10kVMW级电力电子变压器设计方案.docx

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1、10kVMW 级电力电子变压器设计方案刘欣和;吴金龙;辛德锋;冯宇鹏;王先为;姚为正【摘 要】电力电子变压器(PET)在具有传统变压器变压和隔离等根本功能的同时,还具备功率灵敏可控和可进展无功补偿等优势.通过对电力电子变压器拓扑构造和功能的分析,针对中低压交直流混合智能配电网领域,提出了一种 io kVMW 级的电力电子变压器的设计方案,其中高压侧 AC/DC 变换器承受 MMC 换流器,DC/DC 变换器由输入串联输出并联的 LLC 谐振型双向全桥 DC/DC 变换模块组成;给出了AC/DC 和 DC/DC 变换器中主要元器件的设计,结合应用场景设计了 PET 的运行模式以及各局部的根本把握

2、策略.所提出的设计方案可实现中压沟通、中压直流、低压直流以及低压沟通的多级变压、网络互联以及能量的多向流淌,有用性强,在中低压交直流配电网中具有确定典型性,对工程设计有重要指导意义.%The power electronic transformer (PET) has the basic functions of voltage transformation and isolation as traditional transformers,besides it enjoys the advantages of highly flexible power control and reactiv

3、e power compensation and so on.Based on the analysis of the PET topology and functions,a new design scheme of 10 kVmw level PET oriented to medium and low-voltage ac-dc hybrid smart distribution grid is proposed.The MMC converter is used as AC/DC converter at high-voltage side,and the DC/DC converte

4、r consists of input-series output-parallel (ISOP) LLC resonant full- bridge DC/DC converters modules.The proposed design scheme includes the design of the main components of AC/DC converter and DC/DC converter,and also contains the operational mode of PET by using application scenarios and basic con

5、trol strategies for variouscomponents.Multilevel voltage transformation of medium voltageAC,medium voltage DC,low voltage DC and low voltage AC can be realized in the proposed design scheme,what”s more,network interconnection and multidirectional flows of energy become possible.The proposed design s

6、cheme has some typical characteristics in the medium and low-voltageac-dc hybrid smart distribution grid,which has important guiding significance to engineering design.【期刊名称】华北电力大学学报(自然科学版)【年(卷),期】2023(044)003【总页数】8 页(P59-66)【关键词】电力电子变压器;模块化多电平换流器;交直流混合配电网;设计方案【作 者】刘欣和;吴金龙;辛德锋;冯宇鹏;王先为;姚为正【作者单位】西安许继电

7、力电子技术,陕西西安 710075;西安许继电力电子技术,陕西西安 710075;西安许继电力电子技术,陕西西安710075;西安许继电力电子技术,陕西西安 710075;西安许继电力电子技术,陕西西安 710075;许继集团,河南许昌 461000【正文语种】中 文【中图分类】TM721配电变压器是配电网中最重要、最普遍的一类设备，其作用一般是将 635 kV 的配电电压降至 400 V 左右输出给用户，实现变压、隔离和能量传递等功能。目前传统配电变压器具有牢靠性强、价格低廉等优点，但也存在以下缺点：(1) 功能单一，可控性差；(2) 体积、重量大；(3) 变压器油泄漏造成环境污染；(4)铁

8、芯饱和或变压器过载时会产生谐波，投入电网时还会造成较大的励磁涌流，无法有效隔离两侧扰动和故障等。基于上述缘由，并且随着大功率电力电子技术的进展，电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)的概念受到了业界的关注1-4。与此同时，直流供电技术也伴随着电力电子技术的革得到了确定的进展，在现有的沟通配电网根底上建设交直流混合配电网是将来智能配电网的进展趋势，这也给电力电子变压器供给了宽阔的应用空间。电力电子变压器(有些学者也称之为固态变压器(Solid-State Transformer，SST) 或智能通用变压器(Intelligent Universal T

