计算技术与自动化
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电力电子技术在变压器中的应用

  摘 要:近几十年来,随着科学技术的不断进步,电力电子技术已快速成为一门独立的完善的学科。它作为集电路技术、功率半导体器件、现代控制技术、计算机技术于一身的技术平台,已慢慢渗入国民经济发展的各个领域。本文就主要探讨电子电力技术在变压器中的应用,从实例中反映电子电力技术广泛的应用前景。


  关键词:电力电子技术;变压器;应用


  新世纪电力电子技术不断提升,尤其是微电子技术的革新,使得电力电子技术的世界日新月异,带动许多关键技术引领尖端科学技术的潮流。电力电子技术发展迅猛,应用能力广泛,与其他学科的交叉应用性强,是目前颇具焦点性的一个专业领域。


  通过半导体器件、计算机科技、电路科技、控制智能科技等等平台构成电力电子技术,通过将近五十年时间的发展,其已经不断融入生活、工作的方方面面,在新世纪中伴随电力电子技术新的理论、实践应用发展,成为了关键性的技术。目前,电力电子技术相关的研究,在国际上仍处于较为初级的阶段,虽然为我们带来了巨大的便利,但其仍有许许多多方面的理论和实际应用有待人们的开发与研究,相信在不久的将来,电力电子技术将成为我们生活中不可或缺的一部分。


  本文基于电力电子技术在变压器中的应用,通过其相关的理论与原理的阐述,设计电力电子变压器的仿真,致力于提升电力质量,实现电力电子变压器的优越性。


  1 相关定义与原理


  1.1 电力电子变压器定义


  电力电子变压器,又叫做固态、柔性变压器,通过对目前在用的电力电子变压器进行结构研究,可以阐述为电力电子变压器是一种将带有电力特性的能量向另一种带有电力特性的能量进行转变的设备,而上述的两种能量具有不同的频率、相位等等特征。


  1.2 电力电子变压器原理


  电力电子变压器通过两种不同的功率变换器实现变频,属于交-交式的转化。它的工作原理主要是将一种电压,经过一定的转换器,变换为另一种交流的电压,利用高频电压进行耦合,经变换器转换为所需电压。其可以利用增强变压器的功率实现体积的缩小。运用目前的电力电子技术以及合理的工作技术,实现高频交流电的"制造",再利用电压器进行电压的交互,实现工频交流电的"制造",减少、减轻变压器的体积,如此往返,即为电力电子变压器的工作原理。


  当前,因在用的基本所有电力系统相关器件,耐压性与输电系统方面都比较薄弱,因此电力电子变压器需要在配电领域进行一定的技术开发,相较于常规的电力变压器,配电系统的变压器其电源两侧的绕组将固定为一次侧,与高频电压器的绕组将固定为二次侧,它们之间由高频变压器作为载体进行联结,详见图1。


  图1 配电用电力电子变压器基本原理


  2 电力电子变压器电路类型分析


  2.1 斩控式电力电子变压器


  1995年,美国电科院首先研制出了电力电子变压器的斩控式样机,它选取了BUCK结构的电路,其简单实用,易于调节变压,但缺点是控制性不强,并不含有变频的功能,还不能进行电气隔离,以及无法对输入的电流与功率进行相关的抑制作用,所以,该斩控式电力电子变压器无法在输配电工作中发挥交大的作用。


  2.2 交-交-交变换电力电子变压器


  M·Kang(美国德州大学)在1999年,研制出一种新型交-交-交变换电力电子变压器,其由初、次两级功率进行交互变频变压器组成,通过两种功率的转换,连接功率器件,实现双向流动电能的作用。其优势为传送容量增加,体积相对小,缺点为相关器件繁复,结构复杂。


  2.3 反激式电力电子变压器


  反激式电力电子变压器结构简洁,装置器件较少,避免了较多的中介环节,因此比前面两种变压器结构有更大的进步。其优势为相关器件少,电感与电容组成电路,简化了电能质量不足的缺陷。但其开关反应能力偏大,很难在高电压环境下使用,还容易因漏感产生交稿的尖峰电压,对电压应力造成较大的压力,因此电磁相关的干扰颇为明显。


  3 电力电子变技术在变压器中的仿真应用


  3.1 电力电子变压器在改善电能质量中的应用


  电能质量在国际上的基本既定为:运用电力相关设施设备无法进入工作,以及使得其出现问题的电流、电压或者频率等等误差,其基本内容以电压波动与闪变、频率偏移及短时供电中断等等内容为主,其次还有电压的偏差、电流波形的畸变以及三相电压不平衡等等问题,本文主要以前面两种为主要仿真目标进行研究。说明其常规变化与故障隔离等等作用,对电能质量进行一定的改善。


