- 頭條中科院電工所科研人員在電力電子變壓器領域取得重要研究進展2022-02-16 作者：高范強、李子欣 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電力電子變壓器是交直流混合配電系統(tǒng)中實現(xiàn)交直流電能變換與管控的核心設備，中國科學院電工研究所中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室、中國科學院大學、國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院的研究人員高范強、李子欣 等，在2021年第16期《電工技術學報》上撰文，以應用于蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中10kV-3MV?A四端口電力電子變壓器樣機為對象，考慮示范工程中多電壓等級的交直流設備接入需求，針對交直流混合配電接入的復雜應用場景，在電力電子變壓器樣機的電路拓撲設計和分布式控制技術方面開展研究，提出一種適用于多端口、直流真雙極的電路拓撲及其端口協(xié)調控制策略。 示范工程現(xiàn)場測試結果驗證了該文中電力電子變壓器樣機設計能夠滿足交直流混合配電系統(tǒng)復雜應用需求，對于電力電子變壓器在交直流混合配電網(wǎng)中推廣應用及發(fā)展具有重要意義。
電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）是一種集成電力電子變換器和高頻變壓器的新型電氣設備，除具備傳統(tǒng)交流變壓器的電壓等級變換和電氣隔離功能外，還可實現(xiàn)交直流變換、直流電源/負荷直接接入、無功補償和諧波治理等功能。因此，PET作為柔性互聯(lián)裝置，能夠在交直流混合配電網(wǎng)的交流分區(qū)和直流分區(qū)間構建起柔性調節(jié)通路。
另外，PET在交直流混合配電網(wǎng)中應用，一方面可以減少可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能和負荷等設備接入的電能變換環(huán)節(jié)，提高能源利用效率；另一方面也可實現(xiàn)不同電壓等級的交直流網(wǎng)絡互聯(lián)互濟，實現(xiàn)分布式能源跨區(qū)消納。
針對PET在交直流配電系統(tǒng)中的應用，國內外的高校、科研機構及企業(yè)均開展了相關研究，研制了多類型PET樣機，其中部分樣機已經(jīng)在中高壓配電系統(tǒng)中開展了示范應用。
- ABB、Bombardier公司分別研制用于替換鐵路系統(tǒng)的機車牽引用工頻變壓器的單相AC-DC型PET樣機，其交流側接入15kV/16.7Hz單相交流電網(wǎng)，運行工況較為單一。
- 針對在交流配電系統(tǒng)中替換傳統(tǒng)工頻變壓器的應用，美國電科院采用中點鉗位（Neutral-Point- Clamped, NPC）型電路拓撲，研制了三相AC 2.4kV/ AC 277V的PET樣機。
- GE公司采用10kV SiC- MOSFET器件和直接AC-AC變換型電路拓撲，研制了1MV?A PET樣機，雖然系統(tǒng)運行效率高，但可控性相對較差，且不具備直流設備接入功能。
- 美國北卡萊羅納州立大學研制了小容量多端口PET樣機，并對其調制和控制策略開展了研究。
- 中科院電工所采用模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）和輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input Series Output Parallel, ISOP）型DC-DC變換器的電路拓撲結構，先后研制了兩代10kV PET樣機，并實現(xiàn)了在10kV交流電網(wǎng)和750V直流微電網(wǎng)中的掛網(wǎng)運行]。
- 有學者采用SiC功率器件研制了面向光伏變流器并網(wǎng)應用的1MV?A AC-DC型PET樣機，對其效率優(yōu)化策略開展了研究。
- 華中科技大學研制了可改善工廠供電質量的單向潮流AC-DC型PET樣機。
隨著傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)中直流用電負荷及能源的出現(xiàn)與廣泛應用，具有多交直流電壓等級接口的PET對于整合多類型直流電源與負荷具有一定優(yōu)勢。目前，PET主要呈現(xiàn)兩端口或三端口形式，同時控制模式與運行方式相對簡單，難以滿足交直流混合配電網(wǎng)對多類型能源的靈活接入及柔性調控日益增長的需求。
基于此背景，2017年國家啟動了“基于電力電子變壓器的交直流混合可再生能源技術研究”重點研發(fā)計劃項目。項目在國際能源變革論壇所在地蘇州同里開展示范驗證，建設包含風力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電及熱利用、儲電、儲熱等分布式可再生能源的基于PET的交直流混合配電系統(tǒng)。
?該系統(tǒng)依托大容量多端口PET構建交直流混合配電網(wǎng)，可通過直流跨饋線互聯(lián)實現(xiàn)電壓支撐和潮流均衡，提高系統(tǒng)可靠性和電能質量，更好地接納分布式電源、儲能設備和直流負荷，是未來配電網(wǎng)的一個重要發(fā)展趨勢。蘇州同里基于PET的交直流混合配電系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 蘇州同里基于PET的交直流混合配電系統(tǒng)
能夠實現(xiàn)源-荷-儲等多種設備接入并具備不同電壓等級網(wǎng)絡互聯(lián)互濟功能的PET是未來交直流混合配電網(wǎng)的核心設備。中國科學院電工研究所等單位的科研人員針對蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中多電壓等級交直流分布式可再生能源、負荷靈活接入的應用需求，開展大容量電力電子變壓器樣機研制工作，重點針對所研制的3MV?A四端口電力電子變壓器（AC 10kV、AC 380V、DC ±750V、DC ±375V端口），從PET的電路拓撲和控制策略的角度，對電力電子變壓器樣機設計的關鍵技術進行說明。
圖2 PET樣機及測量儀器
通過PET樣機研制和實際運行，科研人員得出具體研究結論如下：
1）所設計的PET拓撲10kV交流側為三相CHB型電路，DC-DC環(huán)節(jié)采用CLLC串聯(lián)諧振變換器，可實現(xiàn)零電壓開通運行，大幅度降低器件開關損耗。PET所有直流端口均采用真雙極結構，可同時接入375V、750V和1500V三種電壓等級的直流發(fā)電、用電設備。
2）針對PET所接入的交直流混合配電系統(tǒng)多運行場景的復雜工況，提出劃分10kV分區(qū)、375V分區(qū)和380V分區(qū)的分層分布式控制策略，可適用于多種運行工況，示范工程中試驗測試數(shù)據(jù)驗證了控制策略的有效性。
3）10kV-3MV?A PET樣機在蘇州同里交直流配電系統(tǒng)中的應用，為PET進一步拓展在低壓配電系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)低壓配電接入靈活可控奠定了實踐基礎。
本文編自2021年第16期《電工技術學報》，論文標題為“面向交直流混合配電應用的10kV-3MV?A四端口電力電子變壓器”，作者為高范強、李子欣 等。
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