李子欣, 高范強(qiáng), 徐 飛, 楚遵方, 馬 遜, 孫湛冬, 羅永捷, 王 平, 李耀華

(中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國科學(xué)院電工研究所, 北京 100190)

中壓配電網(wǎng)用10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器功率密度影響因素研究

李子欣, 高范強(qiáng), 徐 飛, 楚遵方, 馬 遜, 孫湛冬, 羅永捷, 王 平, 李耀華

(中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國科學(xué)院電工研究所, 北京 100190)

對面向10kV配電網(wǎng)的電力電子變壓器(PET/SST)來說，其主要功能是在完成高低壓側(cè)電氣隔離的前提下實(shí)現(xiàn)對電能/電功率的雙向流動控制。為了提高功率密度，目前10kV配電網(wǎng)用PET/SST主要通過高頻電力電子變換器+高頻變壓器的方案實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合研制的10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器樣機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了影響中壓配電網(wǎng)PET/SST功率密度的多種因素，指出了影響PET/SST功率密度提高的關(guān)鍵瓶頸問題——功率模塊數(shù)量多是限制PET/SST功率密度提高的主要因素。而通過提高高頻變壓器工作頻率的方法難以顯著提高10kV配電網(wǎng)用PET/SST的功率密度。

能源互聯(lián)網(wǎng)； 智能電網(wǎng)； 電能路由器； 功率密度； 電力電子變壓器

1 引言

自從美國國家科學(xué)基金項(xiàng)目啟動“未來可再生電能傳輸與管理系統(tǒng)”(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System， FREEDM)[1]以及美國學(xué)者Jeremy Rifkin在其著作《第三次工業(yè)革命》中提出了能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet)的概念之后，能源互聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)得到了工業(yè)和學(xué)術(shù)界諸多關(guān)注和討論。能源互聯(lián)網(wǎng)是為解決化石燃料的逐漸枯竭及其造成的環(huán)境污染問題，以新能源技術(shù)和信息技術(shù)深入結(jié)合為特征的一種新的能源利用體系[2，3]。一般說來，能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能控制技術(shù)將電力網(wǎng)、石油網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、可再生能源網(wǎng)、分布式儲能網(wǎng)、電氣化交通網(wǎng)等產(chǎn)生或消耗能源的多種網(wǎng)絡(luò)融合一體而形成的能源高效利用、能量雙向流動的能量交換與共享網(wǎng)絡(luò)。因此，電力網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量交換與共享的重要載體和關(guān)鍵樞紐。

對于電力網(wǎng)來說，要實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支路或網(wǎng)絡(luò)分區(qū)之間電能的雙向主動控制、有功或無功潮流的實(shí)時調(diào)節(jié)與分配，傳統(tǒng)的電力變壓器、電抗器、電容器等無源設(shè)備已經(jīng)無法承擔(dān)。在此背景下，基于電力電子技術(shù)的電力電子變壓器(Smart Electric Energy Router，SEER)逐漸開始得到較多的關(guān)注和研究。所謂電力電子變壓器是指可以連接兩個或以上交流或直流電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，且能對所連接的不同電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的電能進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)、分配與主動控制的新型智能化電氣設(shè)備，是電能實(shí)現(xiàn)“路由(route)”的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。SEER的功能性示意圖如圖1所示。對于中壓配電網(wǎng)，例如10kV/400V配電網(wǎng)中的應(yīng)用，SEER除去對電能的“路由”功能，一般還需要實(shí)現(xiàn)高低壓節(jié)點(diǎn)之間電壓等級變換和電氣隔離功能，以保證設(shè)備和操作人員的用電安全。因此，在配電網(wǎng)中，SEER的功能與電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)[4-8]，或稱固態(tài)變壓器(Solid-State Transformer，SST)[9-16]功基本相同。

