闞興隆

摘 要：電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會不可缺少的重要組成部分，而電力變壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，承擔(dān)著電位隔離、電壓變換等功能。電子電力變壓器是一種基于電力電子變流技術(shù)的新型電力變壓器，不僅可以完成傳統(tǒng)電力變壓器的功能，還具有完全的可控性、并能提供多種電能形式，所以電子電力變壓器具備解決未來電網(wǎng)面臨的諸多問題的能力。

關(guān)鍵詞：電力；變壓器；電氣高壓

一、引言

近幾十年，電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模日趨擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、運(yùn)行方式日趨繁瑣，導(dǎo)致電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題日趨明顯；大量非線性和非對稱負(fù)荷接入電網(wǎng)，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，使電力系統(tǒng)不能為對電能質(zhì)量敏感的負(fù)荷提供高品質(zhì)供電；21 世紀(jì)初學(xué)者提出了“智能電網(wǎng)”的概念，作為“智能電網(wǎng)”的重要組成部分，交/直流微網(wǎng)的智能化運(yùn)行方式和靈活電網(wǎng)結(jié)構(gòu)成為研究熱點(diǎn)，其需要靈活的交直流變換的電力接口。傳統(tǒng)電力設(shè)備尤其是傳統(tǒng)電力變壓器的智能控制手段和交直流電力接口功能非常有限，不能改善系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，不能解決電能品質(zhì)問題，不能提供智能控制，不能提供靈活交直流電力接口功能。

二、概念界定

電力變壓器（power transformer）是通過電磁感應(yīng)將一個系統(tǒng)的交流電壓和電流轉(zhuǎn)換為另一個系統(tǒng)的電壓和電流的電力設(shè)備，承擔(dān)電壓隔離、電壓等級變換、能量傳輸?shù)裙δ?。電力變壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)多個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電系統(tǒng)、輸變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)最重要的組成設(shè)備之一。

三、基于電力電子技術(shù)的電子電力變壓器的研究

內(nèi)部電氣參數(shù)模型及其分析：電子電力變壓器內(nèi)部電氣參數(shù)的建模和分析，是研究電子電力變壓器內(nèi)部電氣穩(wěn)態(tài)運(yùn)行問題重要環(huán)節(jié)，在設(shè)計時即可通過建模、分析和仿真評估其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而合理調(diào)整并優(yōu)化各個組成元件的設(shè)計參數(shù)，同時可以為電子電力變壓器的實時監(jiān)測、控制和保護(hù)提供參考。

硬件設(shè)計原則：電子電力變壓器內(nèi)部靜態(tài)模型的電氣參數(shù)的分析與計算，可以得到電子電力變壓器原副方直流電容電壓、中頻變壓器繞組電流、直流母排電流等的詳細(xì)的波形與量化的幅值，該結(jié)果可以直接指導(dǎo)電子電力變壓器的硬件選型與設(shè)計。合理的硬件設(shè)計與選型可以優(yōu)化整個裝置的體積，降低成本，減少運(yùn)行風(fēng)險。

動態(tài)模型研究：在電子電力變壓器啟動、工作點(diǎn)偏移和內(nèi)部或外部的發(fā)生故障的情況下，其內(nèi)部電氣運(yùn)行參數(shù)會發(fā)生變化，研究人員需要研究電子電力變壓器內(nèi)部動態(tài)模型及其電氣參數(shù)的變化規(guī)律，研究其暫態(tài)和動態(tài)特性。在保證其裝置安全的情況下，結(jié)合其動態(tài)模型研究結(jié)果，通過調(diào)整合適的控制方式提高其故障穿越能力。

四、10k V 電子電力變壓器工業(yè)樣機(jī)關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計與實現(xiàn)

