電子式電力干式變壓器原理及仿真研究

電子式電力變壓器EPT(Electronic Power Trans former)，又稱電力電子干式變壓器PET(P0wer Electronic transformer)或固態(tài)變壓器(s01id state transformer)，是基于大功率電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓變換、能量傳輸和隔離的新型電力干式變壓器，是近年來電力變換與傳輸領(lǐng)域的重要研究成果之一。本文討論了EPT的基本理論和實(shí)現(xiàn)方案，并對作者在文獻(xiàn)[3]中提出的一種新的EPT實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該電子式電力干式變壓器能夠保證原、次級良好的電壓和電流波形，具有良好的控制特性。

1 EPT基本原理

EPT原理框圖如圖1所示，其基本原理如下：輸入電壓信號在高頻干式變壓器一次側(cè)進(jìn)行交流-交流或交流-DC-交流轉(zhuǎn)換。將獲得的高頻信號通過高頻干式變壓器耦合到二次側(cè)后，進(jìn)行交流交流或交直流交流轉(zhuǎn)換，獲得工頻電能。

圖1 ept的基本原理框圖

圖1膨脹節(jié)的框圖

如上所述，EPT的具體實(shí)現(xiàn)方案可以分為兩種形式：一種是轉(zhuǎn)換過程中沒有DC環(huán)節(jié)，即直接交-交轉(zhuǎn)換，如圖2(a)所示；另一個(gè)是在轉(zhuǎn)換過程中有一個(gè)DC環(huán)節(jié)，如圖2(b)所示。DC環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方式具有良好的控制特性。干式變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓、電流和功率的靈活控制可以通過脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，有望成為未來的發(fā)展方向。

圖2兩個(gè)典型的E肌原理框圖

圖2膨脹節(jié)的兩個(gè)典型原理

2新的EPT結(jié)構(gòu)

在參考文獻(xiàn)[3]中，作者提出了一種新的E]P1r實(shí)現(xiàn)方案，其單相拓?fù)淙鐖D3所示。本文對該拓?fù)溥M(jìn)行了進(jìn)一步的仿真。

3模擬研究

本文模擬了圖3所示單相結(jié)構(gòu)的電磁脈沖。為了不喪失通用性，在高頻干式變壓器的仿真中串聯(lián)使用了兩個(gè)輸入模塊。在仿真研究中，EPT一次輸入電壓有效值為6 000 V，二次輸出電壓有效值為800 V.仿真參數(shù)如下：整流器電感為15 mH，整流后DC電容為5000 uf；輸出濾波器電感為4 mH，電容為4 500uF。

3.1穩(wěn)態(tài)特性模擬

圖4顯示了正穩(wěn)態(tài)特性。輸入單相工頻電壓時(shí)，輸入電流、輸出電壓和電流波形均為正弦波。根據(jù)FFT分析，單相輸入電流的較大THD約為3.44%。其中三次諧波含量為2.93%，在三相系統(tǒng)中可以大大降低。單相輸出電壓THD約為0.55%。PWM整流控制后，輸入電壓和電流基本同相，輸入功率因數(shù)接近1。

圖3新EPT的單相拓?fù)?

圖3一種新的膨體聚四氟乙烯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4穩(wěn)態(tài)特性的模擬結(jié)果

圖4穩(wěn)態(tài)特性模擬的結(jié)果

3.2動(dòng)態(tài)特性模擬

為了驗(yàn)證e門的動(dòng)態(tài)特性，本文模擬了以下幾種情況：(1)輸入電壓波動(dòng)10%；輸入電壓包含基波幅度為20%的5次和7次諧波。2倍脈沖的輸入電壓

撞擊：負(fù)載的開關(guān)沖擊。 #p#分頁標(biāo)題#e#

3.2.1輸入電壓波動(dòng)10%

輸入電壓如圖5(a)所示。當(dāng)時(shí)間為1秒時(shí)，電壓峰值比額定值增加10%，持續(xù)2個(gè)周期。在1.06秒時(shí)，電壓峰值比額定值低10%，持續(xù)2個(gè)周期。分析輸出電壓的波動(dòng)(如圖5(b)所示)約為1.9%。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)輸入電壓波動(dòng)10%時(shí)，輸出電壓的幅度基本保持不變。