圖1 智能電能路由器功能示意圖Fig.1 Functional schematic of smart electric energy router

對應(yīng)用于中壓，如10kV配電網(wǎng)的PET/SST來說，為了在電能“路由”、電壓變換和電氣隔離的同時減小裝置的體積，即提高功率密度，一般采用高頻電力電子變換器+高頻變壓器的方案實(shí)現(xiàn)[4-16]，而不采用工頻變壓器，如圖2所示。圖2所示的中壓配電網(wǎng)PET/SST至少包括高壓側(cè)AC/DC變換器和隔離型的DC/DC變換器兩個環(huán)節(jié)。高壓側(cè)AC/DC變換器主要實(shí)現(xiàn)電能的交直流變換(功率雙向流動，既可整流也可逆變)，隔離型的DC/DC變換器主要實(shí)現(xiàn)電壓等級變換和電氣隔離，而PET/SST的低壓直流側(cè)既可以接光伏、儲能電池電能直流設(shè)備，也可以接逆變器/整流器以提供低壓交流連接端口。

圖2 中壓配電網(wǎng)電力電子變壓器電路原理圖Fig.2 Circuit schematic of PET/SST for medium-voltage applications

關(guān)于中壓配電網(wǎng)PET/SST的具體電路拓?fù)?，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的方案在隔離型DC/DC變換器環(huán)節(jié)大多采用輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)(Input SEERies Output Parallel, ISOP)型的隔離型DC/DC變換器；而高壓側(cè)AC/DC變換器的拓?fù)湟话憧梢苑譃閮煞N：

(1)拓?fù)?：高壓AC/DC變換器采用級聯(lián)H橋變流器(CHB)的PET/SST電路拓?fù)鋄8-16]。

(2)拓?fù)?：高壓AC/DC變換器采用模塊化多電平變流器(MMC)的PET/SST電路拓?fù)鋄4-6]。

上述兩種拓?fù)涞碾娐吩韴D如圖3所示，其中HB代表半橋型電壓源變流器，F(xiàn)B代表單相全橋型電壓源變流器。對于中壓配電網(wǎng)三相PET/SST來說，在同樣的功率等級、同樣的電力電子開關(guān)器件(如IGBT)耐壓水平下，拓?fù)?比拓?fù)?需要更少的開關(guān)器件和高頻變壓器[4,5]，具有更好的功率密度優(yōu)勢。上述兩種類型的PET/SST在接入中壓電網(wǎng)時，主要采用變流器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)來承受高電壓，因此其開關(guān)器件為規(guī)?；逃卯a(chǎn)品，耐壓一般不高于4.5kV。但是此時，PET/SST所需開關(guān)器件數(shù)量較多。也有案例中的PET/SST采用10kV或更高耐壓的寬禁帶半導(dǎo)體開關(guān)器件，如碳化硅(SiC)器件，此時用三電平電路拓?fù)浼纯蓪?shí)現(xiàn)PET/SST的高壓側(cè)AC/DC變換器[16]，可以顯著減少開關(guān)器件數(shù)量。但是，目前10kV以上的SiC等寬禁帶半導(dǎo)體開關(guān)器件仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段且價格高昂，離規(guī)模化應(yīng)用尚有一定距離。

圖3 中壓配電網(wǎng)的電力電子變壓器的現(xiàn)有電路拓?fù)銯ig.3 Existing circuit topologies of PET/SST for medium-voltage applications

關(guān)于中壓配電網(wǎng)用PET/SST的功率密度，相關(guān)文獻(xiàn)開展了一定研究。文獻(xiàn)[9，10]對比分析了1MVA/10kV- 400V PET/SST與傳統(tǒng)低頻配電變壓器的體積、重量和造價，其結(jié)論認(rèn)為PET/SST的體積比傳統(tǒng)低頻配電變壓器更小。但這一分析并未考慮實(shí)際PET/SST裝置中的斷路器、充電電阻等輔助設(shè)備以及安裝、絕緣等實(shí)際問題。實(shí)際上，相對于400V的低壓電力電子裝置，10kV中壓裝置的電壓等級高，電氣部件的空氣間隙、爬電距離等都較大，導(dǎo)致元器件的體積之和與整個PET/SST裝置的實(shí)際體積有較大差距，所以不能以各元器件體積之和代替整機(jī)體積。本文結(jié)合基于拓?fù)?的10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器樣機(jī)具體實(shí)現(xiàn)方案和實(shí)測結(jié)果，詳細(xì)分析了影響PET/SST功率密度的多種因素，指出了影響PET/SST功率密度提高的關(guān)鍵瓶頸問題。

