電力電子變壓器及其發(fā)展綜述潘詩鋒.doc
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#科普園地#電力電子變壓器及其發(fā)展綜述Summary of Development of Power Electronic Transformer潘詩鋒,趙劍鋒(東南大學電氣系,江蘇南京210096)摘 要:介紹了電力電子變壓器的優(yōu)點、工作原理、目前研究狀況。指出了用電力電子變壓器解決電能質(zhì)量問題是今后的發(fā)展趨勢,拓寬了電力電子變壓器的應(yīng)用場合,使得其不但可以使用在對能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、重量有特殊要求的場合,如航海、航空、航天等領(lǐng)域,還可以為電能質(zhì)量敏感負荷供電。它是建設(shè)/綠色電網(wǎng)0/數(shù)字電網(wǎng)0的關(guān)鍵設(shè)備之一,對其進行研制和使用可取得巨大的經(jīng)濟和社會效益。關(guān)鍵詞:電力電子變壓器;電能質(zhì)量;綠色電網(wǎng);數(shù)字電網(wǎng)中圖分類號:TM41文獻標識碼:E文章編號:1009-0665(2003)06-0052-03收稿日期: 2003-06-28 傳統(tǒng)的電力變壓器具有制作工藝簡單、可靠性高等優(yōu)點,在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。但是,它的缺點也十分明顯,如體積、重量、空載損耗大;過載時易導(dǎo)致輸出電壓下降、產(chǎn)生諧波;負載側(cè)發(fā)生故障時,不能隔離故障,從而導(dǎo)致故障擴大;帶非線性負荷時,畸變電流通過變壓器耦合進入電網(wǎng),造成對電網(wǎng)的污染;電源側(cè)電壓受到干擾時,又會傳遞到負載側(cè),導(dǎo)致對敏感負荷的影響;使用絕緣油造成環(huán)境污染;需要配套的保護設(shè)備對其進行保護1。作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,與傳統(tǒng)的變壓器相比,電力電子變壓器具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優(yōu)點。它是集電力電子、電力系統(tǒng)、計算機、數(shù)字信號處理以及自動控制理論等領(lǐng)域為一體的電力系統(tǒng)前沿研究課題,通過電力電子器件和電力電子變流技術(shù),對能量進行轉(zhuǎn)換與控制,以替代傳統(tǒng)的電力變壓器。研究電力電子變壓器的初衷是為了降低傳統(tǒng)變壓器的體積和重量。因為,變壓器的體積和重量與它的運行頻率成反比,借助于電力電子技術(shù)提高其變換頻率,就可減小體積和重量。美國海軍于20世紀70年代末至80年代初,首先對其進行了研究2,美國電科院于1995年也進行了相關(guān)研究3。以上2個項目研究,試驗樣機都不實用,因為它們采用的是降壓型變換器(Buck),不能很好地抑制輸入的諧波電流,而且變壓器輸入和輸出是不隔離的1。20世紀90年代末,美國密蘇里大學在ABB和愛默生公司資助下對電力電子變壓器進行了研究,完成了10 kVA,7 200 V/240 V的實驗樣機,但僅實現(xiàn)了基本的電壓變換功能和對輸入的功率因數(shù)控制。另外,設(shè)計時為減小對開關(guān)器件的應(yīng)力,輸入采用多個變流器串聯(lián)工作,使系統(tǒng)的可靠性大大降低,當其中任意一個器件出現(xiàn)故障都會導(dǎo)致工作異常。美國威斯康星)麥迪遜大學與ABB公司合作,德克薩斯農(nóng)機大學也于20世紀90年代末對電力電子變壓器進行了研究4,5,但以上工作只對其電壓變換的功能進行了分析和研究。目前,國際上對電力電子變壓器的研究處于初級階段,還有許多相關(guān)的理論和實際問題需要研究。要達到實用化,功能上還需進一步完善。國內(nèi)還未見到進行相關(guān)研究的報道。1 工作原理電力電子變壓器主要由初、次級功率變換器以及聯(lián)系二者之間的高頻變壓器組成。從電力電子變壓器的輸入輸出特性看,相當于交/交變換。其基本工作原理為輸入的工頻電壓經(jīng)過原邊變換器調(diào)制為高頻交流電壓,通過高頻變壓器耦合至副邊,再通過副邊的功率變換器將其轉(zhuǎn)換為所要求的電壓。圖1為單相電力電子變壓器原理示意。圖1中所有的開關(guān)都為雙向開關(guān),即由兩個IGBT和二極管相對連接,可以使電流雙向流動。原邊開關(guān)SW1、SW2、SW3、SW4和副邊開關(guān)SW1c、SW2c、SW3c、SW4c分別工作在同步狀態(tài)。