10kV电网用电子变压器主电路的研发

白云飞

摘 要 随着大功率全控型电力电子器件的工业应用、新型拓扑电路和相应控制技术的发展，一种通过电力电子电路实现电力系统中的电压变换和能量传递的新型变压设备——电子电力变压器得到了越来越多的关注。本文对10kV电力电子变压器的两种主电路进行了对比，提出了10kV电力电子变压适合的主电路结构，并对电路电子变压器前中后三级结构中所示宜采用的电路进行了分析。

【关键词】链式电路 电力电子变压器 电压源型换流器

1 引言

随着大功率全控型电力电子器件的工业应用、新型拓扑电路和相应控制技术的发展，一种新型变压设备——电子电力变压器得到了越来越多的关注。

电子电力变压器又称固态变压器（Solid State Transformer，SST）是一种融合了电力电子变流器和高频隔离变压器的变电设备，它通过电力电子变换技术和高频变压器的磁耦合实现电力系统中的电压变换、能量传递和不同电压系统之间电气隔离。电力电子变压器在解决电能质量问题、提高系统运行可靠性上具有明显的优势和传统电力变压器无法比拟的功能。10kV配电网用电力电子变压器是目前该领域应用研究的主要方向。

2 10kV电力电子变压主电路

随着多重化电力电子拓扑的发展，新型的链式多电平换流器和模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）技术得到了广泛应用。这些技术成熟为电力电子变压的发展提供了新的技术支撑，从根本上解决电力电子变压器接入高电压等级电网的限制，同时使电力电子变压器具备了对不同电压等级侧的电压、电流以及有功功率、无功功率的灵活调节的能力。

新型的电力电子变压器的结构采用高压工频交流-直流-高频交流-高频交流-直流-低压工频交流结构。其中，接入高压电网的电路为其前级电路，起到隔离作用的直流-高频交流-高频交流-直流为中间级电路，接入低压电网的电路为后级电路。

10kV电力电子变压器前级电路主要有这两种类型。这两种电力电子变压器的主要区别在于其前级电力分别采用了MMC电路和链式电路。采用MMC结构的电力电子变压器由于前级电路采用了MMC电路的原因，使得采用此结构的电力电子变压器的前级电路可以工作在极低的开关频率下，可以大大的减小电力电子变压器前级电路的开关损耗，从而提高电力电子变压器的运行效率，同时由于这种电路结构中间级并联的数量较少，可减少一定的设备成本。

采用链式结构的电力电子变压器，中间级电路的模块数量较多，这样不利于降低设备成本，但是同容量条件下，由于并联模块数量较多，有助于降低单台高频变压器的容量，从而减低变压器尺寸，提高功率单元的模块化设计水平。另外，一方面由于MMC电路中接入电抗器的数量是链式电路的两倍，增加了主电路的成本；一方面由于在10kV电压等级中MMC串联模块的数量较少，为了改善输出波形，MMC结构在调制方法上应采较高的开关频率，因此在高电压系统中MMC单个链接开关损耗小的优势，在10kV电力电子变压器应用领域不能体现。两种电力电子变压的结构各具优点，就10kV电压等级的应用背景而言，前级电路基于链式结构的电力电子变压器更加具有优势。

基于链式结构的10kV电力电子变压是目前学术和工程应用研究中最受关注的主电路拓扑。在这种电路的电力电子变压器，其前级电路采用链式电路结构，中间级电路采用双有源桥式变换电路（Dual-active-bridge， DAB），后级电路采用三相桥式逆变电路。

3 10kV电力电子变压器的前级电路

根据换流器三相接线方式的不同，电力电子变压器前级电路所采用的链式电路可以分为“Y”接法和“Δ”接法两类。当接入相同电压等级的电网时，“Δ” 接法的链式电路同“Y”接法的链式电路相比成本较高，但是采用相同容量的链结时，“Δ”能够实现更大的输出容量。在接入电压相同的条件下，如果电力电子变压器的设计容量较小时，采用“Y”接法的前级电路经济性更好，而在设计容量较大时则应采用“Δ”接法的前级电路。

电力电子变压器在电网中是一个串联设备，而链式STATCOM是并联设备，所以电力电子变压器的电路要求必须具有更高的可靠性。为了保证设备运行的可靠性，电力电子变压器的高压侧链式电路必须考虑一定的冗余度设计，其前级电路中需要留有一定数量的热备功率单元。热备功率单元能够在工作的功率单元发生故障时快速的投入工作，保证电路电子变压器能够继续工作。

4 10kV电力电子变压器的后级电路

电力电子变压器的后级电路通常有多个输出电路，这些后级输出电路的直流侧都并联在电力电子变压器的后级电路的直流母线上，从而可以更加容易地实现多输入或多输出支路的扩展。

10kV电力电子变压器的后级电路接入的电力系统380V低压电网。在该电压等级的电网中，电力系统采用了三相三线制和三相四线制两种线路结构，因此电力电子变压器的后级电路中的输出电路必须能够适合接入不同线路结构的380V电网。电力电子变压器的后级电路中的输出电路可采用两电平全桥电路或三电平全桥电路。

5 10kV电力电子变压器的中间级电路

考虑电力电子变压器中需要实现能量的双向流动，因此电力电子变压器中间级的基本电路单元为双有源桥式变换电路。

双有源桥式变换电路是近年来研究较多的一种典型的双向DC-DC变换器，这类变换器由两个IGBT单相桥式变换单元、谐振电抗器和隔离变压器组成。由于双有源全桥双向 DC-DC变换器结构对称，采用移相控制可以实现开关管的软开关。

6 结论

本文对电力电子变压器主电路的電路拓扑的发展和演变过程进行简单归纳总结后，对10kV电力电子变压器的两种主电路进行了对比，提出了10kV电力电子变压适合的主电路结构，并对电路电子变压器前中后三级结构中所示宜采用的电路进行了分析，提出了适合的电路结构。

参考文献

[1]邓卫华，张波，胡宗波.电子电力变压器电路拓扑与控制策略研究[J].电力系统自动化，2003，27（20）：40-44.

作者单位

1.西安西电自动化控制系统有限责任公司 陕西省西安市 710049

2.特变电工西安电气科技有限公司 陕西省西安市 710049endprint