1.主回路拓?fù)渑c控制系統(tǒng)設(shè)計

該電子電力變壓器樣機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。原方為Y型接法，由于現(xiàn)場的10k V電網(wǎng)無中性點(diǎn)，所以原方Y(jié)型的中性點(diǎn)浮地；副方為Y型接法，由于現(xiàn)場的400V電網(wǎng)為三相四線制，所以副方Y(jié)型的中性點(diǎn)接出。

2.關(guān)鍵元件的選型與設(shè)計

（1）直流母排設(shè)計。在大功率電力電子變換器中，直流母排起到了非常關(guān)鍵的作用：用于完成電力電子產(chǎn)品中功率電路和器件的電氣連接，通過正負(fù)極層疊平行分布的結(jié)構(gòu)形式降低線路雜散電感，從而降低功率元件兩端的反向峰值電壓，降低功率器件對電壓保護(hù)吸收電路的要求，提高功率器件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，同時提高了電路的集成度，便于維修維護(hù)。直流母排的設(shè)計可以參考如下原則：

第一，盡可能保證正負(fù)母排面積重合，不建議設(shè)計為正負(fù)母排不完全重合形式。

第二，盡可能保證正負(fù)兩極的導(dǎo)通路徑相等。

第三，盡可能保證正負(fù)兩極的導(dǎo)通回路閉合的面積最小。空間上的直線排布可以使其面積最小，可使其雜散電感最小，所以推薦保證每個IGBT對應(yīng)一個或多個直流電容。

第四，直流母排所有出線的端子必須加支撐。功率胞外部接線多使用電纜或銅排，這些接線會對端子產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力；受制于加工精度，某些連接端子存在安裝誤差，可能會造成母排端子和IGBT端子產(chǎn)生持續(xù)應(yīng)力。短時過大的應(yīng)力或長期承受應(yīng)力，可能會對直流母排結(jié)構(gòu)和IGBT端子產(chǎn)生破壞性影響，所以端子的支撐是必須的。

（2）冷卻系統(tǒng)設(shè)計。電子電力變壓器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計直接影響電力電子變壓器的整體結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)水平，是電子電力變壓器設(shè)計工作中的重要一環(huán)。本裝置使用的冷卻系統(tǒng)為水冷和風(fēng)冷混合式散熱方案，水冷系統(tǒng)對功率器件進(jìn)行散熱，強(qiáng)迫風(fēng)冷實現(xiàn)對磁性元件的散熱。水冷系統(tǒng)由水冷散熱片、泵系統(tǒng)、水風(fēng)換熱系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。散熱片設(shè)計分為以下幾個部分：器件損耗、結(jié)溫計算、熱阻計算。

（1）高低壓功率胞設(shè)計。級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)電子電力變壓器容易實現(xiàn)模塊化設(shè)計，便于進(jìn)行冗余設(shè)計，便于生產(chǎn)、安裝、檢修等，從硬件上提高裝置的可靠性和可維護(hù)性。所以其高低壓側(cè)功率胞的設(shè)計遵循模塊化的設(shè)計理念，其高低壓側(cè)功率胞分別設(shè)計為完全相同的單元。

（2）高低壓功率胞耐壓實驗。高低壓側(cè)功率胞安裝完成之后，需要進(jìn)行絕緣耐壓實驗。該絕緣試驗參考國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對10k V EPT裝置進(jìn)行一系列絕緣試驗。

（3）電子電力變壓器功率柜設(shè)計。電子電力變壓器柜體設(shè)計設(shè)計同樣需要考慮絕緣爬電和電氣間距的國標(biāo)要求。除了電子電力變壓器功率胞安裝裝配的柜體之外，還有輸入開關(guān)柜、啟動電阻和boost電感柜、主控制柜、冷卻系統(tǒng)柜等。

五、結(jié)束語

電子電力變壓器是智能電網(wǎng)重要的組成部分，其擁有良好的可控性、優(yōu)秀的諧波抑制能力、靈活的接口和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，在電力系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的可控性能，已經(jīng)成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

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