9、ransformer，IUT)是由电力电子换流器和高频变压器组成的型智能化电气设备，除去具有传统变压器的电压等级变换和电气隔离等根本功能之外，还具有高度的可控性，可实现潮流把握、无功补偿、谐波治理、频率变换、交直流变换、可再生能源接入等能量管控功能。自 1970 年美国通用电气公司首次提出了基于 AC-AC 变换电路的电力电子变压器5以来，国内外多个争论机构对 PET 开展了争论工作6-8，其中最典型的拓扑构造为 AC-DC-AC 型变压器拓扑，如图 1 所示：变压器的高压侧通过电力电子电路将工频信号变换为高直流电压，通过中间带高频隔离变压器的 DC/DC 变换器变换为低直流电压， 以供低压侧

10、逆变器使用。综合目前文献中报道的中高压配电网用 PET，为了满足高压大功率的应用需求，比较好的做法是高压侧 AC/DC 承受级联型 H 桥或模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，通过模块化串并联技术，使电压等级和容量提升到较高水平。与承受级联型 H 桥的方案相比，承受 MMC 拓扑时有以下几方面的优势：(1)所需的直流 DC/DC 变换器和高频变压器更少；(2)输出电压质量高、功率灵敏可控；(3)直流侧可直接输出直流电压等9。因此基于 MMC 的 PET 必将在将来的中低压交直流混联智能配电网领域发挥重要作用。本文从 PET 拓扑入手，提出了一

11、个典型的针对中低压交直流混合配电网用的 10kV 电压等级、MW 级容量的 PET 设计方案，给出了 PET 中主要组成局部的参数设计和把握策略。仿真结果说明，本设计方案是可行的，且具有工程设计指导作用。为了使 PET 在中低压交直流混合配电网中具有更好的适应性，并兼具灵敏可控与本钱的优势，本文所设计的 PET 主构造为 AC/DC-DC/DC-(DC/AC)，如图 2 所示。高压侧 AC/DC 变换器承受 MMC 换流器，同时在 MMC 直流端配置了接口，可直接接入中压直流配电网。MMC 共有 3 个相单元，每个相单元由 1 个上桥臂和 1个下桥臂构成，每个桥臂由 N 个子模块(sub-mo

12、dule，SM)和 1 个桥臂电抗器串联而成。桥臂中子模块可承受半桥式或全桥式等拓扑或多种拓扑子模块混合组成。由于存在直流侧接入中压直流配电网的状况，为使装置具有应对直流侧故障的力气， 本方案中桥臂子模块全部承受全桥式拓扑构造。DC/DC 变换器10-12的主要作用包括直流电压的凹凸压变换、电气隔离和能量双向流淌等。由于变换器的电压较高、功率较大，因此承受假设干 LLC 谐振型 DC/DC 变换模块输入串联输出并联(input-series output-parallel, ISOP)组成，可实现能量双向流淌时开关器件的零电压开关(ZVS)和准零电流开关(ZCS)。直流低压侧配置接口，可直接作

13、为直流电源为直流负载供电，也可连接光伏等分布式电源或低压直流配电微网等。低压侧 DC/AC 三相逆变器为选配装置，可将低压直流电压逆变为三相沟通电压为沟通负载供电。本 PET 在交直流混合配电网中的接入效果如图 3 所示。PET 的沟通高压侧端口与10 kV 沟通母线相连接，直流高压侧端口可接入中压直流配电网，直流低压侧端口可接入低压直流配电微网或直接对负载供电，沟通低压侧端口可接入低压沟通配电网。通过该 PET 可实现中压沟通、中压直流、低压直流以及低压沟通的多级变压、网络互联以及能量的多向灵敏流淌，有用性强。2.1 系统参数本文所设计的 PET 是面对中低压交直流混合配电网应用领域的典型

14、MW 级 PET， 综合沟通系统电压、系统容量和应用需求、经济性等因素，并为了使方案具有典型性和广泛适用性，系统主要参数设计见表 1 所示。2.2 高压侧 AC/DC2.2.1 空载调制度核算高压侧 AC/DC 承受 MMC 换流器。为了避开 MMC 在正常功率范围内消灭把握器饱和，交直流侧电压的设计必需满足确定的要求，工程设计时一般将换流器的空载调制度设计在 0.80.86 之间。依据表 1 参数计算得到的空载调制度为 0.816 4， 满足功率把握的需求，且具备确定的裕量。2.2.2 桥臂电抗器设计MMC 中，桥臂电抗器连接换流器输出电压和电网电压，是实现系统功率交换的连接设备。除此之外，