2 10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器具體電路實(shí)現(xiàn)方案

為了分析PET/SST的體積/功率密度，根據(jù)圖3所示的拓?fù)?，本文所研制的10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器樣機(jī)具體實(shí)現(xiàn)中還需要考慮10kV交流電網(wǎng)連接用三相斷路器(K1)、充電電阻(Rch)、10kV充電電阻旁路開關(guān)(K2)、控制保護(hù)柜、低壓直流柜等元件或設(shè)備，該樣機(jī)的具體電路實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。由于所研制PET/SST的10kV側(cè)電壓等級高，上述開關(guān)、電阻、電感等元件的絕緣空間要求較高(考慮各個元件的空氣放電間隙和爬電距離等)，因此其本身體積都較大，對系統(tǒng)功率密度的影響均需分析。

另外，為了保證PET/SST樣機(jī)的安全運(yùn)行，減少外圍環(huán)境中塵埃污染以及對外圍設(shè)備的電磁干擾，所研制的PET/SST樣機(jī)采用了金屬外殼對整個設(shè)備進(jìn)行防護(hù)。總體上，該P(yáng)ET/SST樣機(jī)分為10 kV開關(guān)柜、MMC柜、DC/DC柜、控制保護(hù)及低壓直流柜4個部分，散熱采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，散熱風(fēng)機(jī)集成在各個機(jī)柜外殼當(dāng)中。所研制10kVac-750Vdc/1MVA PET/SST樣機(jī)的整體布局圖如圖5所示。

圖4 10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器樣機(jī)具體電路實(shí)現(xiàn)方案Fig.4 Detailed implementation circuit diagram of 10kVac-750Vdc/1MVA PET/SST prototype

圖5 10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器樣機(jī)整體布局圖Fig.5 Layout of 10kVac-750Vdc/1MVA PET/SST prototype

3 10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器功率密度影響因素分析

本文所研制的10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器樣機(jī)的實(shí)物照片如圖6所示。由于篇幅限制，關(guān)于該P(yáng)ET/SST樣機(jī)內(nèi)的電路元器件，如橋臂電抗器、MMC和DC/DC變換器中的IGBT、電容器等元件的電氣參數(shù)以及相關(guān)的控制保護(hù)策略介紹請參考文獻(xiàn)[4-6]，本文不再贅述。

圖6 10kVac-750Vdc/1MVA PET/SST樣機(jī)實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Photo of 10kVac-750Vdc/1MVA PET/SST prototype

本文所研制的10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器樣機(jī)的總體尺寸為：7000mm×2300mm×1800mm(長×高×深)，即總體積為28.98m3。

表1 對PET/SST樣機(jī)功率密度有顯著影響的元件或設(shè)備Tab.1 Components or devices that influence PET/SST prototype power density greatly

根據(jù)對各個部件的實(shí)際測量結(jié)果，其中對PET/SST樣機(jī)系統(tǒng)功率密度有顯著影響的部件的名稱、相應(yīng)的數(shù)量、尺寸及相應(yīng)體積等實(shí)測參數(shù)如表1所示。其他體積很小的部件，例如交直流的電流傳感器、交直流電壓分壓器、接線端子、連接電纜等大多位于樣機(jī)主要部件之間的空氣間隙內(nèi)，對PET/SST功率密度的影響很小，本文的分析中未予考慮。

經(jīng)過對比分析表1中各個部件或機(jī)柜的實(shí)測體積及其對PET/SST樣機(jī)功率密度的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)第1～8項(xiàng)元件或設(shè)備已經(jīng)涵蓋了PET/SST的所有部分，其體積之和為12.099m3，小于樣機(jī)總體積28.98m3，這是因?yàn)?，這些元件很多與交流10kV電網(wǎng)或直流16kV電壓(見圖4)電氣連接。當(dāng)將其安裝在機(jī)柜內(nèi)時，相互之間以及元件與機(jī)柜的外殼(即大地)之間必須保持足夠的空氣間隙和爬電距離，以滿足10kV電壓等級的絕緣要求，因此會有較多的空間內(nèi)無法安裝元件。這一問題在400V電網(wǎng)所連接的低壓電力電子變流器中一般不突出。

