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(tài)變壓器(s01id state transformer),是基于大功率電力電子變換技術實現(xiàn)電力系統(tǒng)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(xiàn)方案,并對作者在文獻[3]中提出的一種新的EPT實現(xiàn)方案進行了仿真。仿真結(jié)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(cè)進行交流-交流或交流-DC-交流轉(zhuǎn)換。將獲得的高頻信號通過高頻干式變壓器耦合到二次側(cè)后,進行交流交流或交直流交流轉(zhuǎn)換,獲得工頻電能。
圖1 ept的基本原理框圖
圖1膨脹節(jié)的框圖
如上所述,EPT的具體實現(xiàn)方案可以分為兩種形式:一種是轉(zhuǎn)換過程中沒有DC環(huán)節(jié),即直接交-交轉(zhuǎn)換,如圖2(a)所示;另一個是在轉(zhuǎn)換過程中有一個DC環(huán)節(jié),如圖2(b)所示。DC環(huán)節(jié)的實現(xiàn)方式具有良好的控制特性。干式變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓、電流和功率的靈活控制可以通過脈寬調(diào)制技術實現(xiàn),有望成為未來的發(fā)展方向。
圖2兩個典型的E肌原理框圖
圖2膨脹節(jié)的兩個典型原理
2新的EPT結(jié)構(gòu)
在參考文獻[3]中,作者提出了一種新的E]P1r實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(lián)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(shù)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(wěn)態(tài)特性模擬
圖4顯示了正穩(wěn)態(tài)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(jù)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(tǒng)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(shù)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(jié)構(gòu)
圖4穩(wěn)態(tài)特性的模擬結(jié)果
圖4穩(wěn)態(tài)特性模擬的結(jié)果
3.2動態(tài)特性模擬
為了驗證e門的動態(tài)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(xù)2個周期。在1.06秒時,電壓峰值比額定值低10%,持續(xù)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(jié)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(jù)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(xù)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(jié)果
圖5輸入電壓波動10%時的模擬結(jié)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(jié)果
圖6輸入電壓中20%五次和七次諧波的模擬結(jié)果
圖7輸入電壓為2倍電壓脈沖的仿真結(jié)果
圖7對輸入電壓有兩次影響的模擬結(jié)果
上述模擬表明,當輸入電壓
有較大波動時。輸出電壓波動在允許范圍內(nèi)。3.2.4負載投切
功率因數(shù)為0.5的負載投切到功率因數(shù)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(jié)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(shù)的負載投切后,輸出電壓幅值基本不變。
4結(jié)論
本文闡述了EPT的基本原理及其實現(xiàn)方案。并對一種新的EPT拓撲結(jié)構(gòu)進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明,該拓撲結(jié)構(gòu)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(tài)特性仿真結(jié)果表明.EPT具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的功能,可以作為~種新型的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置。
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來源:電力自動化設備2004年12期熱點關注
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