15、它还有抑制桥臂故障电流上升率的、抑制相间环流、抑制换流器沟通入网谐波等作用。设计桥臂电抗器主要考虑的因素是四象限运行限制，除此之外还需要在完成系统设计后对沟通电流纹波和故障电流上升率等进展校核。依据桥臂电抗器在沟通等效阻抗中所占比例(一般取 20%)可得到桥臂电抗设计初值： 式中：Em 为阀侧相电压峰值；Larm_s 为桥臂电抗占沟通短路阻抗比；In_peak为系统额定功率对应的阀侧峰值电流。依据式(1)求得的电抗器值为 50.9 mH，将其调整为 50 mH。核算该值对应的额定有功同时 50%感性无功运行工况下换流器调制度为 0.860 3，满足运行需求。2.2.3 换流阀设计换流阀是实现交

16、直流变换的核心设备。换流阀中的主要参数有：子模块个数、模块电容参数和模块中的开关器件型号等。(1) 子模块个数设计：单个桥臂的子模块个数由子模块电压和总直流电压打算，需要结合实际 IGBT 规格考虑。另外，为了提高系统牢靠性，需要具有确定的冗余度。记 Udc 为 MMC 正负直流母线电压差，Usm 是子模块额定工作直流电压，kr 是冗余系数，子模块个数可由式(2)计算得到：结合实际 IGBT 规格并考虑本钱因素，选取 1 700 V/150 A 的 IGBT 进展设计。子模块直流电压设计为 850 V，考虑 10%的冗余时单桥臂模块个数为 26 个。(2) 换流阀电容容值的设计：子模块电容是

17、MMC 能量流淌的载体，在为换流器运行供给稳定直流电压的同时， 模块电容电压也随着电流的充放电作用而波动。另外，模块电容在直流短路故障时供给放电电流，加剧故障电流上升速度。同时，模块电容也是影响 MMC 本钱和体积等方面的重要因素之一。因此电容的设计将直接影响MMC 的性能与经济性。子模块电容设计时主要考虑因素是子模块稳态电压波动限制，为保证换流器的稳定运行，子模块电容电压波动量必需限制在确定范围内。依据子模块电容容值、子模块电压与波动率、换流器功率、调制度和功率因数等因素之间的数学关系13，可 以计算得到子模块电容容值的设计初值：式中：n 为子模块数； 为电容电压波动率，一般取 10%；Us

18、m 为子模块电容电压；Ps 指换流器视在功率；k 为电压调制度；cos 为换流器功率因数。额定运行时，换流器的视在功率计算为 1.25 MVA，功率因数计算为 0.995 3，调制度计算为 0.820 4，电压波动率取10%，计算得电容容值为 0.723 4 mF,将其调整为 1 mF，此时子模块电压波动在额定有功输出时为7.234%。2.2.4 沟通软启电阻设计沟通软启电阻可限制沟通充电初期的子模块充电电流，保证设备的安全。软启电阻的阻值和功率打算着电阻的体积、本钱和牢靠性等，阻值越大则电阻丝越细，因此大功率电阻的阻值不建议过大。软启电阻阻值可依据软启初始冲击功率和沟通电压计算得到：式中：U

19、line 是沟通线电压有效值；Pdc 是系统额定功率；klimit 是初始冲击最大功率所占额定功率的比例限值。电阻消耗的最大瞬时功率依据 5%额定有功功率计算，即 62.5 kW，推算阻值为 1.6 k，调整为 2 k。2.3 DC/DC 变换器隔离级 DC/DC 变换器由 M 个 LLC 谐振型双有源桥变换模块(Dual active bridge resonant converter，DAB)输入串联输出并联组成。单个 DAB 拓扑如图 4 所示， 其中 IGBT 模块 Q1Q4 构成 H 桥 M1，Q5Q8 构成 H 桥 M2，Lr1 和 Cr1 构成原边 LC 谐振网络，Lr2 和 C

