电子电力变压器

目录1绪论.............................................................................................................................11.1电子电力变压器研究的背景和意义...............................................................11.2电子电力变压器的特点...................................................................................21.3电子电力变压器的应用及其前景...................................................................31.4本文的主要工作...............................................................................................42电子电力变压器原理及实现方案.............................................................................52.1电子电力变压器的工作原理与实现方案.......................................................52.1.1直接AC/AC变换的EPT......................................................................52.1.2电子电力变压器的输入环节.................................................................82.2电子电力变压器主回路设计...........................................................................92.2.1电子电力变压器的输入环节.................................................................92.2.2电子电力变压器的中间隔离级...........................................................132.2.2电子电力变压器的输出级...................................................................142.3本章小结.........................................................................................................163电子电力变压器相关问题研究..................................................................................................174结论............................................................................................错误!未定义书签。参考文献......................................................................................................................20致谢................................................................................................错误!未定义书签。11绪论1.1电子电力变压器研究的背景和意义我国电网经过几十年的建设已经颇具规模，但总体而言结构还是较为薄弱[1]，加上装机容量不足，负荷高峰时段电力系统往往处于零备用运行，电网安全受到极大威胁。由于部分电网500千伏网架薄弱，为保证电网可靠性，被迫采用500千伏与220千伏电磁环网运行，使输电断面的稳定水平降低。与之相对的是，用户对电能质量以及供电可靠性提出了更高的要求，尤其是近几年，信息技术飞速发展，信息社会对供电质量提出了新的挑战。如何在现有电网结构的基础上尽量避免故障，保证供给用户可靠和合乎标准的电能，确保用户电气设备的安全经济运行已成为急需解决的课题。同时由于我国常规能源资源的有限性和环保的巨大压力，能源建设必须走节电和开发利用可再生能源之路。一些新能源和可再生能源技术迅速地实现了商业化，主要有五种：小水电、光伏发电、风电、生物质能、地热发电。特别是风力发电和光伏电池，以令人惊叹速度蓬勃发展。为了让可再生能源的市场以更快的速度增长，必须使其可靠性和成本达到传统供电系统的水平。为了提高能源的安全性和使用效率，分布式发电系统、电能质量控制的研究和开发也得到了人们普遍的关注。在几乎所有的可再生能源发电系统中，都涉及到一系列的大功率、高效、高质量的能量转换和控制，因为可再生能源既可产生直流电，也可产生频率变化的交流电，它们必须通过功率变流器，产生与电网频率、相位、电压幅度一致的能量，才可以直接供给用户或并入电网。电力变压器自19世纪被发明以来[2]，已经成为输配电系统的基本组成设备，数量巨大。目前，传统的电力变压器通常采用铁芯油浸式，具有制作工艺简单、可靠性高等特点。配电变压器通常采用铁芯油浸式或者干式，这两种变压器的突出优点是可靠性和效率都很高，同时油浸式的还具有价格低廉的特点。