固态变压器模型分析

2016-07-23 19:07孙忠鸣张海燕郭建宋飞宇
科技与创新 2016年14期
关键词:能源互联网

孙忠鸣++张海燕++郭建++宋飞宇++宋治楷

摘 要:固态变压器又称电力电子变压器(SST),能有效管理分布式可再生能源。详细分析了基于6.5 kV硅IGBT的级联多电平第一代固态变压器、基于15 kV碳化硅MOSFET的第二代固态变压器、基于碳化硅功率模块和无线电力传送的第三代固态变压器模型。

关键词:固态变压器;能源互联网;整流器;高频变压器

中图分类号:TM41 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.092

美国北卡罗莱纳州立大学的FREEDM中心提出了能源互联网,其整个系统的核心设备是固态变压器,被称之为能源路由器,主要作用为有效管理分布式可再生能源。

固态变压器的主要优点为体积小、质量轻,具备瞬时电压调整、电压下降补偿、故障隔离、功率因数校正、谐波隔离和直流输出等功能。

1 第一代固态变压器

2008年,FREEDM中心已经开始研究基于6.5 kV的IGBT固态变压器。

1.1 AC/DC整流器设计

整流器包括滤波电感以及由3个全桥整流器和3个滤波电容构成的高压侧直流母线。其等效状态方程为:

. (1)

式(1)中:va和ia为交流电网的电压和电流;da为等效共同占空比;vc为直流侧的电压。

1.2 双主动桥分析和变压器设计

双主动桥即直流-直流变换器,含有高频变压器,其等效状态方程为:

. (2)

式(2)中:变压器的匝比n=Np/Ns;d为等效占空比;fs为开关频率;vc1和vc2为双主动桥输入、输出侧的直流母线电容电压。

在设计高频变压器时,为了使其性能达到最佳,还需要考虑2个非常重要的问题,即双主动桥中的变压器漏感问题和各部件之间可能发生的击穿问题。通常情况下,高频变压器可以选用多种磁芯材料,比如硅钢、纳米晶体和非晶态合金等。

1.3 逆变器设计

逆变器的开关模型与整流器类似,其状态方程如下

. (3)

式(3)中:vin为输入端的电压;v0为逆变输出端的电压;iL为输出侧的电感电流。

2 第二代固态变压器

由于第一代固态变压器使用了大量的功率器件和级联结构,因此,具有效率低、体积大的特点。而新的固态变压器的体积更小、质量更轻、效率更高。

2.1 AC/DC整流器设计

固态变压器整流级的前端直接与配电网相连,可将正弦交流电变为直流电。为了实现电力的双向流动,固态变压器整流级拓扑带有4个功率器件的全桥电路,因此,它可以控制交流输入电压和输入电流的相位。

2.2 双半桥分析和变压器设计

由于固态变压器会输入高电压和低电流,因此,需要考虑SiC MOSFET的电流能力,双主动桥可改变成双半桥。双半桥的一个桥臂上有两个串联电容,能阻断磁化电流的直流分量,并能自动平衡变压器的通量。

双半桥的输出功率为:

. (4)

式(4)中:vin和vout分别为输入和输出电压;f为开关频率;Le为变压器漏电感;φ为相移角度。

固态变压器中的高频变压器设计存在2个问题,即高压隔离和漏感对电力传输的影响。此外,变压器的形状、匝数和线圈缠绕方式都会影响漏感和磁化电感。

3 第三代固态变压器

第三代固态变压器的设计目标为提高能源利用效率和隔离能力,并创新混合碳化硅半导体模块和变压器。第三代固态变压器设计中存在的问题有以下3个:①较难设计出可靠性高、成本较低的高压电源;②变压器的隔离问题;③高压模式下多回路控制的鲁棒性是设计中的关键问题。

4 结束语

固态变压器具有传统变压器所不具备的强大功能,将逐渐取代传统的固态变压器。本文分析了三代固态变压器的模型,并给出了目前国际上关于固态变压器的最新研究现状及发展方向。

〔编辑:张思楠〕

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