固态变压器模型分析

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。……