(2)第1～8項(xiàng)所有部件中，MMC和DC/DC變換器功率模塊的體積之和為7.508m3，占第1～8項(xiàng)所有部件體積之和(12.099m3)的約62%?？梢?，變流器功率模塊體積在所有部件體積重占比最大，也是影響PET/SST功率密度最顯著的部件。

(3)總體而言，4個機(jī)柜中，MMC機(jī)柜所占體積最大，在整個樣機(jī)體積中的比重超過50%，這主要是由于MMC中的功率模塊數(shù)量多所導(dǎo)致。

(4)16臺額定工作頻率為8.3kHz的高頻變壓器總體積只有0.291m3，約為橋臂電抗器體積的38%、DC/DC變換器功率模塊總體積的16%、MMC功率模塊總體積的5%，小于所有功率模塊(MMC+DC/DC)總體積的4%?？梢?，高頻變壓器對PET/SST功率密度的影響十分有限。需要注意的是，這里的高頻變壓器工作頻率為8.3kHz，而在很多關(guān)于PET/SST的文獻(xiàn)中，高頻變壓器的工作頻率可以高達(dá)20kHz，在電壓和功率不變的情況下，頻率更高的變壓器體積一般更小。但是，從上述分析結(jié)果可見，通過提高高頻變壓器工作頻率來減小PET/SST的體積的方法其作用十分有限，況且這還會增加變壓器本身和外圍電力電子器件的渦流或開關(guān)損耗，也給散熱系統(tǒng)帶來困難。

(5)整個PET/SST樣機(jī)的功率密度約為1MVA/28.98m3=34.507kW/m3。這一數(shù)值較低，主要原因是MMC需要承受10kV交流電壓和16kV的直流電壓，而DC/DC變換器需要承受16kV直流電壓，這導(dǎo)致MMC和DC/DC變換器中的級聯(lián)連接的功率模塊數(shù)量多，增加了系統(tǒng)的體積。在交流電壓為10kV的情況下，1MVA的PET/SST功率密度難以提高。換言之，在高壓交流電壓和直流電壓仍然保持10kVac和16kVdc的條件下，若提高PET/SST的額定功率，則可以顯著提高其功率密度，例如，將其額定功率提高為2MVA，則功率密度幾乎可以提高一倍。因?yàn)樵诂F(xiàn)有的商用電力電子器件，特別是IGBT的發(fā)展水平下，即便所研究的PET/SST功率提高一倍，MMC和DC/DC變換器功率模塊的數(shù)量可以保持不變，即PET/SST的體積幾乎無顯著增加。

4 結(jié)論

基于電力電子技術(shù)的電力電子變壓器是未來電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)電能“路由”的核心設(shè)備?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)中，應(yīng)用于10kV中壓配電網(wǎng)的PET/SST電路拓?fù)渲兄饕捎酶哳l電力電子變流器+高頻變壓器的方案實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合所研制的10kVac-750Vdc/1MVA電力電子變壓器樣機(jī)，詳細(xì)分析了現(xiàn)有技術(shù)方案下中壓配電網(wǎng)PET/SST中各個電氣元件對系統(tǒng)功率密度的影響及其原因，并得到以下結(jié)論：

(1)高壓變流器由于開關(guān)器件和功率模塊數(shù)量多，占用空間大，其對PET/SST的功率密度影響十分顯著，已經(jīng)成為制約PET/SST功率密度提高的最主要障礙。

(2)相對于高壓變流器，高頻變壓器的體積很小(本文所分析案例小于高壓變流器總體積的4%)，通過提高高頻變壓器工作頻率來提高PET/SST功率密度的方法效果將十分有限。

[1] Huang A Q, Crow M L, Heydt G T, et al． The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system: The energy internet [J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(1): 133-148.

[2] Rifkin J. The third industrial revolution: How lateral power is transforming energy, the economy, and the world[M]. New York: Palgrave Macmillan, 2011. 74-112.

[3] 蒲天驕，劉克文，陳乃仕，等 (Pu Tianjiao, Liu Kewen, Chen Naishi, et al.). 基于主動配電網(wǎng)的城市能源互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù) (Design of ADN based urban energy internet architecture and its technological issues) [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE)，2015，35(14)：3511-3521.