20、r2 组成变压器副边 LC 谐振网络，承受高频隔离变压器 TR 进展电压变换和电气隔离，Lm 为变压器的励磁电感。下面以正向工作(能量从 Ui 流向 Uo)为例对 DAB 的工作原理进展说明，反向工作时的电路构造和工作过程与正向完全一样。把握方面，变压器同名端 H 桥驱动脉冲完全全都，均工作在占空比 50%的开环把握模式下。变换器正向工作稳定运行波形如图 5 所示，其中，Ugs 为 IGBT 模块 Q1Q4 的驱动波形，Us 为 IGBT 模块 Q1Q4 两端的电压波形，iD 为通过 D5D8 的电流波形。一个开关周期可分为 10 个工作过程，前半周期和后半周期的 5 个工作过程完全一样。为了

21、使分析更清楚，图 5 中将原边电流分为励磁电感电流 iLm(无功)、Lr1 与 Cr1 的串联谐振电流 i1(有功)两局部，还将输出电压等效为一个恒定电压源, 另外桥臂的死区时间也被放大。具体过程说明如下：(1)t0 时刻，Q1、Q4、Q5、Q8 同时开通，Q1 和 Q4 开通之前由于 im 的通过二级管 D1 和 D4 续流，所以 Q1 和 Q4 零电压开通，Q1 和 Q4 开通之后，通过 Lr1 和 Cr1 的谐振电流 i1 渐渐增大，通过 Lm 的励磁电流渐渐减小，直到 t1 时刻。(2)t1 时刻，谐振电流 i1 和励磁电流 iLm 相等，此时通过低压侧 D5 和 D8 的电流为零，随

22、后 Lr2 和 Cr2 参与谐振，通过 D5 和 D8 的电流依据正弦半波渐渐增大然后减小，至 t2 时刻通过 D5 和 D8 的电流为零。(3) t2 时刻，Lr2 和 Cr2 退出谐振，t2 至 t3 时刻，i1 渐渐减小到零，iLm 渐渐增大到反向最大值。(4) t3 时刻，Q1 和 Q4 关断，iLm 通过 D2 和 D3 续流，IGBT 模块 Q2 和 Q3 等效结电容上的电压逐步减小，IGBT 模块 Q1 和 Q4 等效结电容上的电压逐步增加。(5)t4 时刻，IGBT 模块 Q2 和 Q3 等效结电容上的电压为零，为 Q2 和 Q3 零电压开通做好预备，至 t5 时刻，Q2 和

23、Q3 开通。DAB 设计的核心是谐振网络的设计，为了保持变换器双向运行增益特性的全都性， 一方面，设计谐振网络的参数 Lr1=n2Lr2、Cr2=n2Cr1。，另一方面设计变压器原边 Lr1Cr1 谐振与变压器副边 Lr2Cr2 谐振具有一样的谐振频率，即 fr1=fr2： DAB 一般工作在谐振频率点四周，此时变换器具有较高的效率，传输能量的电流波形也近似正弦，可用基波重量法进展分析和设计14，即假设只有开关频率的基波重量才能传输能量，从而将变换器等效为一个线性网络来分析。等效电路如图 6 所示，Req 为额定负载等效电阻15：由图 6 可得到谐振网络的增益为式中：Q 为品质因数； 为电感比

24、；kf 为开关频率与谐振频率之比： kf=fs/fr当 kf=1 时，电路的工作频率为 Lr1Cr1 和 Lr2Cr2 的谐振频率，变换器的增益为1/n。假定 n=1，图 7 给出了固定 Q=1 时增益 M 与 、kf 的变化关系，图 8 给出了固定 =0.1 时增益 M 与 Q、kf 的变化关系。从图 7 可以看出， 越小，在谐振点四周增益就越平滑。为了使变换器增益在谐振点四周的频率敏感度降低，应将 设计的越小越好。较小的谐振电感有利于磁集成技术的应用，还可提高功率密度，但是考虑到谐振电感可通过变压器漏感实现，而过小的漏感不利于高频变压器的设计， 因此 的设计也不宜过小。从图 8 可以看出，

