配電網(wǎng)電力電子變壓器技術綜述

姜飛飛

摘要：如電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，哪怕僅僅是一個很小的故障都有能可能引發(fā)輸電線路上的各種問題，甚至引發(fā)輸電系統(tǒng)崩潰，影響正常生活生產。變壓器繼電保護技術是當前保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要技術，隨著該技術的發(fā)展不僅為各行的發(fā)展提供了良好的供電系統(tǒng)，還極大程度上節(jié)省了國家資源。指出多樣化的功能和靈活的控制特性使得電力電子變壓器在未來配電網(wǎng)中的應用具有廣闊的發(fā)展空間。

關鍵詞：配電網(wǎng);電力電子;變壓器技術

引言

隨著國家綠色低碳節(jié)能要求越來越高，國內變壓器制造廠商圍繞節(jié)能、可靠性、全生命周期等綠色節(jié)能需要，制造出更低損耗要求的變壓器，同時一些廠家也開發(fā)了一些新的變壓器。

1、電子變壓器技術概述

從長遠來看，電力電子變壓器不僅體積小、重量輕、損耗低、無污染，而且適用于中高壓大功率場合，有利于豐富系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)性能。對于電力電子變壓器的拓撲結構、控制策略以及應用投入等方面的研究具有十分重要的意義。從現(xiàn)有的電力電子變壓器文獻綜合分析來看，PET作為一種新型的能量轉換智能設備，能夠適應很多場合的生產以及發(fā)、供電系統(tǒng)當中，目前在分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)、電力機車牽引車載變流器系統(tǒng)、智能電網(wǎng)/能源互聯(lián)網(wǎng)上的應用比較密集。PET除涵蓋常規(guī)變壓器的功能以外，還可以實現(xiàn)對電網(wǎng)運行的實時調控，依靠重量低、體積小、控制靈活等特點吸引了眾多科研工作者對PET的深入研究，使得的PET發(fā)展得越來越成熟，廣泛應用于醫(yī)療、銀行、工業(yè)、軍事、航天等對電能質量敏感的領域，為社會帶來非同凡響的經(jīng)濟效益。

2、配電網(wǎng)電力電子變壓器技術的研究

2.1、PET的發(fā)展

PET最早是由W麥克默里在1970年提出的，高頻變換原理可以看作是PET的最初設想。J.L.Brooks在基于Buck電路實現(xiàn)了AC/AC變換和降壓功能之后，美國電力科學研究院對此結構進行了進一步研究和完善，并于1995年制作出了Pete實驗樣機。該拓撲采用非隔離型Buck變換。圖中開關交替導通以實現(xiàn)降壓目的，雖然結構簡單，但是電路無隔離且每個開關均需承受原邊高電壓和副邊大電流，電路可擴展性不強。單級型PET是將原邊工頻交流信號調制為高頻交流信號，經(jīng)高頻變壓器變換后再還原為工頻交流信號。由于這類拓撲只經(jīng)過一次電能變換，其結構相對簡單。但其變換環(huán)節(jié)缺少直流環(huán)節(jié)，不利于直流元件接入且功率因數(shù)不易調節(jié)。M.Kang等人提出了一種單級AC/AC型PET結構。在這種情況下，輸入電壓在通過高頻變壓器之前被轉換成占空比為50%的高頻方波，在高頻低壓側對方波信號進行解調使其變?yōu)樵瓉淼恼也?。為減小尺寸、提高效率，高頻變壓器頻率變化范圍在0.6～1.2kHz，同等尺寸下傳輸能量能力是普通工頻變壓器的3倍。

2.2、DC/DC變換器控制技術

PET隔離級可以采用雙有源全橋變換器的拓撲結構，由兩個對稱的全控橋和高頻變壓器組成，為PET隔離級能量的雙向流動提供了通路。無論隔離級DC/DC變換器工作在能量正向傳輸還是反向傳輸?shù)臓顟B(tài)，都可以等效看成是對整流和逆變兩個環(huán)節(jié)的控制，因此，隔離級的控制方式可以由多種控制方式組合而成?？梢姡綦x級不但便于靈活控制，而且方式多樣。下面介紹幾種比較具有代表性的控制方式：（1）全橋逆變和不控整流控制。該方式原邊采用全橋變換的雙極性控制方式，而副邊采用將開關管與二極管反并聯(lián)的不可控整流電路。此時，如果功率的流動方向改變，那么不僅要調換兩側變換器的功能，還要將兩側變換器原來對應的控制方式也相應變換，此過程過于復雜而且不利于系統(tǒng)運行效率的提高，重要的是，不控整流電路的存在，大大降低了開關器件的利用率的同時還提高了成本。（2）雙移相控制。該方式分別定義原副邊全橋內部橋臂之間的內移相角和原副邊全橋之間的外移相角。DC/DC變換器的輸出電壓和傳遞功率可以通過改變外移相角來調節(jié)，功率的回流多少依賴于內移相角的大小。但是變壓器兩側開關管的控制脈沖不能同步觸發(fā)，導致變換器在功率雙向流動時需要交換對應全橋的控制脈沖，因此系統(tǒng)的動態(tài)響應速度慢，并且控制變量的數(shù)量龐大，大大提高了系統(tǒng)運算的復雜性和控制的難度性。

3、電力變壓器常見的繼電保護的故障

內部問題是指電力變壓器本身存在的一些問題，如變壓器的某項功能不能正常運行，變壓器內部結構發(fā)生變化等。如果出現(xiàn)變壓器內部設置斷裂、外殼接地等內部問題，繼電保護就會根據(jù)狀況作出局部斷電或將故障變壓器隔離出電力系統(tǒng)等反應。一般情況下，變壓器出現(xiàn)的內部問題可分為電問題和熱問題兩類，根據(jù)其問題類型的不同，繼電保護會采取不同的保護措施。除內部問題外，變壓器的外部問題也會導致變壓器故障從而引發(fā)繼電保護動作。變壓器外部故障是現(xiàn)實中常見的外部問題，其中包括變壓器絕緣體損毀、外殼變形等，這些問題不僅會影響變壓器的正常運行，還會導致嚴重事故，影響繼電保護。

結束語

PET作為未來智能電網(wǎng)中的一種新型核心電力設備，涵蓋了高頻變壓器與電力電子技術，具備電氣隔離、電壓變換、儲能端口等功能，有著廣闊的發(fā)展前景和應用價值。隨著電力電子技術和電力電子元器件技術的不斷進步，PET性能會逐步得到提升。多樣化的功能和靈活的控制特性使得PET在未來配電網(wǎng)中的應用具有廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻

[1]李小宇.含電力電子變壓器的交直流混合配電網(wǎng)的能效分析和優(yōu)化運行[D].上海交通大學，2019.

[2]孫秋.交直流混合系統(tǒng)中電力電子變壓器接地方式的研究[D].上海交通大學，2019.

[3]徐峰.含電力電子變壓器的直流配電網(wǎng)的故障測距方法[D].上海交通大學，2019.