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西安交通大学科研人员提出混合式配电变压器的新型配置方案

相比传统配电变压器,混合式配电变压器(HDT)集成了脉冲宽度调制变换器,能够对部分传输功率进行调控。因而不仅具有传统配电变压器电压等级变换和电能传输的基本功能,而且能够实时动态控制其负载电压及电网电流,这对于实现主动配电网具有重要应用价值。


电力设备与电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学电气工程学院)、陕西省智能电网重点实验室的研究人员柳轶彬、梁得亮、王宇珩、高亚晨、张立石,在2021年第7期《电工技术学报》上撰文,提出一种改进型混合式配电变压器配置方案及其三相电路拓扑,其优势在于变换器拓扑简单,各环节电压等级的确定灵活方便。

混合式配电变压器(Hybrid Distribution Transformer,HDT)是对传统配电变压器进行改进设计,并将脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)变换器接入其中的一类新型配电变压器。借助PWM变换器灵活的控制功能可以使配电变压器不再仅限于电压等级变换与电能传输。具体而言,通过PWM变换器对配电变压器的部分传输功率进行调控,HDT能够对电网电流及负载电压进行实时控制,这对于构建未来主动配电网具有重要意义。

由于PWM变换器及变压器的电路拓扑和连接方式种类有很多,因而HDT的种类也很丰富。有学者采用AC-AC变换器提出无直流环节HDT,并对其基本原理、建模分析和功能验证进行了详细说明。此类HDT的主要优点在于无需使用直流母线电容,系统结构简单,成本低,经济性好。

但此类HDT没有电流补偿能力,其功能主要在于电压幅调节,而对于电压相位控制则明显不足。此外,相比具备直流环节的电压源型变换器,AC-AC变换器难以通过续流二极管进行自然换流,因而往往还需要附加一些比较复杂的辅助设备实现可靠换流,这会使HDT系统整体更为复杂,成本更高,进而使得此类HDT大规模推广应用比较困难。

为此,业内有学者给出了多种基于AC-DC-AC变换器的HDT的配置方案,并初步实现了相应的控制功能。但总体来讲,目前的方案存在以下缺陷

(1)HDT的配置方案往往不含隔离变压器,这导致三相场合的HDT中用于负载电压补偿的变换器往往需要采用三个单相全桥变换器,这显然会大大增加HDT变换器的复杂程度,并导致控制复杂,系统可靠性降低。此外,因为没有隔离变压器,HDT的AC-DC-AC变换器公共直流母线的额定电压完全由所在配电网场景的补偿深度决定,此时变换器功率器件的选型范围往往很窄。

具体来讲,如果电压控制变换器位于配电网高压侧,必然导致变换器直流母线额定电压很高。而如果电压控制变换器位于配电网低压侧,直流母线额定电压很低,从而使得电流控制变换器的电流很大。这导致一大部分技术成熟、性价比很高的功率器件因电压或电流等级不符合现场要求而无法被采用,此时不仅器件选型困难,而且HDT系统整体的经济性及可靠性均很低。

(2)将用于控制负载电压的变换器单元配置在配电网低压侧不利于充分发挥HDT的控制功能。由于配电网的电压波动主要发生在高压侧,进而导致二次侧负载电压发生波动,若将变换器单元整体布置于配电网低压侧,只能抑制配电网电压负载侧的电压波动,而无法抑制HDT一次绕组及控制绕组电压的波动。

此时,在设计HDT的变压器本体时,必须增大铁心面积以避免电网电压变高而导致的铁心饱和。而且当电网电压突变时,控制绕组也会发生电压突变,这必然会影响HDT对电网电流的补偿效果。

(3)能应用于实际配电网场景的三相HDT电路拓扑研究较少,十分不利于HDT的产业化推广。

(4)对于HDT的原理分析及控制系统设计,缺乏比较直观准确的动态模型,这导致目前关于HDT工作原理的分析大多局限于定性说明,给HDT控制系统的设计带来不便。

西安交通大学研究人员基于在传统配电变压器中增设第三控制绕组的报道,设置隔离变压器于配电网高压侧,将其高压侧与三绕组配电变压器高压侧串联,然后通过控制绕组及隔离变压器低压绕组将电容中点引出式背靠背半桥PWM变换器接入配电变压器,从而给出一种新型HDT实用配置方案。

图1 HDT的配置方案

基于这一配置方案,他们提出了一种实用的三相HDT拓扑,该拓扑在高压侧采用三角形联结,而其余绕组均采用中性线引出的星形连接。根据HDT的单相等效电路,建立HDT的微分方程,并导出系统的传递函数框图,基于框图模型,指出HDT能够控制电网电流及负载电压的根本原因,进而采用PI控制器设计HDT的内环控制系统。在电网电压波动及负载畸变工况下进行仿真及样机实验,验证了所提出的HDT电路拓扑及所设计的内环控制系统的正确性。

图2 HDT的三相电路拓扑
图3 HDT实验样机

研究人员最后得到以下结论:

1)将隔离变压器布置于配电网高压侧,而高压侧采用三角形连接方式,其余绕组采用星形中性线引出接法,PWM变换器采用半桥结构的HDT电路拓扑是合理的。

2)基于等效电路导出的HDT动态模型能够清晰揭示HDT的基本工作原理,客观反映HDT运行时遇到的各类扰动。模型指出HDT的负载电压控制系统与电网电流控制系统耦合很弱,可以独立设计。

3)采用PI控制器构建HDT的内环控制系统能满足HDT的对于负载电压及电网电流的基本功能。

以上研究成果发表在2021年第7期《电工技术学报》,论文标题为“混合式配电变压器的动态模型与内环控制系统”,作者为柳轶彬、梁得亮 等。


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