電力電子變壓器及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

姚圭宇

摘 要 電力電子變壓器是智能的電力變壓器，通過電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電源的靈活控制。傳統(tǒng)的電力變電器存在著會(huì)對電力系統(tǒng)的安全帶來威脅的缺點(diǎn)，這使得傳統(tǒng)的電力變電器難以滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求。運(yùn)用電子技術(shù)對傳統(tǒng)電力變壓器進(jìn)行創(chuàng)新而形成了電力電子變壓器，是當(dāng)代電力系統(tǒng)發(fā)展的必然產(chǎn)物。文章論述了電力電子變壓器的研究背景、概念及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 電力電子變壓器；電力系統(tǒng)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）06-0111-02

電力變壓器主要作用是電壓升降和系統(tǒng)隔離，是電力系統(tǒng)中最基本的輸變電設(shè)備。傳統(tǒng)的電力變電器存在著一定的缺點(diǎn)，會(huì)對電力系統(tǒng)的安全帶來威脅，導(dǎo)致傳統(tǒng)的電力變電器難以滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求。運(yùn)用電子技術(shù)對傳統(tǒng)電力變壓器進(jìn)行創(chuàng)新是當(dāng)代電力系統(tǒng)發(fā)展的必然選擇。本文論述了電力電子變壓器的概念、其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了電力電子變壓器更加適合于當(dāng)代電力系統(tǒng)。

1 電力電子變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用的背景

電力系統(tǒng)隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展而有了巨大的變化。大型和超大型的電力系統(tǒng)的出現(xiàn)使得電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，打破了地域之間的阻斷，不斷跨區(qū)域發(fā)展，這種發(fā)展也對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求；除了傳統(tǒng)的發(fā)電方式之外，風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生能源發(fā)電也得到了快速的發(fā)展，多種發(fā)電形式并存的現(xiàn)狀使電力系統(tǒng)出現(xiàn)了并入和轉(zhuǎn)換的問題；科技技術(shù)不斷發(fā)展，敏感負(fù)荷的接入使得電力系統(tǒng)出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題。電力系統(tǒng)要面對的問題和調(diào)整越來越多、越來越艱巨，傳統(tǒng)的電力變壓器在這種背景之下呈現(xiàn)出了不足之處，對電力變壓器進(jìn)行創(chuàng)新才能夠真正滿足當(dāng)代電網(wǎng)的新需求。

2 電力電子變壓器概述

電力電子變壓器是利用電力電子變化技術(shù)和電磁感應(yīng)原理將電力特征（電壓、電流的頻率和幅值等）能量從一種轉(zhuǎn)化為另一種的電力設(shè)備。

電力電子變壓器相對于傳統(tǒng)的電力變壓器而言，不同之處在于電力電子變換技術(shù)的引入。正是由于這個(gè)原因，電力電子變壓器能夠?qū)σ弧⒍蝹?cè)的電壓實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，使電力系統(tǒng)的電壓、功率和電流等的控制能夠更加靈活。電力電子變壓器不僅具有傳統(tǒng)電力變壓器的功能，而且還增加了一些符合現(xiàn)代電力系統(tǒng)需求的新功能，例如提高穩(wěn)定性、優(yōu)化配置各種電源、改善供電質(zhì)量、控制功率潮流等。

3 電力電子變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

雖然在當(dāng)前的電力系統(tǒng)中電力電子變壓器還沒有大范圍的使用，但是電力電子變壓器固有的特點(diǎn)能夠解決當(dāng)代電力系統(tǒng)中的新問題，已經(jīng)在初步的使用中表現(xiàn)出了不凡的成績。

3.1 配電網(wǎng)供電質(zhì)量改善中電力電子變壓器的應(yīng)用

配電線路中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)電壓的突升、突降、閃變和波動(dòng)的電壓擾動(dòng)問題，通過在配電端架動(dòng)態(tài)電源恢復(fù)器是目前解決這些問題的常用方法。這種傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器消除系統(tǒng)電源擾動(dòng)的方式是對系統(tǒng)注入一股補(bǔ)償電壓，但是補(bǔ)償電壓是由可調(diào)自耦變壓器和隔離變壓器來產(chǎn)生的，這種不連續(xù)的調(diào)節(jié)降低了動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器對于系統(tǒng)的響應(yīng)速度，會(huì)出現(xiàn)不能將電壓波動(dòng)完全消除的情況。另一方面，由于內(nèi)部構(gòu)成的問題，傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的體積比較大、成本都比較高。