[4] Zixin Li, Ping Wang, Zunfang Chu, et al. A three-phase 10kVAC-750VDC power electronic transformer for smart distribution grid [A]. Proceedings of the 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE) [C]. 2013. 1- 9.

[5] 李子欣, 王平, 楚遵方, 等 (Li Zixin, Wang Ping, Chu Zunfang, et al.). 面向中高壓智能配電網(wǎng)的電力電子變壓器研究 (Research on medium- and high-voltage smart distribution grid oriented power electronic transformer) [J]. 電網(wǎng)技術(shù) (Power System Technology), 2013, 37(9): 2592-2601.

[6] Fanqiang Gao, Zixin Li, Ping Wang, et al. Prototype of smart energy router for distribution DC grid [A]. Proceedings of the 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE) [C]. 2015. 1-9.

[7] Posada Contreras J, Ramirez J M. Multi-fed power electronic transformer for use in modern distribution systems [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(3): 1532-1541.

[8] T Besselmann, A Mester, D Dujic. Power electronic traction transformer: Efficiency improvements under light-load conditions [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29 (8): 3971-3981.

[9] Huber J E, Kolar J W. Volume/weight/cost comparison of a 1MVA 10kV/400V solid-state against a conventional low-frequency distribution transformer [A]. 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) [C]. 2014. 4545-4552.

[10] Tao Yang, Ronan Meere, Killian McKenna, et al. The evaluation of a modular solid state transformer and low-frequency distribution transformer under daily loading profile [A]. Proceedings of the 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE) [C]. 2015. 1-10.

[11] Jianjiang Shi, Wei Gou, Hao Yuan, et al. Research on voltage and power balance control for cascaded modular solid-state transformer [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26 (4): 1154-1166.

[12] Tiefu Zhao, Gangyao Wang, Subharshish Bhattacharya, et al. Voltage and power balance control for a cascaded H-bridge converter based solid state transformer [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28 (4): 1523-1532.

[13] Xu She, Alex Q Huang, Rolando Burgos. Review of solid-state transformer technologies and their application in power distribution systems [J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2013, 1 (3): 186-198.

[14] Jonas E Huber, Johann W Kolar. Analysis and design of fixed voltage transfer ratio DC-DC converter cells for phase-modular solid-state transformers [A]. 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) [C]. Montreal, Canada, 2015. 1-9.

[15] J W Kolar, J Huber, T Guillod, et al. Research challenges and future perspectives of solid-state transformer technology [A]. Keynote Presentations at the 5th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives [C]. Riga, Latvia, 2015. 1-90.

[16] Mainali K, Tripathi A, Madhusoodhanan S, et al. A transformerless intelligent power substation: A three-phase SST enabled by a 15-kV SiC IGBT [J]. IEEE Power Electronics Magazine, 2015, 2(3): 31-43.

Power density analysis of 10kVac-750Vdc/1MVA power electronic transformer/solid-state transformer for medium voltage distribution grid

LI Zi-xin, GAO Fan-qiang, XU Fei, CHU Zun-fang, MA Xun, SUN Zhan-dong,

LUO Yong-jie, WANG Ping, LI Yao-hua

(Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

For the 10kV medium voltage distribution grid applications, power electronic transformer/solid-state transformer (PET/SST) is mainly adopted as the voltage and electric power flow regulator with galvanic isolation. In order to increase the power density, the existing PETs/SSTs for 10kV distribution grid usually employ high-frequency converter with high-frequency transformer. This paper analyzes the factors that influence the power density of PETs/SSTs based on the prototype of 10kVac-750Vdc/1MVA PET/SST. The main obstacle that restricts the improvement of the power density of PETs/SSTs is also pointed out, i.e. the large number of the power modules in the high-voltage power converter in PET/SST. Meantime, analyses also show that it is not valid to improve the power density of 10kV grid oriented PETs/SSTs by increasing the operation frequency of the transformers.

energy internet; smart grid; electric energy router; power density; power electronic transformer

2015-10-24

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51207151)、 國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGRIPGKJ[2013]148)

李子欣(1981), 男, 河北籍, 研究員， 博士, 研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞飨到y(tǒng)及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用； 高范強(qiáng)(1984), 男, 湖北籍, 助理研究員， 博士, 研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)。

TM4

A

1003-3076(2016)06-0001-06