配電網(wǎng)電力電子變壓器技術(shù)研究

程道星，張樂(lè)強(qiáng)

（西安奧特迅電力電子技術(shù)有限公司，陜西 西安 710065）

隨著經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的發(fā)展，國(guó)家電力工業(yè)規(guī)劃布局更注重環(huán)保和節(jié)能，為后經(jīng)濟(jì)時(shí)代注入可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。例如火電比例的降低，多形態(tài)清潔能源占比的提升，導(dǎo)致了當(dāng)前配電網(wǎng)出現(xiàn)了以多系統(tǒng)并網(wǎng)、非線性負(fù)荷增加的新問(wèn)題、新矛盾，這些問(wèn)題與矛盾逐漸成為了當(dāng)前我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展中亟待解決的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題。電力電子變壓器技術(shù)能夠有效避免傳統(tǒng)變壓器技術(shù)在面臨這些新矛盾、新問(wèn)題時(shí)所帶來(lái)的系統(tǒng)性壓力，該技術(shù)有助于在電壓等級(jí)變換和隔離方面推陳出新，達(dá)到潮流控制的目的。大功率電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)電力電子變壓器技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了強(qiáng)勁推動(dòng)力，電力電子變壓器在高壓輸變電及配電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用的前景是十分廣闊的、光明的。

1 當(dāng)前配電網(wǎng)系統(tǒng)中的主要矛盾

1.1 新能源并網(wǎng)與現(xiàn)代電網(wǎng)之間的矛盾

當(dāng)前我國(guó)為了減少碳排放量和降低火電規(guī)模占比，大力發(fā)展新能源電力工業(yè)并提高清潔能源在整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中的比例，因此提高了分布式電源的配比。分布式電源具有容量不高，交流電和直流電混網(wǎng)的特點(diǎn)，而且電源電壓及作業(yè)頻率波動(dòng)性大，系統(tǒng)容量兼容性力度不大。分布式電源大量投入也給配電網(wǎng)帶來(lái)了一些亟待解決的輸變電質(zhì)量問(wèn)題，例如諧波、電壓差、電壓跌落、電壓閃變等，因此分布式電源配比的提高與電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定是當(dāng)前一個(gè)較為突出的矛盾。

1.2 傳統(tǒng)變壓器與現(xiàn)代電網(wǎng)之間的矛盾

在電力工業(yè)快速發(fā)展背景下，傳統(tǒng)變壓器在配電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用中暴露出一系列的自身缺陷。首先傳統(tǒng)變壓器體積過(guò)于龐大，擁有較大的自重，不易運(yùn)輸及安裝，而且需要構(gòu)筑物做配套建設(shè)，能耗較高；其次是設(shè)備功能的問(wèn)題，傳統(tǒng)變壓器在空載和重載工作狀態(tài)時(shí)不能夠保持絕對(duì)穩(wěn)定，不能隔離非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電流，影響輸電質(zhì)量，甚至因此引發(fā)系統(tǒng)故障；最后，傳統(tǒng)變壓器難以避免諧波的干擾，在配電輸電網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，影響配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；因此在信息化、智能化的新趨勢(shì)、新背景下，傳統(tǒng)變壓器面臨更新?lián)Q代是必然的，電力電子變壓器的發(fā)展前景是穩(wěn)定、可期的。

2 電力電子變壓器的原理、優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用意義

2.1 電力電子變壓器的工作原理

電力電子變壓技術(shù)是大功率電子技術(shù)在配電網(wǎng)變壓技術(shù)中的移植與應(yīng)用，其基本工作原理是通過(guò)電力電子變換來(lái)調(diào)整配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量傳遞，主要移植技術(shù)有濾波器、斷路器、電流限制器等等，這種電力電子變壓技術(shù)的應(yīng)用使新型變壓器的功能得以擴(kuò)展。例如，一種原邊和副邊都采用了電力電子變換器的新型變壓器，其工作原理是在原、副邊之間采用高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離，原邊的電力電子變換器將交流電轉(zhuǎn)化為高頻方波，高頻變壓器將之耦合到副邊，副邊的電力電子變換器再將高頻方波轉(zhuǎn)換為工頻交流電，完成基本變壓功能，同時(shí)通過(guò)控制電力電子變換器改變輸出電壓與頻率，以此將多個(gè)不同并網(wǎng)單位不同頻率的電能進(jìn)行隔離、互聯(lián)。這項(xiàng)技術(shù)除變壓、隔離電流的基本功能，還對(duì)連續(xù)超高壓輸電、維持供電質(zhì)量、潮流控制等擴(kuò)大化功能提供先進(jìn)的技術(shù)支持。

