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)或固態變壓器(s01id state transformer)，是基于大功率電力電子變換技術實現電力系統電壓變換、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域的重要研究成果之一。本文討論了EPT的基本理論和實現方案，并對作者在文獻[3]中提出的一種新的EPT實現方案進行了仿真。仿真結果表明，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進行交流-交流或交流-DC-交流轉換。將獲得的高頻信號通過高頻干式變壓器耦合到二次側后，進行交流交流或交直流交流轉換，獲得工頻電能。

圖1 ept的基本原理框圖

圖1膨脹節的框圖

如上所述，EPT的具體實現方案可以分為兩種形式：一種是轉換過程中沒有DC環節，即直接交-交轉換，如圖2(a)所示；另一個是在轉換過程中有一個DC環節，如圖2(b)所示。DC環節的實現方式具有良好的控制特性。干式變壓器一次側和二次側電壓、電流和功率的靈活控制可以通過脈寬調制技術實現，有望成為未來的發展方向。

圖2兩個典型的E肌原理框圖

圖2膨脹節的兩個典型原理

2新的EPT結構

在參考文獻[3]中，作者提出了一種新的E]P1r實現方案，其單相拓撲如圖3所示。本文對該拓撲進行了進一步的仿真。

3模擬研究

本文模擬了圖3所示單相結構的電磁脈沖。為了不喪失通用性，在高頻干式變壓器的仿真中串聯使用了兩個輸入模塊。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穩態特性模擬

圖4顯示了正穩態特性。輸入單相工頻電壓時，輸入電流、輸出電壓和電流波形均為正弦波。根據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，輸入功率因數接近1。

圖3新EPT的單相拓撲

圖3一種新的膨體聚四氟乙烯的拓撲結構

圖4穩態特性的模擬結果

圖4穩態特性模擬的結果

3.2動態特性模擬

為了驗證e門的動態特性，本文模擬了以下幾種情況：(1)輸入電壓波動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：負載的開關沖擊。 #p#分頁標題#e#

3.2.1輸入電壓波動10%

輸入電壓如圖5(a)所示。當時間為1秒時，電壓峰值比額定值增加10%，持續2個周期。在1.06秒時，電壓峰值比額定值低10%，持續2個周期。分析輸出電壓的波動(如圖5(b)所示)約為1.9%。從仿真結果可以看出，當輸入電壓波動10%時，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，當輸入電壓包含20%的第5和第7 ha時

輸入電壓如圖7(a)所示，雙電壓脈沖在時間l s開始，持續3個周期，然后恢復正常。當輸入電壓波動100%時，即電壓受到兩次沖擊時，輸出電壓(如圖7(b)所示)較多波動11.5%左右。模擬輸入電壓20%的波動，此時輸出電壓的波動較多在3%左右。

圖5輸入電壓波動10%時的仿真結果

圖5輸入電壓波動10%時的模擬結果

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果

圖6輸入電壓中20%五次和七次諧波的模擬結果

圖7輸入電壓為2倍電壓脈沖的仿真結果

圖7對輸入電壓有兩次影響的模擬結果

上述模擬表明，當輸入電壓

3.2.4負載投切

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

圖8負載投切過程中的仿真結果

Fig.8 Results of Ioad switching process simulation

分析可得，負載投切后，輸出電壓一個周期后就恢復正常。仿真說明，不同功率因數的負載投切后，輸出電壓幅值基本不變。

4結論

本文闡述了EPT的基本原理及其實現方案。并對一種新的EPT拓撲結構進行了仿真研究。仿真結果表明，該拓撲結構的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的動態特性仿真結果表明.EPT具有電能質量調節器的功能，可以作為～種新型的電能質量調節裝置。

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