電力電子技術(shù)在變壓器設(shè)計中的應(yīng)用

摘要：為提高電力系統(tǒng)的效率和質(zhì)量，研究了電力電子技術(shù)在變壓器中的應(yīng)用。首先，對電力電子變壓器的工作原理進行分析；其次，設(shè)計基于電力電子技術(shù)的變壓器，主要包括電壓波動與閃變、機械型有載分接開關(guān)、有載調(diào)壓裝置、串并聯(lián)縱向轉(zhuǎn)換損耗（longitudinal conversion loss，LCL）回路控制等。最后，對設(shè)計的變壓器裝備進行應(yīng)用分析，結(jié)果表明在變壓器設(shè)計中使用電力電子技術(shù)，能夠提高電力系統(tǒng)的運行效率和用戶用電體驗。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；變壓器；電子設(shè)計

中圖分類號：TM41 文獻標識碼：A

0 引言

在電力系統(tǒng)設(shè)計過程中，電力變壓器為主要設(shè)備。但是，傳統(tǒng)電力變壓器的負荷變化會對電力造成影響，如果電力負荷出現(xiàn)故障，其使用的絕緣油會污染環(huán)境。傳統(tǒng)電力變壓器的重量、體積較大，而電力電子變壓器屬于全新能量電子轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠降低耗損，并且不使用絕緣油。目前，我國在傳統(tǒng)電力技術(shù)中利用控制技術(shù)、電力電子技術(shù)，以及半導體集成電路、電力開關(guān)器件和微處理控制系統(tǒng)對電流、電壓及其相位關(guān)系等進行控制，使傳統(tǒng)電力變壓器得到創(chuàng)新[1]。

1 電力電子變壓器的工作原理

通過初級、次級的功率變換器設(shè)計電力電子變壓器（power electronic transformer，PET），根據(jù)相應(yīng)的輸入/ 輸出，其主要工作原理是在變換器中輸入工頻電壓，將工頻電壓向高頻電壓轉(zhuǎn)變，然后耦合轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的交流電壓。這使電力電子變壓器體積得到縮小，降低了工作頻率。根據(jù)電力電子技術(shù)與相應(yīng)的控制方案，將電流轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，然后設(shè)計小型、輕型的變壓器。其主要工作原理是利用轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，然后通過增強變壓器功率來縮小體積，使用電力電子技術(shù)和合理的工作技術(shù)制造高頻交流電，再使用電壓器實現(xiàn)電壓交互，制造工頻交流電，降低變壓器體積[2]。圖1為電力電子變壓器的工作原理。

2 基于電力電子技術(shù)的變壓器設(shè)計

2.1 電壓波動與閃變

在電壓出現(xiàn)波動和閃變等問題時，由于電力系統(tǒng)的母線出現(xiàn)非整數(shù)倍的影響，假設(shè)電力電子變壓器一次側(cè)母線頻率為10 Hz，波幅值為10%，波形較為穩(wěn)定，導致母線電壓出現(xiàn)異常。在實驗過程中會存在簡諧波，導致電力電子變壓器一次測母線電壓存在差別，出現(xiàn)波幅。此外，二次側(cè)電壓沒有改變，其主要對負載進行供電，影響了閃變。為了能夠提高滅弧性能、降低維護工作量，在有載分解開關(guān)中使用滅弧介質(zhì)，然后利用獨立式的內(nèi)箱和分體式的外箱設(shè)計滅弧室。全面分析新故障產(chǎn)生的原因，然后制定有針對性的解決方案，便于維護和檢修。結(jié)合有載調(diào)壓控制和變壓器無功補償，能夠綜合控制電壓的無功功率，使電網(wǎng)功率因數(shù)得到提高，并且滿足電壓質(zhì)量的需求。

2.2 機械型有載分接開關(guān)

大功率、高電壓等電力電子器件被廣泛應(yīng)用到工業(yè)中，使用這些器件可以解決燃弧等問題。通過使用此電力電子器件將電路切斷，然后連通開關(guān)后避免觸頭帶電等問題，電力電子開關(guān)和機械型有載分接開關(guān)的工作互相不影響[3]。使用電力電子器件連接切斷電路和開關(guān)，機械觸頭不帶電或者等電位切換變壓器分接頭，兩者結(jié)合完成調(diào)壓任務(wù)，圖2為機械型有載分接開關(guān)的工作原理。

在正常工作中，利用開關(guān)B 和開關(guān)S 實現(xiàn)負載電流的流通。升高電壓的過程如下：① A 接下觸電，其中SCR1（大功率元器件）并沒有導通，所以無電??；②通過R1 實現(xiàn)SCR1 導通，這個時候存在環(huán)流；③開關(guān)S 開斷，SCR2 導通；④ SCR2開斷，電流從A 流過SCR1 支路；⑤ B 接下觸電，SCR2 沒有導通，所以無電弧；⑥連接L，SCR2 導通；⑦合上開關(guān)S，沒有電弧，完成調(diào)壓。降壓過程類似，在此過程中并沒有電弧。

2.3 有載調(diào)壓裝置

為了使變壓器有載調(diào)壓的響應(yīng)速度得到提升，利用微處理器和電力電子技術(shù)設(shè)計調(diào)壓變壓器結(jié)構(gòu)，有效控制電力電子開關(guān)器件的通斷，根據(jù)不同的等級調(diào)整變壓器匝數(shù)，以實現(xiàn)對電壓的調(diào)節(jié)。在應(yīng)用該裝置的過程中不需要機械開關(guān)，沒有電弧，所以能夠提高響應(yīng)速度。

