10kV電網用電子變壓器主電路的研發

白云飛

摘 要 隨著大功率全控型電力電子器件的工業應用、新型拓撲電路和相應控制技術的發展，一種通過電力電子電路實現電力系統中的電壓變換和能量傳遞的新型變壓設備——電子電力變壓器得到了越來越多的關注。本文對10kV電力電子變壓器的兩種主電路進行了對比，提出了10kV電力電子變壓適合的主電路結構，并對電路電子變壓器前中后三級結構中所示宜采用的電路進行了分析。

【關鍵詞】鏈式電路 電力電子變壓器 電壓源型換流器

1 引言

隨著大功率全控型電力電子器件的工業應用、新型拓撲電路和相應控制技術的發展，一種新型變壓設備——電子電力變壓器得到了越來越多的關注。

電子電力變壓器又稱固態變壓器（Solid State Transformer，SST）是一種融合了電力電子變流器和高頻隔離變壓器的變電設備，它通過電力電子變換技術和高頻變壓器的磁耦合實現電力系統中的電壓變換、能量傳遞和不同電壓系統之間電氣隔離。電力電子變壓器在解決電能質量問題、提高系統運行可靠性上具有明顯的優勢和傳統電力變壓器無法比擬的功能。10kV配電網用電力電子變壓器是目前該領域應用研究的主要方向。

2 10kV電力電子變壓主電路

隨著多重化電力電子拓撲的發展，新型的鏈式多電平換流器和模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）技術得到了廣泛應用。這些技術成熟為電力電子變壓的發展提供了新的技術支撐，從根本上解決電力電子變壓器接入高電壓等級電網的限制，同時使電力電子變壓器具備了對不同電壓等級側的電壓、電流以及有功功率、無功功率的靈活調節的能力。

新型的電力電子變壓器的結構采用高壓工頻交流-直流-高頻交流-高頻交流-直流-低壓工頻交流結構。其中，接入高壓電網的電路為其前級電路，起到隔離作用的直流-高頻交流-高頻交流-直流為中間級電路，接入低壓電網的電路為后級電路。

10kV電力電子變壓器前級電路主要有這兩種類型。這兩種電力電子變壓器的主要區別在于其前級電力分別采用了MMC電路和鏈式電路。采用MMC結構的電力電子變壓器由于前級電路采用了MMC電路的原因，使得采用此結構的電力電子變壓器的前級電路可以工作在極低的開關頻率下，可以大大的減小電力電子變壓器前級電路的開關損耗，從而提高電力電子變壓器的運行效率，同時由于這種電路結構中間級并聯的數量較少，可減少一定的設備成本。

采用鏈式結構的電力電子變壓器，中間級電路的模塊數量較多，這樣不利于降低設備成本，但是同容量條件下，由于并聯模塊數量較多，有助于降低單臺高頻變壓器的容量，從而減低變壓器尺寸，提高功率單元的模塊化設計水平。另外，一方面由于MMC電路中接入電抗器的數量是鏈式電路的兩倍，增加了主電路的成本；一方面由于在10kV電壓等級中MMC串聯模塊的數量較少，為了改善輸出波形，MMC結構在調制方法上應采較高的開關頻率，因此在高電壓系統中MMC單個鏈接開關損耗小的優勢，在10kV電力電子變壓器應用領域不能體現。兩種電力電子變壓的結構各具優點，就10kV電壓等級的應用背景而言，前級電路基于鏈式結構的電力電子變壓器更加具有優勢。

基于鏈式結構的10kV電力電子變壓是目前學術和工程應用研究中最受關注的主電路拓撲。在這種電路的電力電子變壓器，其前級電路采用鏈式電路結構，中間級電路采用雙有源橋式變換電路（Dual-active-bridge， DAB），后級電路采用三相橋式逆變電路。

3 10kV電力電子變壓器的前級電路

根據換流器三相接線方式的不同，電力電子變壓器前級電路所采用的鏈式電路可以分為“Y”接法和“Δ”接法兩類。當接入相同電壓等級的電網時，“Δ” 接法的鏈式電路同“Y”接法的鏈式電路相比成本較高，但是采用相同容量的鏈結時，“Δ”能夠實現更大的輸出容量。在接入電壓相同的條件下，如果電力電子變壓器的設計容量較小時，采用“Y”接法的前級電路經濟性更好，而在設計容量較大時則應采用“Δ”接法的前級電路。

電力電子變壓器在電網中是一個串聯設備，而鏈式STATCOM是并聯設備，所以電力電子變壓器的電路要求必須具有更高的可靠性。為了保證設備運行的可靠性，電力電子變壓器的高壓側鏈式電路必須考慮一定的冗余度設計，其前級電路中需要留有一定數量的熱備功率單元。熱備功率單元能夠在工作的功率單元發生故障時快速的投入工作，保證電路電子變壓器能夠繼續工作。

4 10kV電力電子變壓器的后級電路

電力電子變壓器的后級電路通常有多個輸出電路，這些后級輸出電路的直流側都并聯在電力電子變壓器的后級電路的直流母線上，從而可以更加容易地實現多輸入或多輸出支路的擴展。

10kV電力電子變壓器的后級電路接入的電力系統380V低壓電網。在該電壓等級的電網中，電力系統采用了三相三線制和三相四線制兩種線路結構，因此電力電子變壓器的后級電路中的輸出電路必須能夠適合接入不同線路結構的380V電網。電力電子變壓器的后級電路中的輸出電路可采用兩電平全橋電路或三電平全橋電路。

5 10kV電力電子變壓器的中間級電路

考慮電力電子變壓器中需要實現能量的雙向流動，因此電力電子變壓器中間級的基本電路單元為雙有源橋式變換電路。

雙有源橋式變換電路是近年來研究較多的一種典型的雙向DC-DC變換器，這類變換器由兩個IGBT單相橋式變換單元、諧振電抗器和隔離變壓器組成。由于雙有源全橋雙向 DC-DC變換器結構對稱，采用移相控制可以實現開關管的軟開關。

6 結論

本文對電力電子變壓器主電路的電路拓撲的發展和演變過程進行簡單歸納總結后，對10kV電力電子變壓器的兩種主電路進行了對比，提出了10kV電力電子變壓適合的主電路結構，并對電路電子變壓器前中后三級結構中所示宜采用的電路進行了分析，提出了適合的電路結構。

參考文獻

[1]鄧衛華，張波，胡宗波.電子電力變壓器電路拓撲與控制策略研究[J].電力系統自動化，2003，27（20）：40-44.

作者單位

1.西安西電自動化控制系統有限責任公司 陜西省西安市 710049

2.特變電工西安電氣科技有限公司 陜西省西安市 710049endprint