2.2 電力電子變壓器的優(yōu)勢(shì)

電力電子變壓器與傳統(tǒng)的鐵芯式變壓器的相對(duì)優(yōu)勢(shì)在于：首先，電力電子變壓器屬于智能設(shè)備，具有體積小、重量輕、環(huán)境污染小、易于運(yùn)輸、安裝的特點(diǎn)。其次，電力電子變壓器的功能性更為優(yōu)越，例如其工作狀態(tài)不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載突變影響，相對(duì)穩(wěn)定；而且其可控性較強(qiáng)，對(duì)于原邊和副邊產(chǎn)生的電壓、電流和功率有較強(qiáng)的調(diào)控功能，輸出電源較為穩(wěn)定。最后，電力電子變壓器搭載智能化的斷路器，在故障難以排除時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)執(zhí)行器件，保障設(shè)備安全。

2.3 電力電子變壓器的應(yīng)用意義

電力電子變壓器以電力電子變流技術(shù)為基礎(chǔ)，使得變壓器的性質(zhì)和功能已經(jīng)完全超出了傳統(tǒng)范圍，實(shí)現(xiàn)了變壓器在潮流控制和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)方面的突破。例如電力電子變壓器工作的三個(gè)基本環(huán)節(jié)：①輸入環(huán)節(jié)，通過(guò)搭載全控整流電路以保證輸入電流波形和功率因數(shù)可控，前文已有贅述，對(duì)于改變配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性意義較為重大；②隔離環(huán)節(jié)，由于配電網(wǎng)系統(tǒng)中電壓變換范圍的大彈性現(xiàn)象，常有大量無(wú)功元件消耗電能功率，而高頻變壓器作為電壓變換和電氣隔離中樞，將原、副邊高頻方波雙向高效轉(zhuǎn)換，且實(shí)現(xiàn)原、副邊電磁隔離，起到了優(yōu)化線路潮流控制、提高輸電效率的積極作用；③輸出環(huán)節(jié)，輸出端收到控制輸出信號(hào)后，將低壓直流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可控的三相交流電，對(duì)降低輸電損耗、改善供電質(zhì)量等方面均有極大革新，實(shí)現(xiàn)了在當(dāng)前背景下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效率，如圖1。

圖1 一種常見(jiàn)電力電子變壓器的工作原理

3 電力電子變壓器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 電力電子變壓器在改善配電網(wǎng)供電質(zhì)量中的作用

配電網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)的諧波和無(wú)功現(xiàn)象大多是由于系統(tǒng)中的非線性負(fù)載比例增加所致，在過(guò)去，電力行業(yè)的設(shè)計(jì)師、工程師們大多采用濾波器或者無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電力電子變壓器出現(xiàn)后，其輸入側(cè)可以以整流方式來(lái)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功，或使其與濾波器并聯(lián)來(lái)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功，構(gòu)成一個(gè)小型的混合型有源電力諧波抑制系統(tǒng)。該小型抑制系統(tǒng)可以在負(fù)擔(dān)變換、隔離電壓的基礎(chǔ)功能下，承擔(dān)大部分諧波和無(wú)功補(bǔ)償工作，使系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量得到充分的優(yōu)化和提升，如圖2。

圖2 混合并聯(lián)型有源濾波系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 電力電子變壓器在改善柔性輸電中的作用

在柔性電網(wǎng)中應(yīng)用電力電子變壓器，可以通過(guò)搭載蓄電池組構(gòu)成持續(xù)電源實(shí)現(xiàn)不間斷供電，尤其是對(duì)于一些需要連續(xù)工作的重要設(shè)備，避免其因故障停電而停止運(yùn)行，對(duì)降低故障損失具有重大意義。不間斷電源可由蓄電池組、超級(jí)電容和雙向直流變換器組成。當(dāng)配電網(wǎng)電源發(fā)生故障導(dǎo)致電力中斷時(shí)，由不間斷電源供能來(lái)維持電力電子變壓器輸出，直到電網(wǎng)恢復(fù)供電，此時(shí)供能蓄電池組再恢復(fù)充電狀態(tài)，如圖3。