2.3.1 無觸點分級調(diào)壓

圖3 為無觸點分級調(diào)壓的原理，調(diào)壓設(shè)備主要由變壓器、交流電源構(gòu)成。由于輸入電壓較低，所以要求將輸入電壓連接負載。在檢測電壓負半周之后，為了避免晶閘管脈沖，要求使用導通管。在工頻周期設(shè)置觸電切換后，增加了原邊繞組匝數(shù)，避免改變電壓輸出。將晶閘管設(shè)置到變壓器中，對分接頭進行切換，并且不會改變輸出電壓。另外，可以利用晶閘管切換觸電，從而提高響應(yīng)速度。

2.3.2 無觸點無極調(diào)壓

通過旁路開關(guān)、串聯(lián)補償變壓器、正弦波濾波器、逆變器等構(gòu)成無觸點無極調(diào)壓裝置，調(diào)節(jié)補償電壓與輸入電壓的夾角，要求兩者一致，對電壓相位和大小進行調(diào)節(jié)。動態(tài)電壓恢復器（dynamicvoltage restorer，DVR）裝置只承擔輸入電壓跌落或者升高的部分電壓，不需要承擔負荷電壓。所以，逆變器最大功率為系統(tǒng)功率的20%，這降低了成本[4]。

2.4 串并聯(lián)LCL 回路的控制

利用雙中央處理器（central processing unit，CPU）結(jié)構(gòu)控制的方式設(shè)計基于電力電子技術(shù)的變壓器結(jié)構(gòu)， 通過數(shù)字信號處理（digital signalprocessing，DSP） 技術(shù)對采樣電壓與電流的諧波進行分析， 通過現(xiàn)場可編程門陣列（fieldprogrammable gate array，F(xiàn)PGA）實現(xiàn)諧波電壓與控制命令的發(fā)送，為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog todigital converter，ADC）提供轉(zhuǎn)變后的采樣電流和電壓信號。計算轉(zhuǎn)變后的信號，得出調(diào)制信號，再通過對比三角波和波形發(fā)生模塊，得到驅(qū)動信號。串并聯(lián)縱向轉(zhuǎn)換損耗（longitudinal conversion loss，LCL）回路使用雙閉環(huán)控制，利用FPGA 重復控制算法能夠提高電壓電流信號的輸入精度，使系統(tǒng)抗擾動性能得到提高。

采用電流電感內(nèi)環(huán)、母線電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制模式作為控制策略，能夠提高控制效率。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以使用有源阻尼算法對諧振峰進行抑制。此方法容易實現(xiàn)，還能夠提高系統(tǒng)的效率。另外，將電網(wǎng)電壓前饋信號在并聯(lián)LCL 輸入回路中進行設(shè)置，從而避免前饋信號對并聯(lián)側(cè)電流造成影響，提高了直流母線電壓的穩(wěn)定性。

串聯(lián)LCL 輸出回路控制采用輸出電壓外環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)的方式，對電壓畸變進行抑制，并且快速跟蹤給定電壓。利用負載電流前饋解決非線性負載的問題，根據(jù)慣性環(huán)節(jié)對控制器的交流輸出信號進行分析。根據(jù)脈沖帶寬調(diào)制（pulse widthmodulation，PWM）控制拓撲的輸出，通過控制邏輯實現(xiàn)檔案電壓的創(chuàng)建，對等效電抗進行計算，然后構(gòu)成電流和電容輸出電壓[5]。

3 實例應(yīng)用

以某公用臺區(qū)為例，配變?nèi)萘繛?00 kV·A，最大電流為122.31 A，平均功率因數(shù)為0.91。將本文設(shè)計的變壓器安裝到此臺區(qū)A 相低壓配電線路桿中，最低輸入電壓為171 V，穩(wěn)定電壓為220 V。

其中，裝置輸入、輸出電壓的總諧波畸變率最大值分別為7.5%、2.3%，大部分都是在1% 以內(nèi)。由此可知，本文設(shè)計的變壓器裝置能夠?qū)ρa償輸入端電壓快速跟蹤，并且抑制電壓諧波，輸出穩(wěn)定的正弦波電壓，使安裝裝置后供電電壓的質(zhì)量得以改善，并能提高后端用戶的用電體驗，保證供電企業(yè)的供電質(zhì)量和發(fā)展。

4 結(jié)語

在社會不斷進步和發(fā)展的過程中，不同的新型變壓器也逐漸研發(fā)并應(yīng)用，以保證電能和配電系統(tǒng)的質(zhì)量，這是現(xiàn)代變壓器研究過程中的重點。電力電子變壓器能夠?qū)χC波在不同方向上的流動進行抑制，在電力系統(tǒng)配電過程中，通過電力電子變壓器消除電壓升高和跌落的影響，還能夠解決電力系統(tǒng)中欠電壓和電壓過載等問題，提高供電可靠性，并且還能夠提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。在變壓中應(yīng)用電力電子技術(shù)正朝著民用化、實用化的方向發(fā)展，進而提高電力系統(tǒng)的電能使用效率，使社會經(jīng)濟效益得到提高。

參考文獻

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