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器是在電力電子變壓器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，能夠極大地提高對動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器有三個(gè)組成部分：輸入級(jí)對輸入功率因數(shù)和直流輸入電壓實(shí)現(xiàn)可控，主要構(gòu)成是三相工頻PWM整流器；隔離級(jí)具有系統(tǒng)隔離和直流電壓變壓的功能，主要構(gòu)成是高頻隔離變壓器、單相高頻整流、單相高頻逆變；輸出級(jí)實(shí)現(xiàn)三相輸出電壓獨(dú)立控制，主要構(gòu)成是單相工頻電壓源逆流器。

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器采用的是符合控制的方式，也就是說動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償指令有兩個(gè)，一個(gè)是電網(wǎng)側(cè)電壓，主要是利用電壓諧波補(bǔ)償指令來提高穩(wěn)定性和響應(yīng)速度；另一個(gè)是負(fù)載側(cè)電壓，主要是針對修整器壓變內(nèi)阻和漏抗。這種控制方式與之前的方式先比能夠更好的改善電壓的補(bǔ)償效果。

3.2 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征改善中電力電子變壓器的應(yīng)用

我國國土面積廣的特點(diǎn)使電源點(diǎn)與負(fù)荷區(qū)的距離較遠(yuǎn)，形成了我國的輸電系統(tǒng)具有電壓高、距離遠(yuǎn)、容量大的特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)西電東送這樣的遠(yuǎn)距離送電必須首先保證輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定。在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中，運(yùn)用電力電子變壓器能夠使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和電力電子變壓器協(xié)調(diào)控制，能夠保證遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在電力系統(tǒng)中電壓、電流、功率的調(diào)節(jié)需要通過電力電子變壓器來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際需要，功率要在電力電子變壓器與電力系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)交換和流動(dòng)，通過提高電力系統(tǒng)的阻尼來抑制電壓擾動(dòng)造成的震蕩，使其快速回復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)運(yùn)行，這就在很大程度上提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 分布式電源并網(wǎng)中電力電子變壓器的應(yīng)用

由于煤、石油等化石資源的不斷減少，對可再生能源的利用越來越受到人們的重視。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電將在未來得到廣泛的應(yīng)用，而這些發(fā)電技術(shù)的使用將會(huì)使得電力系統(tǒng)中接入大量的分布式電源。分布式電源由于其容量小、交直流兼有的特性使得電壓或者頻率波動(dòng)比較大，如果將這種電源直接接入到電力系統(tǒng)中，會(huì)沖擊電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電、小水電、燃燒電池、太陽能等發(fā)電產(chǎn)生的分布式電源都需要不同的電力電子變壓器的輸入級(jí)，而電力電子變壓器的中間隔離級(jí)、輸出級(jí)就與一般的配電系統(tǒng)中的電力電子變電器的結(jié)構(gòu)基本一樣。要實(shí)現(xiàn)分布式電源并入電網(wǎng)時(shí)運(yùn)行能夠與電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，而且將這些能源利用高功率因數(shù)的方式回饋到電網(wǎng)，這就要求電力電子變壓器輸出級(jí)并網(wǎng)電流為與電網(wǎng)電壓同頻率、相位的正弦波。

3.4 柔性交流輸電技術(shù)中電力電子變壓器的使用

柔性交流輸電技術(shù)中，對電力電子變壓器主要的應(yīng)用為與其結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)高壓鍛煉限流器和不間斷供電技術(shù)。

在線式不間斷電源能夠向負(fù)荷不間斷地供電，是將蓄電池組安裝到電力電子變壓器的直流環(huán)節(jié)。電網(wǎng)正常工作時(shí)，對負(fù)荷供電的工作有配電網(wǎng)通過電力電子變壓器來完成，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障，配電網(wǎng)無法向負(fù)荷供電時(shí)，電力電子變壓器內(nèi)部配備的蓄電池組就會(huì)代替配電網(wǎng)向負(fù)荷進(jìn)行不間斷的供電，直到配電網(wǎng)供電再次恢復(fù)。

4 總結(jié)

通過對電力電子變壓器及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，本文得出了電力電子變壓器除了傳統(tǒng)電力變壓器所具備的電壓變換和能力傳遞的功能之外，還具有很多適應(yīng)了當(dāng)代電力系統(tǒng)需求的新功能。電力電子變壓器是對傳統(tǒng)電力變壓器從原理到結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，必將在未來的電力系統(tǒng)中得到更為廣泛的使用，為電力系統(tǒng)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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