在高頻變壓器原邊換流開關(guān)SW1、SW2、SW3和SW4的交替導(dǎo)通下,工頻交流電被調(diào)制成高頻電壓,該高頻電壓經(jīng)過變壓器耦合到副邊,再經(jīng)過副邊換流開關(guān)SW1c和SW2c以及SW3c和SW4c交替導(dǎo)通換流之后,還原成工頻的交流電。圖2為高頻變壓器原邊的電壓仿真波形。3 研究現(xiàn)狀目前,國際上對電力電子變壓器的研究總體上處于起步階段,已有的文獻報道也僅僅完成了小功率的實驗樣機15。圖3為目前文獻中出現(xiàn)的幾種電力電子變壓器主電路結(jié)構(gòu)。52 2003年11月 江 蘇 電 機 工 程Jiangsu Electrical Engineering 第22卷第6期 圖1 單相電力電子變壓器原理示意圖2 高頻變壓器原邊電壓波形圖3(a)由24個開關(guān)管、二極管和高頻變壓器組成,電路復(fù)雜、損耗較大。另外,為了避免兩相之間有短時短路,其控制策略也較復(fù)雜。文獻5中提出的一種四步開關(guān)控制策略能夠避免相間短路的出現(xiàn),但算法較復(fù)雜。圖3(b)所示的主電路由3個輸入電感、三相PWM變換器、橋式逆變器、高頻變壓器、橋式整流器、三相逆變器及2個直流電容組成。其工作原理為:工頻交流電經(jīng)過三相PWM變換器變換為直流,直流電壓經(jīng)過橋式逆變器變換為高頻交流電壓輸入到變壓器原邊,然后耦合到高頻變壓器副邊、經(jīng)過一個全橋整流器變?yōu)橹绷麟妷?、再通過三相逆變器輸出三相交流電壓。這種結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器與圖3(a)所示的主電路相比減少了4個功率管,可實現(xiàn)交流側(cè)功率因數(shù)為1的控制,但經(jīng)過的變換環(huán)節(jié)太多,損耗較大。圖3(c)為采用反激型變換器的電力電子變壓器。該結(jié)構(gòu)設(shè)計的出發(fā)點是基于ac-ac直接變換的思想,避免過多的中間階段,使結(jié)構(gòu)簡化,從圖中也可看出,整個裝置的開關(guān)器件只有6個,大大少于前面兩種結(jié)構(gòu)。其開關(guān)控制采用PWM控制策略,當工作于一定的占空比D時,輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系式為: Vo=D1-DVi(1)其工作原理為:當開關(guān)斷開時,電源對電感和電容充電,能量存儲于電感和電容中;當開關(guān)導(dǎo)通時,電感向變壓器原邊繞組放電,能量高度耦合到副邊繞組,對副邊電容充電,同時對負載供電;當開關(guān)斷開時,副邊的電容也繼續(xù)對負載供電。該電路的另一個特點是電源側(cè)的電感和電容組成了LC濾波器,適當?shù)脑O(shè)計可以濾除電源側(cè)的電壓諧波,能在一定程度上解決電能質(zhì)量的問題。但是這種結(jié)構(gòu)不能用于大功率的場合。圖3 電力電子變壓器主電路結(jié)構(gòu)示意4 發(fā)展趨勢及關(guān)鍵問題對電力電子變壓器進行研究的一個重要趨勢是通過電力電子變壓器解決電能質(zhì)量問題,即電力電子變壓器既具備傳統(tǒng)變壓器的功能,如電能傳輸、隔離、變換等,又具有抑制諧波雙向流動、防止負載側(cè)出現(xiàn)故障影響電源電壓、輸出電壓可以有直流分量、消除電壓跌落、升高,以及過電壓、欠電壓等電源側(cè)電壓的干擾對53潘詩鋒等:電力電子變壓器及其發(fā)展綜述負荷的影響,對各種電量進行監(jiān)測、顯示、分析處理來判斷各種異常情況對其自身和系統(tǒng)進行保護,并給出報警信號和故障類型等優(yōu)點。目前,電能質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟損失巨大,據(jù)估計每一次電能質(zhì)量問題使生產(chǎn)流水線中斷或重新啟動可能造成平均30萬100萬美元的損失6。美國每年由于電能質(zhì)量問題造成200億美元的損失7。然而,系統(tǒng)即使按最大可靠性設(shè)計也無法避免電能質(zhì)量問題的發(fā)生。采用電力電子變壓器來解決電能質(zhì)量問題有最佳的性能價格比。因為,其他任何一種方法除了需要補償設(shè)備外,還要配備與負荷等容量的傳統(tǒng)變壓器和相應(yīng)的保護設(shè)備。相當于把傳統(tǒng)變壓器及其配套的監(jiān)測、保護設(shè)備和配電型靜止同步補償器、動態(tài)電壓恢復(fù)器、電力有源濾波器、綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等電能質(zhì)量補償裝置的功能合二為一,可大大降低成本。