  3.1.1 电压波动与闪变


  在电压波动与闪变的问题中,由于电力系统的母线出现非整数倍的影响,假设PET一次侧的母线频率是10Hz,幅值为10%左右的和谐波,使得母线电压有异常的波动,具体的仿真结果图如图2所表示。


  (1)PET输入相电压 (2)PET输出相电压


  图2母线电压波动时的仿真结果


  从图2可见,由于实验中有一定的间谐波影响,使得PET一次侧的母线电压有较大明显的波幅,而另外的二次侧电压未受到一定的影响,还是可以对负荷提供有效的供电,对母线电压闪变有交大的影响。


  3.1.2 电压跌落及供电中断


  本文所实验的仿真条件为0.2s(10周波)的持续时间,额定值为40%的跌幅,时间为0.3s-0.5s左右的跌落时间,电网电压跌落供电中断的特定问题。按照美国电力研究协会的报告指出,电压跌落幅值一般小于40%,具体的实验仿真图详见图3,在电网电压出现跌落的间隙,PET的相关数值仍然保持较为未定的状态,也就是其输出电压并未受到影响,保证一定的输出。


  (1)PET输入相电压 (2)PET输出相电压


  图3 电网电压跌落时仿真结果


  根据上述的仿真实验图可得,电力电子不进可以操作电压器的转换与系统的隔离等等功能,还能对电能质量起到良好的控制作用。如图3(1)中显示,电网电压即使出现一定的闪变、不对称或者跌落,二次侧的输出电压仍然保持相对稳定的状态,进行可靠的供电功能。


  3.2 电力电子变压器进行微电网孤岛应用研究


  从上述的研究可得,如电压短时供电不足,或者出现一定的跌落,电力电子变压器的输出仍然处于稳定的状态,对于点电能的质量也能给予满足。通过对电能质量的影响研究,发现频率偏差,将大幅度的影响电能的质量,尤其是电网中出现可再生能源的时候。


  近年来,我国对于可再生能源的重视可见一斑,不断的有新的可再生能源进入电网中,另外微电网、发电等科研技术广泛的得到发展,其在电网出现故障以及电能的质量无法达到用电需求的期间,能够运用孤岛方案,持续不间断的功能,对供电的安全性和可靠性提供了很大的保证,基本微电网结构图见图4。


  图4 微电网的基本结构 www.17net.net


  由于微电网的容量不大,功率波动性大,使得其频率的控制偏繁复,尤其是主网和微电网分开以后,其功率的波动性就很大,稳定性不强,对于频率要求高、敏感性强的功能负荷带来比较严重的影响。


  通过对可再生能源的研究,主要的一种能源即为风能,通过风能发电,在可再生能源的比例占据越来越高的比重。其中,风力发电机有风能和风机相关理论、异步发电机的参数以及电路设计等等问题,风力发电主要包含了双馈感应发电机、 普通异步发电机以及多极同步电机等等。


  作为一种新型的、智能型的变压器,电力电子变压器运用相关器件以及高频交流变压器进行交互,充分展示了不同于传统型的电力变压器的工作效用和功能,最大限度的保持了下述三种优势:(1)给予较为稳定、安全的二次侧输出电压,不受负荷的影响,输出电压可控性强,稳定性强;(2)如一次侧电压有一定的故障、电压跌落、闪动、暂停等问题,也不会受太大的影响,恒定性强,保障性强;(3)不断吸收、发出武功,使得无功率处于电网中有较小的线损,降低成本。


  时代不断进步,社会不断发展,不同的、新型的变压器层出不穷,要使得电能质量有一定的保障、电的负荷得到保障,尤其的配电系统的质量保障,是目前变压器相关研究中最为重要的问题。电力电子变压器在上述问题中均能得到较好的体现,解决了许多以前存在的问题,通过无功补偿、APF等等功能进行电能质量的调节。相信不久的将来,电力电子变压器将更加良好的运用于配电系统中,这将在很大程度上帮助调节电能质量,降低相关费用,取得良好的收益。


  参考文献


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  [4] Robert H. Bishop著,乔瑞萍,林欣等译。Lab VIEW 7实用教程[M].北京:电子工业出版社,2005.


  作者简介:黄仲安(1982.05),男,广西南宁人,广西电力职业技术学院,本科,研究方向:电气自动化技术。


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