1-5电力电子变压器三级式结构

图1-6是一种目前最具有代表性的三级式电力电子变压器结构图,它的工作原理是:输入端的工频交流电通过H桥整流器变换为直流电,得到的直流电经过逆变器逆变成高频方波之后,通过高频变压器由一次绕组稱合到二次绕组,然后高频方波通过H桥整流器变换为直流,再通过逆变器逆变为负载侧所需的交流电能输出。这种结构的优点是:

可以实现输入端在单位功率因数运行;

可以抑制输入侧与负载侧之间谐波的流动;

结构简单,功率器件数相对较少。

图1-6三级式电力电子变压器模块

模块级联型电力电子变压器：

把图1-6中所示的三级式电力电子变压器输入侧串联,DC-DC变换器的输出侧并联便可以得到图1-12所示的模块级联型电力电子变压器的拓扑结构这种模块级联型的结构,可以使由低压器件构成的模块运行在高电压等级之下,并且可以使电力电子变压器的容量得到提升,同时提高等效的开关频率。

这种模块级联型电力电子变压器拓扑结构的的优点是:

输入侧可以单位功率因数运行。输入侧电压电流同相位,因此可以降低无功电流带来的损耗。

可以模块化的设计与生产。由于各个模块完全相同,因此可以减少备用容量,同时维修简单。

多个模块级联使用,在减小功率器件的电压应力的同时,可以提高等效开关频率,减小了电流中谐波分量。

可以提供低压直流接口,直接为直流负载供电,省去了整流装置,同时可以方便的将光伏、风电等新能源发电设备直流并网。

(5)通过对整个系统 控制可以实现能量的双向流动。这对于FREEDM系统中应用的分布式储能设备十分重要,在负荷低谷期是能量正向流动,将多余的电能储存到储能设备中;在负荷的高峰期,储能设备中存储的能量反向流动输送到电网屮。通过以上分析可知模块级联型电力电子变压器具有很多优点,但是由于采用了多个低压模块级联,各个模块之间由于参数或者负载不一致,会导致级联模块间直流侧电伍不平衡的现象。电压不平衡有可能导致电流谐波增多,开关器件电压应力增加甚至由于过压过流导致 关器件损坏,严重影响系统的稳定运行,因此需要解决各个模块之间的均压、均功率问题。

目前一般采用的策略是在整流测解决各个模块之间的均压问题,在DC-DC侧解决各个模块之间的均流问题论文中提出了一种基于单相D-Q矢量控制的共同占空比控制方法,这种方法的控制框图如图1-7所示。

图1-7模块级联艰电力电子变压器拓扑结构

这种控制方法的原理是:采样模块1的直流侧电压Fci,和电网侧的电压ea与电流4,使用电压电流双闭环控制。外环为电压环,通过电压环控制模块1的直流侧电压为给定值;内环为电流环,通过电流环使得电网侧电压电流同相位,从而运行在单位功率因数下。模块2和模块3的调制信号与模块1相同,使三个模块的占空比一致,这样当三个模块所带的负载相同时,三个模块的电压将会保持一致。采用了载波移相调制方法,即使模块2的载波延迟模块1的载波120°,模块3的载波延迟模块2的载波120°。这种方法可以使得级联整流器交流侧的电压波形为多电平波形(电平数为2n+l,n为级联模块的个数),可以减少谐波含量。

参考文献

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