但是这种变压器也存在如下的缺点[3]：(1)体积、重量大，变压器绝缘油会带来环境问题，不易维护；(2)由于铁磁元件的非线性特性，当变压器铁芯出现磁饱和时，会造成系统中电压电流的波形畸变，产生谐波污染；(3)不能维持变压器副方电压恒定，随着负载的增大，变压器副方电压随之2下降；(4)由于变压器副方电压波形和原方电压波形的紧密耦合以及原方电流决定于负载电流，因此会在电网侧和负荷侧都带来电能质量方面的问题；(5)负荷侧发生故障时，不能隔离故障，从而导致故障扩大；(6)需要配套的继电保护装置；(7)控制功能有限，不具备对电压、电流的连续调节和综合控制功能。在这一背景下，国内外研究人员近年来都在积极探索研究新型的电力变压器。而随着大功率电力电子元器件及其控制技术的发展，一种通过电力电子变换实现电力系统中的电压变换和能量传递的新型变压器――电子电力变压器（ElectronicPowerTransformer，EPT）得到了越来越多的关注。电子电力变压器是一种含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合的变电装置，它通过电力电子变换技术和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递。电子电力变压器的突出特点在于通过电压源变换器对其交流侧电压幅值和相位的实时控制，实现变压器副方电压、原方电流以及功率的灵活调节。因此，可以满足未来电力系统很多新的要求，包括：更高的稳定性，实现更加灵活的输电方式，整合各种交直流分布式电源，以及实现电力市场下对功率潮流的实时控制。作为输配电系统最基本的组成设备，这种新型变压器具备解决电力系统中面临的许多新课题的潜力，有广阔的应用前景。1.2电子电力变压器的特点EPT的设计思路来自于一种具有高频连接的AC/AC变换电路[4]，其基本工作原理是通过电力电子变换将变压器原方的工频交流输入电压变换为高频信号，经高频变压器耦合到副方后，再经电力电子变换还原为工频交流输出，其基本工作原理框图如图1.1所示。图1.1EPT的基本工作原理图3与常规的铁芯式变压器相比，电子电力变压器具有如下优点：(1)体积小，重量轻，无环境污染；(2)运行时可保持副方输出电压幅值恒定，不随负载变化；(3)始终保证原、副方电压电流为正弦波形，并且原、副方功率因数任意可调;(4)具有高度可控性，变压器原副方电压、电流的幅值和相位均可控；将电子电力变压器应用到电力系统后，将会给电力系统带来许多新的特点，有助于解决电力系统中所面临的许多新课题，主要表现在如下几个方面：第一，EPT作为一种高度可控的新型输电设备，其原副方电压的幅值和相位均可控，且可关断故障大电流，这一特点应用到电力系统后，将有望大幅度提高系统的稳定性。第二，EPT交直流环节兼有，所以可灵活地将各种分布式电源接入电力系统。第三，EPT具有高度的可控性，广泛应用后，将能够在保证系统稳定性的条件下实现对潮流的实时灵活控制。第四，与EPT相联的同步发电机可实现异步化运行。当系统发生故障时，发电机可实现短时异步化运行而不会与系统解列，提高系统的安全稳定性和供电可靠性。第五，当前电网中如谐波、电压跌落，闪变等电能质量问题日趋严重，将EPT用于配电系统后，将能够起到电能质量调节器的作用。1.3电子电力变压器的应用及其前景电子电力变压器能够应用于电力系统的多个领域。将EPT应用于输电系统中取代发电机——变压器组中的传统变压器后，利用其原副方电压的幅值和相位均控，可关断故障大电流的特点能够提高系统稳定性；当将其应用于配电系统中时，EPT既具有变压器的一般的功能，如电能传输、隔离变换等，又具有抑制谐波向流动、防止负载侧出现故障影响电源电压、消除电压跌落与升高以及过电压、欠压等电源侧电压的干扰对负荷的影响，对各种电量进行监测、显示、分析处理来判各种异常情况,以对其自身和系统进行保护并给4出报警信号和故障类型等特点，因而可以通过EPT向那些对电能质量敏感负荷供电，如造纸厂、纺织厂、挤塑机、生精密机械的汽车零件制造、大型泵体锻造企业以及半导体制造业、银行、电信、军事、医疗、化工等领域，进而产生巨大的社会和经济效益。此外，由于EPT还具体积小、重量轻、空载损耗小等优点，它还可以应用在对设备的体积、重量有特殊求的场合，如航海、航空、航天等领域。自上世纪末以来，随着社会经济的高速发展，世界各国对电能的需求进一步加强，对电网安全和线路承载能力的压力也随之加大，在这一背景之下，灵活交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystem，FACTS）技术应运而生。其主要内涵为利用大功率电力电子元件替代传统阻抗控制元件，功角控制元件和电压控制元件上的机式控制开关，从而使电力系统中影响潮流分布的三个重要参数电压，阻抗及功率角以按照系统的需要迅速调整，在不改变网络结构的基础上，使电网的功率输送能力及潮流和电压的可控性大为提高[5]。该理论的一些重要应用如可控串补，综合潮控制器等器件在电力系统中正发挥着重要的作用。因此，有理由相信电子电力变压器将成为FACTS设备家族中的新成员，其理论研究成果也将会FACTS理论的丰富和发展做出贡献。1.4本文的主要工作本文的主要目的是在综合了解国内外电子电力变压器研究的基础上，对电力电子变压器进行初步的研究和分析。本文的主要内容为：1.提出电子电力变压器的工作原理与实现方案；2.研究电子电力变压器的输入环节；3.研究电子电力变压器的隔离环节；4.电子电力变压器的输出环节；5.提出有待进一步研究的方向。52电子电力变压器原理及实现方案2.1电子电力变压器的工作原理与实现方案电子电力变压器（ElectronicPowerTransformer，EPT）是一种通过电力电子变换实现电力系统中的电压变换和能量传递的新型变压器。其基本原理为在原方将工频信号通过电力电子电路转化为高频信号，即升频，然后通过中间高频隔离变压器耦合到副方，再还原成工频信号，即降频。通过采用适当的控制方案来控制电力电子装置的工作，从而将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能。由于中间隔离