配電網電力電子變壓器技術研究

程道星，張樂強

（西安奧特迅電力電子技術有限公司，陜西 西安 710065）

隨著經濟形勢的發展，國家電力工業規劃布局更注重環保和節能，為后經濟時代注入可持續發展的動力。例如火電比例的降低，多形態清潔能源占比的提升，導致了當前配電網出現了以多系統并網、非線性負荷增加的新問題、新矛盾，這些問題與矛盾逐漸成為了當前我國電力事業發展中亟待解決的結構性問題。電力電子變壓器技術能夠有效避免傳統變壓器技術在面臨這些新矛盾、新問題時所帶來的系統性壓力，該技術有助于在電壓等級變換和隔離方面推陳出新，達到潮流控制的目的。大功率電子技術的發展對電力電子變壓器技術的應用產生了強勁推動力，電力電子變壓器在高壓輸變電及配電網系統中應用的前景是十分廣闊的、光明的。

1 當前配電網系統中的主要矛盾

1.1 新能源并網與現代電網之間的矛盾

當前我國為了減少碳排放量和降低火電規模占比，大力發展新能源電力工業并提高清潔能源在整個電網系統中的比例，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的特點，而且電源電壓及作業頻率波動性大，系統容量兼容性力度不大。分布式電源大量投入也給配電網帶來了一些亟待解決的輸變電質量問題，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運行的穩定是當前一個較為突出的矛盾。

1.2 傳統變壓器與現代電網之間的矛盾

在電力工業快速發展背景下，傳統變壓器在配電網系統的應用中暴露出一系列的自身缺陷。首先傳統變壓器體積過于龐大，擁有較大的自重，不易運輸及安裝，而且需要構筑物做配套建設，能耗較高；其次是設備功能的問題，傳統變壓器在空載和重載工作狀態時不能夠保持絕對穩定，不能隔離非線性負載產生的畸變電流，影響輸電質量，甚至因此引發系統故障；最后，傳統變壓器難以避免諧波的干擾，在配電輸電網絡中產生勵磁涌流，影響配電網絡的穩定性；因此在信息化、智能化的新趨勢、新背景下，傳統變壓器面臨更新換代是必然的，電力電子變壓器的發展前景是穩定、可期的。

2 電力電子變壓器的原理、優勢及應用意義

2.1 電力電子變壓器的工作原理

電力電子變壓技術是大功率電子技術在配電網變壓技術中的移植與應用，其基本工作原理是通過電力電子變換來調整配電網系統中的電壓并實現穩定的能量傳遞，主要移植技術有濾波器、斷路器、電流限制器等等，這種電力電子變壓技術的應用使新型變壓器的功能得以擴展。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行電氣隔離，原邊的電力電子變換器將交流電轉化為高頻方波，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換為工頻交流電，完成基本變壓功能，同時通過控制電力電子變換器改變輸出電壓與頻率，以此將多個不同并網單位不同頻率的電能進行隔離、互聯。這項技術除變壓、隔離電流的基本功能，還對連續超高壓輸電、維持供電質量、潮流控制等擴大化功能提供先進的技術支持。

2.2 電力電子變壓器的優勢

電力電子變壓器與傳統的鐵芯式變壓器的相對優勢在于：首先，電力電子變壓器屬于智能設備，具有體積小、重量輕、環境污染小、易于運輸、安裝的特點。其次，電力電子變壓器的功能性更為優越，例如其工作狀態不受電網電壓波動和負載突變影響，相對穩定；而且其可控性較強，對于原邊和副邊產生的電壓、電流和功率有較強的調控功能，輸出電源較為穩定。最后，電力電子變壓器搭載智能化的斷路器，在故障難以排除時自動斷開執行器件，保障設備安全。

2.3 電力電子變壓器的應用意義

電力電子變壓器以電力電子變流技術為基礎，使得變壓器的性質和功能已經完全超出了傳統范圍，實現了變壓器在潮流控制和電能質量調節方面的突破。例如電力電子變壓器工作的三個基本環節：①輸入環節，通過搭載全控整流電路以保證輸入電流波形和功率因數可控，前文已有贅述，對于改變配電網系統運行方式、提高系統穩定性意義較為重大；②隔離環節，由于配電網系統中電壓變換范圍的大彈性現象，常有大量無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換，且實現原、副邊電磁隔離，起到了優化線路潮流控制、提高輸電效率的積極作用；③輸出環節，輸出端收到控制輸出信號后，將低壓直流電轉化為穩定可控的三相交流電，對降低輸電損耗、改善供電質量等方面均有極大革新，實現了在當前背景下電力系統的穩定和高效率，如圖1。

