創新設計固態變壓器 有效提升移動變電站的綜合性能

　　為減小移動變電站中主變壓器的體積和質量，提高移動變電站的高壓側電能質量，國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院、河南平高電氣股份有限公司、哈爾濱工業大學電氣工程學院的研究人員高美金、狄謙、王婷婷、黃江倩、孟凡剛，在2021年第11期《電工技術學報》上撰文，提出一種用于移動變電站的固態變壓器拓撲。

　　仿真和實驗結果表明，使用固態變壓器代替傳統的工頻主變壓器后，主變壓器體積減小了三分之二，其體積和質量得到顯著降低;使用所設計的三相五芯柱變壓器作為移相變壓器后，固態變壓器的輸入電流總諧波畸變率(THD)值由22%降到了16%，有效提高了移動變電站的電能質量。

　　移動變電站具有容量配置和選址靈活、快速移動性、結構緊湊、可快速并網等優點，能夠有效彌補地區性、時段性的電力供應不足，在事故搶修、自然災害救援、變電站負荷轉供、鐵路牽引等場合得到了越來越廣泛的應用。主變壓器容量大(功率密度低)及大量一次設備和二次設備導致的移動變電站整體體積大(超寬、超重、超高)等不足一直影響著移動變電站的現場投運。

　　現有移動變電站包括主變壓器模塊、自動控制保護模塊、中壓配電模塊及運輸車輛等?？紤]運輸和安裝方便性的要求，移動變電站各組成部分要盡可能小型化、模塊化，尤其是主變壓器的小型化。主變壓器工作在工頻狀態，在大功率場合，其鐵心體積大，是導致移動變電站整體體積大的主要原因。

　　在保證容量的前提下，主變壓器的小型化和緊湊化設計可以減輕其質量和壓縮其占用的空間。近年來，有學者提出了使用自耦變壓器代替傳統的隔離型主變，自耦變壓器各繞組之間交互連接，通過磁耦合傳遞的功率僅占負載功率的一小部分，這會顯著降低變壓器的體積和容量。

　　但是，自耦變壓器的輸入與輸出端之間沒有電氣隔離，當其應用于輸出與輸入電壓等級差別比較大的場合時，會存在安全問題。另一方面，傳統主變壓器功能單一，僅有電壓等級變換和電氣隔離功能。為實現電能質量管理，移動變電站需配備電能質量控制裝置，如交流側無功補償及諧波抑制裝置，這也增加了移動變電站的體積和質量。

　　固態變壓器集成了電力電子變換器和高頻變壓器，不僅具有傳統交流變壓器的電壓等級變換和電氣隔離功能，同時具有交流側無功補償及諧波抑制、可再生能源/儲能設備直接接入、端口間故障隔離等功能。

　　與集成了工頻變壓器及電能質量治理功能的傳統移動變電站相比，固態變壓器在效率、成本、功率密度和電能質量管理等方面具有明顯優勢，特別適用于移動變電站?，F有三相高頻隔離變壓器與電力電子變換器相結合組成固態變壓器時，由于磁路和電路結構不對稱，導致固態變壓器輸入電能質量較低。

　　為此，國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院等單位的科研人員提出了一種應用于移動變電站的固態變壓器拓撲，使用該拓撲，可顯著降低主變壓器的體積和質量，并可以提高移動變電站的輸入側電能質量。

圖1 基于固態變壓器的移動變電站拓撲

　　該固態變壓器包含AC-AC變換器、高頻多脈波整流器、工頻逆變器等三部分組成。為提高固態變壓器的輸入電能質量，高頻多脈波整流器使用三相五芯柱隔離變壓器作為移相變壓器，有效提高了變壓器的磁路對稱性;該變壓器的二次繞組采用延邊三角形聯結，有效提高了變壓器的電路對稱性。同時，為提高固態變壓器的能量變換效率，AC-AC變換器中功率開關器件使用了SiC MOSFET。

圖2 移相變壓器和工頻變壓器實物

圖3 固態變壓器的效率實測圖

　　實驗結果表明，使用三相五芯柱移相變壓器后，固態變壓器的輸入電流THD值由22%降到了16%，能量變換效率達到了94.9%。

　　由于實驗條件所限，本文所設計的固態變壓器容量較小，僅進行了功能性測試，后續工作中需設計大容量的固態變壓器，并對級聯形式的AC-AC變換器的控制策略、高頻多脈波整流器中的高頻變壓器等進行優化設計。

　　以上研究成果發表在2021年第11期《電工技術學報》，論文標題為“基于固態變壓器的移動變電站綜合性能提升方法”，作者為高美金、狄謙 等。