25、Q 在 0.25 四周时变换器在谐振频率四周的增益最平滑。结合上述分析，DC/DC 变换器的主要参数设计如下：(1) 为了削减高频变压器的数量，DAB 中 IGBT 选用 3 300 V 规格器件，每个功率单元额定电压设计为 2 000 V，变换器的级数M 为 20 kV/2 000 V=10 个；(2) 高压侧分压电容与 MMC 相单元并联，依据前一节 MMC 电容一样的设计方法进展设计，容值为 0.5 mF；低压侧电容主要考虑电压纹波的要求，在一个高频开关周期中流过额定电流导致电容电压的波动小于 2%，计算并经过调整后得到低压侧电容为 2.6 mF。(3) 高频隔离变压器的工作频率设计为

26、5 kHz，变比 n=2 000 V700 V=2.861； (4)取 kf =1，Q=0.25，=0.05，依据式(5)(10)，计算得到 Cr1=5 uF，Lr1=203 uH，Lm=4.06 mH，Cr2=40.8 uF，Lr2=24.87 uH。2.4 低压侧 DC/AC低压侧逆变器为选配装置，其作用是将低压直流电压逆变为三相沟通电压以供负载使用，可以依据用户的实际需求灵敏设计。由于该电压等级和容量的逆变器是电力市场中的成熟产品，且不属于本文争论重点，因此不给出具体的设计方法和结果。3.1 工作模式设计本 PET 供给沟通高压侧接口、沟通低压侧接口、直流高压侧接口和直流低压侧接口，可分

27、别接入中低压沟通、中低压直流系统中。结合具体应用场景，设计 PET 主要工作模式如下：(1) 直流稳压模式：MMC 工作在直流电压把握模式，负责稳定直流高压侧电压， 进而协作 DC/DC 为中低压直流负载或中低压直流配电网供电。该模式下，需要确保所接入的中低压直流配电网中，本 PET 是唯一的直流电源供给者。(2) 功率调度模式：直流高压侧接入中压直流配网直接稳定直流电压，或直流低压侧接入低压直流配网通过 DC/DC 反向工作稳定直流电压；MMC 工作在功率把握模式，准确把握交直流系统间的功率流淌。(3) 沟通稳压模式：当 PET 高压侧的沟通系统处于孤岛状态时，可通过 PET 对孤岛网络进展

28、供电。此时，直流高压侧可接入中压直流配网直接稳定直流电压，或直流低压侧接入低压直流配网通过 DC/DC 反向工作稳定直流电压；MMC 工作在沟通电压把握模式，为孤岛网络供给稳定的沟通电压。3.2 MMC 把握依据上述三种 PET 工作模式，MMC 换流器需实现直流电压把握、沟通电压把握和有功功率把握三种功能。另外，在把握直流电压或有功功率的同时换流器还可以依据沟通电网的状况协作输出确定的无功功率。MMC 整体把握构造如图 9 所示。MMC 的把握系统承受基于 dq 同步旋转坐标系的双环把握构造进展设计。把握外环包括直流电压、有功功率和沟通电压相关的把握器，内环为阀侧电流内环，该把握构造具有快速

29、的响应力气和内在的限流力气。MMC 把握器首先依据 PET 的运行模式指定具体的外环把握器和把握参考值，然后经过有功类和无功类外环把握器的计算，得到电流内环 dq 重量的参考值，最终经过调制后，实现对各个外环把握目标的闭环把握。另外，MMC 运行期间各相单元电压不完全全都会在 MMC 内部引起相间桥臂环流。为了削减环流产生的额外损耗，需设计环流抑制把握器16。调制方面，MMC 常用的调制方法有最近电平调制法(NLM)和载波移相法，考虑到本方案桥臂子模块个数大于 20，可选用更适用多子模块数的最近电平调制法，并协作开关频率优化的子模块均压把握，可在降低开关频率的同时保证子模块电压的均衡。3.3