圖1 一種常見電力電子變壓器的工作原理

3 電力電子變壓器在配電網中的應用

3.1 電力電子變壓器在改善配電網供電質量中的作用

配電網中經常出現的諧波和無功現象大多是由于系統中的非線性負載比例增加所致，在過去，電力行業的設計師、工程師們大多采用濾波器或者無功補償器來保證系統的穩定性。當電力電子變壓器出現后，其輸入側可以以整流方式來抑制諧波和補償無功，或使其與濾波器并聯來抑制諧波和補償無功，構成一個小型的混合型有源電力諧波抑制系統。該小型抑制系統可以在負擔變換、隔離電壓的基礎功能下，承擔大部分諧波和無功補償工作，使系統網側電能質量得到充分的優化和提升，如圖2。

圖2 混合并聯型有源濾波系統拓撲結構

3.2 電力電子變壓器在改善柔性輸電中的作用

在柔性電網中應用電力電子變壓器，可以通過搭載蓄電池組構成持續電源實現不間斷供電，尤其是對于一些需要連續工作的重要設備，避免其因故障停電而停止運行，對降低故障損失具有重大意義。不間斷電源可由蓄電池組、超級電容和雙向直流變換器組成。當配電網電源發生故障導致電力中斷時，由不間斷電源供能來維持電力電子變壓器輸出，直到電網恢復供電，此時供能蓄電池組再恢復充電狀態，如圖3。

圖3 帶儲能單元的電力電子變壓器結構圖

3.3 電力電子變壓器在多結構并網中的作用

由于火電在電力供應構成中的大幅度消退，光伏、風電等清潔能源在電力供應構成中的大幅度提高，配電網系統中也隨之增添了大量的分布式電源，對配電網并網功能的要求進一步提高。當前的一個突出主要矛盾是并網單位中的電壓、電頻等參數并不是穩定一致的，不同的電源容易導致供電質量標準不同，在統一的配電網中產生大量諧波。除此之外，交流直流混網也是亟待解決的問題。電力電子變壓器適應了分布式電源小容量、變頻的系統特性，成本較低，占地面積較小，而且輸出環節中對分布式電源交直流混并現象能夠進行積極整流與電壓控制，不需要配備額外的接頭設備。例如，針對風電和水電采取AC/DC變換電路，而針對光伏發電則采用DC/DC變換電路，由電力電子變壓器來充當這些分布式電源并網運行必須的中間隔離與輸出級結構，將并網電流調整為最適應電網電壓頻率與相位的正弦波形態，保證并網電流的高功率因數，如圖4。

圖4 分布式電源配電網系統結構圖

3.4 電力電子變壓器在交流電動機系統中的作用

當前工業生產中，應用比較普遍的交流電動機的工作質量主要受逆變器輸出端電流質量的影響，一般在交流電動機系統中常采用電壓型逆變器進行精確調整，逆變器來控制電動機四象限運行。常規電壓型逆變器加裝直流側饋能裝置來保證“交流——直流——交流”的拓撲結構，以二極管作為整流環節產生的諧波較大，對電動機的四象限運行產生一定的不穩定影響。而采用電力電子變壓器不僅能夠對網側電能實現更加精確的功率因數控制，還可在四象限拓撲結構中，為直流側獲得穩定的直流高壓，實現電能在兩交流側的雙向流動，也能夠通過能量在電力電子變換器中的雙向流動將電動機工作狀態以電信號的形式反饋給配電網智能終端，在可視化系統中觀測四象限交流電動機的工作狀態，以判斷供電質量。

4 結語

電力電子變壓器如今已經是配電網中的重要設備之一，在交流柔性輸電系統中已經占有非常重要的地位。隨著智能化設備的快速迭代，電力電子變壓器的可擴展性越來越廣闊，其變壓及隔離等基本功能日益優化，其在遠距離傳輸、并網電力質量改善、智能斷路繼電保護、區域電力工作狀態信息傳輸、電能質量補償等方案中，整合多種設備功能的效果越來越好。對電能質量要求較高的產業及企業而言，電力電子變壓器可提供較為穩定和高質量的電力，降低資源損耗，提高能量利用效率，所取得的社會效益和經濟效益都不言而喻。