固態(tài)變壓器模型分析

孫忠鳴++張海燕++郭建++宋飛宇++宋治楷

摘 要：固態(tài)變壓器又稱(chēng)電力電子變壓器（SST），能有效管理分布式可再生能源。詳細(xì)分析了基于6.5 kV硅IGBT的級(jí)聯(lián)多電平第一代固態(tài)變壓器、基于15 kV碳化硅MOSFET的第二代固態(tài)變壓器、基于碳化硅功率模塊和無(wú)線電力傳送的第三代固態(tài)變壓器模型。

關(guān)鍵詞：固態(tài)變壓器；能源互聯(lián)網(wǎng)；整流器；高頻變壓器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.092

美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)的FREEDM中心提出了能源互聯(lián)網(wǎng)，其整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備是固態(tài)變壓器，被稱(chēng)之為能源路由器，主要作用為有效管理分布式可再生能源。

固態(tài)變壓器的主要優(yōu)點(diǎn)為體積小、質(zhì)量輕，具備瞬時(shí)電壓調(diào)整、電壓下降補(bǔ)償、故障隔離、功率因數(shù)校正、諧波隔離和直流輸出等功能。

1 第一代固態(tài)變壓器

2008年，F(xiàn)REEDM中心已經(jīng)開(kāi)始研究基于6.5 kV的IGBT固態(tài)變壓器。

1.1 AC/DC整流器設(shè)計(jì)

整流器包括濾波電感以及由3個(gè)全橋整流器和3個(gè)濾波電容構(gòu)成的高壓側(cè)直流母線。其等效狀態(tài)方程為：

. （1）

式（1）中：va和ia為交流電網(wǎng)的電壓和電流；da為等效共同占空比；vc為直流側(cè)的電壓。

1.2 雙主動(dòng)橋分析和變壓器設(shè)計(jì)

雙主動(dòng)橋即直流-直流變換器，含有高頻變壓器，其等效狀態(tài)方程為：

. （2）

式（2）中：變壓器的匝比n=Np/Ns；d為等效占空比；fs為開(kāi)關(guān)頻率；vc1和vc2為雙主動(dòng)橋輸入、輸出側(cè)的直流母線電容電壓。

在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)，為了使其性能達(dá)到最佳，還需要考慮2個(gè)非常重要的問(wèn)題，即雙主動(dòng)橋中的變壓器漏感問(wèn)題和各部件之間可能發(fā)生的擊穿問(wèn)題。通常情況下，高頻變壓器可以選用多種磁芯材料，比如硅鋼、納米晶體和非晶態(tài)合金等。

1.3 逆變器設(shè)計(jì)

逆變器的開(kāi)關(guān)模型與整流器類(lèi)似，其狀態(tài)方程如下

. （3）

式（3）中：vin為輸入端的電壓；v0為逆變輸出端的電壓；iL為輸出側(cè)的電感電流。

2 第二代固態(tài)變壓器

由于第一代固態(tài)變壓器使用了大量的功率器件和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此，具有效率低、體積大的特點(diǎn)。而新的固態(tài)變壓器的體積更小、質(zhì)量更輕、效率更高。

2.1 AC/DC整流器設(shè)計(jì)

固態(tài)變壓器整流級(jí)的前端直接與配電網(wǎng)相連，可將正弦交流電變?yōu)橹绷麟?。為了?shí)現(xiàn)電力的雙向流動(dòng)，固態(tài)變壓器整流級(jí)拓?fù)鋷в?個(gè)功率器件的全橋電路，因此，它可以控制交流輸入電壓和輸入電流的相位。

2.2 雙半橋分析和變壓器設(shè)計(jì)

由于固態(tài)變壓器會(huì)輸入高電壓和低電流，因此，需要考慮SiC MOSFET的電流能力，雙主動(dòng)橋可改變成雙半橋。雙半橋的一個(gè)橋臂上有兩個(gè)串聯(lián)電容，能阻斷磁化電流的直流分量，并能自動(dòng)平衡變壓器的通量。

雙半橋的輸出功率為：

. （4）

式（4）中：vin和vout分別為輸入和輸出電壓；f為開(kāi)關(guān)頻率；Le為變壓器漏電感；φ為相移角度。

固態(tài)變壓器中的高頻變壓器設(shè)計(jì)存在2個(gè)問(wèn)題，即高壓隔離和漏感對(duì)電力傳輸?shù)挠绊?。此外，變壓器的形狀、匝?shù)和線圈纏繞方式都會(huì)影響漏感和磁化電感。

3 第三代固態(tài)變壓器

第三代固態(tài)變壓器的設(shè)計(jì)目標(biāo)為提高能源利用效率和隔離能力，并創(chuàng)新混合碳化硅半導(dǎo)體模塊和變壓器。第三代固態(tài)變壓器設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題有以下3個(gè)：①較難設(shè)計(jì)出可靠性高、成本較低的高壓電源；②變壓器的隔離問(wèn)題；③高壓模式下多回路控制的魯棒性是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

固態(tài)變壓器具有傳統(tǒng)變壓器所不具備的強(qiáng)大功能，將逐漸取代傳統(tǒng)的固態(tài)變壓器。本文分析了三代固態(tài)變壓器的模型，并給出了目前國(guó)際上關(guān)于固態(tài)變壓器的最新研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向。

〔編輯：張思楠〕