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電力電子變壓器主電路拓撲研究

所屬欄目:電子技術論文 發布日期:2019-12-17 09:51 熱度:

   摘 要:電力電子變壓器是一種基于電力電子技術和高頻電磁感應原理而實現傳統電力變壓器電氣量變換、能量傳遞以及系統隔離等功能的裝置,與傳統變壓器相比具有體積小、可控性強等優點,適合應用于智能電網領域。現首先介紹電力電子變壓器的基本原理,然后對電力電子變壓器的基本電路拓撲進行了總結,最后針對三相高壓、大功率應用場合歸納出兩種不同結構的電路拓撲,并對其優劣勢進行了分析。

  關鍵詞:電力電子變壓器;電力電子技術;高頻電磁感應;電路拓撲

電力電子變壓器主電路拓撲研究

  1 基本原理

  電力電子變壓器(Power Electronic Transformer,PET)又稱為固態變 壓 器(Solid-State Transformer,SST)或柔 性 變 壓器(Flexible Transformer,FT),是一種基于電力電子技術和高頻電磁感應原理而實現傳統電力變壓器電氣量變換、能量傳遞以及系統隔離等功能的裝置,一般由電力電子變換器和高頻變壓器構成。如圖1所示,電力電子變壓器的基本原理是將工頻交流電通過原邊電力電子變換器轉換為高頻的交流電,然后通過高頻變壓器耦合到副邊,再經副邊電力電子變換器還原為工頻交流電。

  2 基本電路拓撲

  2.1 交-交型電路拓撲圖2為交-交型電力電子變壓器的實現結構圖,其工作原理為:輸入的工頻交流信號在原邊直接被調制為高頻交流電,經高頻變壓器耦合到副邊后,被直接解調還原為工頻交流電。在這一過程中,原方的調制和副方的解調必須同步。交-交型電路拓撲是電力電子變壓器早期研究的重點,結構簡單,所需開關器件較少,效率高,能有效減小變壓器的體積和重量,但不能對電能質量進行改善。

  2.2 交-直-交型電路拓撲圖4為交-直-交型電力電子變壓器的實現結構圖,其工作原理為:輸入的工頻交流電經原邊整流電路變換為直流電,直流電經原邊逆變電路變換為高頻交流電,高頻交流電經高頻變壓器耦合到副邊,經副邊整流為直流電,再經逆變電路還原為工頻交流電輸出。其中原邊逆變電路與高頻變壓器和副邊整流電路組合形成隔離型直流變換電路,所以交-直-交型電力電子變壓器電路拓撲可分為整流電路、直流變換電路和逆變電路三級結構,典型電路拓撲如圖5所示。

  3 高壓大功率電力電子變壓器拓撲

  受限于電力電子器件制造水平,電力電子變壓器的基本電路拓撲僅適用于電壓等級較低、功率較小的場合,而在高壓、大功率條件下需要采用模塊化多電平或模塊級聯等方式實現。

  3.1 基于模塊化多電平的電路拓撲圖6為基于模塊化多電平的電力電子變壓器三相電路拓撲,其中輸入級為兩電平整流電路,采用模塊化多電平方式實現。此種方式等效開關頻率高,諧波特性好,但控制復雜,模塊均壓和換流抑制較難實現,且器件數量較多,造成成本較高。

  3.2 基于模塊級聯的電路拓撲圖7為基于模塊級聯的電力電子變壓器三相電路拓撲,將輸入整流電路和直流變換電路看作一個模塊,每相輸入側都采用多個模塊級聯方式,每個模塊的直流輸出側并聯后經三相逆變電路變換為交流電。此種方式對器件耐壓、一致性等要求不高,整體等效開關頻率高,諧波特性好,但控制復雜,模塊內直流電壓存在二倍頻分量,且器件數量較多,整體成本較高。

  4 結語

  本文對電力電子變壓器的特點和基本原理進行了概述,根據有無中間直流環節將電力電子變壓器的基本拓撲分為交-交型結構和交-直-交型結構兩類,并對兩類拓撲結構進行了研究,結合電網實際應用場合,針對高壓大功率的電力電子變壓器拓撲進行了研究,并對比分析其各自特點。電力電子變壓器與傳統變壓器相比具有體積小、可控性強等優點,隨著電力電子技術和現代控制技術的不斷發展,電力電子變壓器的優勢將更加明顯,其在電力系統中將有廣闊的應用前景。

  [參考文獻]

  [1] 陳啟超,紀延超,潘延林,等.配電系統電力電子變壓器拓撲結構綜述[J].電工電能新技術,2015,34(3):41-48.

  [2] 盧子廣,趙剛,楊達亮,等.配電網電力電子變壓器技術綜述 [J].電力系統及其自動化學報,2016,28(5):48-53.

  《電力電子變壓器主電路拓撲研究》來源:《機電信息》,作者:董長城,王志剛, 駱 健, 俞拙非。

文章標題:電力電子變壓器主電路拓撲研究

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