圖3 帶儲(chǔ)能單元的電力電子變壓器結(jié)構(gòu)圖

3.3 電力電子變壓器在多結(jié)構(gòu)并網(wǎng)中的作用

由于火電在電力供應(yīng)構(gòu)成中的大幅度消退，光伏、風(fēng)電等清潔能源在電力供應(yīng)構(gòu)成中的大幅度提高，配電網(wǎng)系統(tǒng)中也隨之增添了大量的分布式電源，對(duì)配電網(wǎng)并網(wǎng)功能的要求進(jìn)一步提高。當(dāng)前的一個(gè)突出主要矛盾是并網(wǎng)單位中的電壓、電頻等參數(shù)并不是穩(wěn)定一致的，不同的電源容易導(dǎo)致供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不同，在統(tǒng)一的配電網(wǎng)中產(chǎn)生大量諧波。除此之外，交流直流混網(wǎng)也是亟待解決的問(wèn)題。電力電子變壓器適應(yīng)了分布式電源小容量、變頻的系統(tǒng)特性，成本較低，占地面積較小，而且輸出環(huán)節(jié)中對(duì)分布式電源交直流混并現(xiàn)象能夠進(jìn)行積極整流與電壓控制，不需要配備額外的接頭設(shè)備。例如，針對(duì)風(fēng)電和水電采取AC/DC變換電路，而針對(duì)光伏發(fā)電則采用DC/DC變換電路，由電力電子變壓器來(lái)充當(dāng)這些分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行必須的中間隔離與輸出級(jí)結(jié)構(gòu)，將并網(wǎng)電流調(diào)整為最適應(yīng)電網(wǎng)電壓頻率與相位的正弦波形態(tài)，保證并網(wǎng)電流的高功率因數(shù)，如圖4。

圖4 分布式電源配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 電力電子變壓器在交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的作用

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用比較普遍的交流電動(dòng)機(jī)的工作質(zhì)量主要受逆變器輸出端電流質(zhì)量的影響，一般在交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中常采用電壓型逆變器進(jìn)行精確調(diào)整，逆變器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行。常規(guī)電壓型逆變器加裝直流側(cè)饋能裝置來(lái)保證“交流——直流——交流”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以二極管作為整流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的諧波較大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行產(chǎn)生一定的不穩(wěn)定影響。而采用電力電子變壓器不僅能夠?qū)W(wǎng)側(cè)電能實(shí)現(xiàn)更加精確的功率因數(shù)控制，還可在四象限拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，為直流側(cè)獲得穩(wěn)定的直流高壓，實(shí)現(xiàn)電能在兩交流側(cè)的雙向流動(dòng)，也能夠通過(guò)能量在電力電子變換器中的雙向流動(dòng)將電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)以電信號(hào)的形式反饋給配電網(wǎng)智能終端，在可視化系統(tǒng)中觀測(cè)四象限交流電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，以判斷供電質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

電力電子變壓器如今已經(jīng)是配電網(wǎng)中的重要設(shè)備之一，在交流柔性輸電系統(tǒng)中已經(jīng)占有非常重要的地位。隨著智能化設(shè)備的快速迭代，電力電子變壓器的可擴(kuò)展性越來(lái)越廣闊，其變壓及隔離等基本功能日益優(yōu)化，其在遠(yuǎn)距離傳輸、并網(wǎng)電力質(zhì)量改善、智能斷路繼電保護(hù)、區(qū)域電力工作狀態(tài)信息傳輸、電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)确桨钢?，整合多種設(shè)備功能的效果越來(lái)越好。對(duì)電能質(zhì)量要求較高的產(chǎn)業(yè)及企業(yè)而言，電力電子變壓器可提供較為穩(wěn)定和高質(zhì)量的電力，降低資源損耗，提高能量利用效率，所取得的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益都不言而喻。