30、DC/DC 变换器把握依据 PET 运行模式设计状况，DC/DC 变换器在不同的运行模式下所担当的具体功能是相像的：经过高直流电压和低直流电压的固定变比的变换，进而实现为低压直流配电网供电(在直流稳压模式下)或为高压直流侧供电(在功率调度模式或沟通稳压模式下)。因此，变换器承受具有高稳定性的定频、定占空比 50%的开环把握方式即可实现把握目标，驱动脉冲的频率为谐振频率 5 kHz。在谐振频率四周变换器等效内阻很小，因此输出电压的误差也格外小。本案承受的 ISOP 的连接方式可以实现凹凸两侧电容电压的自动均衡，不需要额外的均压把握。3.4 低压侧逆变器把握不管 PET 工作在何种模式下，低压侧逆

31、变器均可工作于沟通电压把握模式直接为沟通负载供电，或工作在有功功率把握模式下准确把握低压沟通配电网与直流配电网间的潮流，具体把握细节不再赘述。为了验证本文所提设计方案的正确性和有效性，在 Matlab/Simulink 仿真平台上搭建了 10 kV/1.25 MW 的 PET 模型，系统各部件参数与把握策略如前文设计所述。图 10 给出了 PET 工作在直流稳压模式下的仿真运行状况，PET 直流低压侧在 0.5 s 时刻开头逐步投入负载，至 0.7 s 时刻到达额定。负载投入时由于直接对直流低压侧电容放电而导致 PET 直流电压有小幅的下落，但在 MMC 换流器和 DC/DC 变换器的把握下快

32、速回到额定值。图 11 给出了 PET 工作在功率调度模式模式下的仿真运行状况，其中，PET 直流低压侧接入低压直流配电微网，通过 DC/DC 稳定 PET 直流电压。MMC 工作在功率把握模式下，在 0.5 s 时刻功率参考值由 0 阶跃至正向额定，在 1 s 时刻又阶跃至反向额定，功率响应动态性能好，稳态精度高。图 12 是 PET 在沟通稳压模式下的仿真状况。中压沟通系统处于孤岛状态，0.20.5 s 时刻间 MMC 在沟通电压把握模式下逐步建立沟通电压，随后在 0.5 s 时刻孤岛网络投入了额定负载，实现了由直流配电网向沟通系统的反向供电。由仿真结果可以看出，PET 在直流稳压模式、功

33、率调度模式和沟通稳压模式下均能较好的实现设计目标，可实现沟通电网和直流电网间的变压和功率调度等功能，设计方案具有可行性。对于 AC/DC-DC/DC-DC/AC 型主构造的 PET，高压侧 AC/DC 变换器承受 MMC 拓扑时，具备功率把握灵敏、无功功率补偿和输出谐波小等优势，其直流侧还可直接输出直流电压，能实现沟通电压高压、直流电压高压、直流电压低压和沟通电压低压之间的变换和网络互联，格外适合应用于将来交直流混合智能配电网的建设。本文针对中低压交直流混合配电网领域，设计了 PET 的拓扑构造，并给出了 PET 接入交直流混合配电网的示范应用场景。进一步的，选取了典型系统参数具体设计了 PE

34、T 各个组成局部。本文依据 MMC 的把握力气和 PET 的应用场景，设计了PET 的运行模式和各局部的具体把握策略。仿真结果说明，本设计方案具备正确性和可行性，可实现交直流电网间的变换、互联和供电，功能强大，可满足交直流混合配电网用变压器的使用需求，具备工程设计指导价值。【相关文献】1 徐政，陈海荣电压源换流器型直流输电技术综述J高电压技术，2023，33(1)：1-102 张文亮，汤广福，查鲲鹏，等先进电力电子技术在智能电网中的应用 J中国电机工程学报， 2023，30(4)：1-73 KANG Moonshilk，ENJETI Prasad N，PITEL Ira JAnalysis a

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