目前,基于/用戶電力技術(shù)0的補償設(shè)備還沒有得到廣泛地應(yīng)用,其主要原因就是成本問題,而使用電力電子變壓器,可有效地解決這對矛盾。使得電力電子變壓器不但可以使用在對能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、重量有特殊要求的場合,如航海、航空、航天等領(lǐng)域,也可為電能質(zhì)量敏感負荷供電,如造紙廠、紡織廠、擠塑機、生產(chǎn)精密機械的汽車零件制造、大型泵體鍛造企業(yè)以及半導(dǎo)體制造業(yè)、銀行、電信、軍事、醫(yī)療、化工領(lǐng)域等。針對以上發(fā)展趨勢,需要對以下兩方面深入研究:(1)對適合于電力電子變壓器的各種電路拓撲進行深入研究。因為,為了使電力電子變壓器早日應(yīng)用,應(yīng)當從提高可靠性、降低損耗著手。而目前所使用的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低、損耗大。(2)對電力電子變壓器控制策略加以研究,得出能同時完成能量轉(zhuǎn)換和解決電能質(zhì)量的問題功能的控制策略,即如何將電能傳輸、隔離、變換、保護和改善電能質(zhì)量問題的功能合而為一。5 結(jié)論及展望電力電子變壓器具有廣闊的使用前景,一方面,可以使用在對能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、重量有特殊要求的場合,如航海、航空、航天等領(lǐng)域;另一方面,可以為電能質(zhì)量敏感負荷供電,如造紙廠、紡織廠、擠塑機、生產(chǎn)精密機械的汽車零件制造、大型泵體鍛造企業(yè)以及半導(dǎo)體制造業(yè)、銀行、電信、軍事、醫(yī)療、化工領(lǐng)域等。因此,電力電子變壓器是建設(shè)/綠色電網(wǎng)0/數(shù)字電網(wǎng)0的關(guān)鍵設(shè)備之一,對其進行研制和使用可以取得巨大的經(jīng)濟和社會效益。正如開關(guān)電源已受到廣泛應(yīng)用一樣,隨著技術(shù)的成熟,電力電子器件性能的提高、成本的降低,在510年內(nèi)電力電子變壓器必將在多個領(lǐng)域內(nèi)得到極為廣泛的應(yīng)用。參考文獻:1 Ronan E R,Sudhoff S D,Glover S F,Galloway D L.Application ofPower Electronics to the Distribution TransformerJ.IEEE AppliedPower Electronics Conference and Exposition,2000,(2):861-867.2 Brooks J L.Solid State Transformer Concept DevelopmentM.Naval Material Command,civil Engineering Laboratory,Naval con-struction Battalion Ctr.,Port Hueneme,CA,19803 EPRI TR-105067.Proof of the Principle of the Solid-State Trans-former the AC/AC Switch Mode RegulatorM.San Jose State Un-iversity,prepared for Electrical Power Research Institute,Final Re-port,Aug.1995.4 Manjrekar M D,Kieferndorf 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kV陽淮線停電維修后啟動之初不帶負荷的機會,在/任上52370線路段上,帶電更換四聯(lián)串耐張絕緣子獲得成功。據(jù)悉,這在全國尚屬首次,此前只有北京供電局在20世紀末多次成功地實施過帶電更換二聯(lián)串耐張絕緣子的工作。據(jù)介紹,帶電更換四聯(lián)串耐張絕緣子是江蘇省電力系統(tǒng)2003年最重要的科研課題。為破解這道難題,徐州供電公司在2003年初接到任務(wù)后,立即組織線路工區(qū)的技術(shù)人員刻苦攻關(guān)。他們自制專用工器具,在反復(fù)研究的基礎(chǔ)上,多次進行模擬試驗,終于獲得了成功。該項技術(shù)正式推廣應(yīng)用后,不僅可在提高主電網(wǎng)安全運行的可靠性方面發(fā)揮重要作用,而且將避免停電更換絕緣子帶來的重大經(jīng)濟損失。54江 蘇 電 機 工 程- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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