3.2.2如圖6(a)所示，輸入電壓包含基波幅度為20%的5次和7次諧波，輸入電壓包含基波幅度為20%的5次和7次諧波。根據(jù)FFT分析，單相輸出電壓的THD(如圖6(b))約為0。較多56%。仿真表明，當(dāng)輸入電壓包含20%的第5和第7 ha時(shí)

輸入電壓如圖7(a)所示，雙電壓脈沖在時(shí)間l s開始，持續(xù)3個(gè)周期，然后恢復(fù)正常。當(dāng)輸入電壓波動(dòng)100%時(shí)，即電壓受到兩次沖擊時(shí)，輸出電壓(如圖7(b)所示)較多波動(dòng)11.5%左右。模擬輸入電壓20%的波動(dòng)，此時(shí)輸出電壓的波動(dòng)較多在3%左右。

圖5輸入電壓波動(dòng)10%時(shí)的仿真結(jié)果

圖5輸入電壓波動(dòng)10%時(shí)的模擬結(jié)果

圖6輸入電壓包含基波幅度的5%至20%。七次諧波下的仿真結(jié)果

圖6輸入電壓中20%五次和七次諧波的模擬結(jié)果

圖7輸入電壓為2倍電壓脈沖的仿真結(jié)果

圖7對輸入電壓有兩次影響的模擬結(jié)果

上述模擬表明，當(dāng)輸入電壓

3.2.4負(fù)載投切

功率因數(shù)為0.5的負(fù)載投切到功率因數(shù)為0.85的負(fù)載過程中，輸入電流波形如圖8(a)所示，輸出電壓波形如圖8(b)所示(投切時(shí)刻為l s)。

圖8負(fù)載投切過程中的仿真結(jié)果

Fig.8 Results of Ioad switching process simulation

分析可得，負(fù)載投切后，輸出電壓一個(gè)周期后就恢復(fù)正常。仿真說明，不同功率因數(shù)的負(fù)載投切后，輸出電壓幅值基本不變。

4結(jié)論

本文闡述了EPT的基本原理及其實(shí)現(xiàn)方案。并對一種新的EPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的EPT可以保證原副方良好的電壓、電流波形，并具備良好的控制特性。EPT的動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果表明.EPT具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的功能，可以作為～種新型的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置。

參考文獻(xiàn)(5條)

1.趙劍鋒輸出電壓恒定的電力電子干式變壓器仿真[期刊論文]-電力系統(tǒng)自動(dòng)化 2003(18)

2.毛承雄;范澍;黃貽煜電力電子干式變壓器的理論及其應(yīng)用(Ⅱ)[期刊論文]-高電壓技術(shù) 2003(12)

3.毛承雄;范澍;王丹電力電子干式變壓器的理論及其應(yīng)用(Ⅰ)[期刊論文]-高電壓技術(shù) 2003(10)

4.Ronan E R;SUDHOFF S D;GLOVER S F A power electronic-based distribution transformer[外文刊]2002(02)

5.Kang M;ENJETI P N;PITEL I J Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system[外文期刊] 1999(06)

引證文獻(xiàn)(3條)

1.于慎航.孫瑩.牛曉娜.趙傳輝基于分布式可再生能源發(fā)電的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[期刊論文]-電力自動(dòng)化設(shè)備2010(5)#p#分頁標(biāo)題#e#

2.鄭新才.劉成偉.秦三營.楊素梅電網(wǎng)綜合反事故演練仿真系統(tǒng)[期刊論文]-電力自動(dòng)化設(shè)備 2009(5)

3.黃振寧.高厚磊基于EMTDC的阻抗匹配平衡干式變壓器仿真[期刊論文]-電力自動(dòng)化設(shè)備 2008(8)