应用领域

APPLICATIONS

固态变压器

来源: 发布时间:2020/12/26点击数:2225

        固态变压器(SST)是一种集高频变压器、电力电子转换器和控制电路为一体的新兴技术。它的目标是用“智能”解决方案取代传统的线频率分布变压器。SST技术可能会影响许多领域的发展,比如:智能电网、牵引系统、可再生能源系统(RESs)等等。虽然SST的结构比传统变压器复杂得多,但它可以消除一些缺点,并增加一个目前还没有的全新功能,例如:

• DC-link允许直接连接直流电网以及额外的储能组件,无需使用额外的电力转换器;

• SST在运行中遇到电压不平衡、电压下降和其他干扰时,不会从变压器一侧转移到另一侧;

• SST可以完全控制能量的大小和方向,可以独立对两侧无功功率进行补偿;

• SST可以动态控制低压侧电压,补偿非线性负载扰动引起的扰动;

• SST可以相互通讯,也可以与电网的其他单元通讯,形成所谓的智能电网(SG)。SSTs相互交换数据,还可以控制能量流及其参数,在发生故障时重新配置电网,使其适应新的工作条件,减少对最终用户的负面影响。

        SST的工业实现需要使用标准组件,以及设计上的灵活性。使用电力电子模块(PEBB)方法可以满足这些目标。由于受现有功率开关器件的额定电压限制,本文仅关注1200V SiC MOSFET和中压(MV)应用。对于配电系统,中压MV主要指线路间2kV ~ 35kV的电压范围。

        SST用于取代传统的配电变压器,这些变压器可以在几百KVA到几MVA的功率水平下将中压交流电转换为低压交流电和低压直流电。具有三级转换的典型架构如图1所示。SST可进行非隔离的MV AC /DC、隔离的DC/DC和非隔离的DC/LV AC交流功率转换。三级转换的智能电网架构如图2所示。

                                                 

                                                      

                图 1.    SST三级转换架构                                                                                    图 2. SST在智能电网的典型应用

针对中压和高压的应用,常用一种特定的转换器——基于单相半桥转换器和全桥三电平转换器。模块化多电平转换器(MMC)如图3所示。更多电平的转换器由于其复杂性而不常用。

         

                                                                              

                  图3a  2级单极半桥                                                                                 图3b  三电平双极全桥                  

半桥提供+Vdc和0V输出,而全桥提供三电平输出:+Vdc、-Vdc、0V。它们的MOSFET的额定电压为Vdc。其他电容分压的拓扑,如半桥和三电平NPC半桥,都存在均压困难的共同问题,也不常用。二电平单极半桥和三电平双极全桥是最可靠的模块拓扑,也将在所有后续讨论中使用。

                                 

                     

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图4  隔离双向MV-to-LV半桥AC/DC变换器。

                                                    

                                                                           图5a                                                                                                              图5b

图5  隔离双向MV-to-LV全桥AC/DC变换器

图4和图5为模块化的中压AC到低压直流变换器。半桥变换器使用的开关模块(SM) 少二个功率管,但系统使用的模块数量翻倍。图5a和图5b使用三电平双极全桥SMs,是一种更紧凑的解决方案。对于超过10kV的交流输入,单个 10kV以上的高频电感器是很难设计,需要一些特殊而昂贵的处理。图5b的SMs有自己的内置电感器,它只需要与SiC器件同等的额定电压。图5b所示的AC/DC变换器是SST中压交流转低压直流级最实用的解决方案之一。

       低压直流到交流输出级通常采用T型或I型(如图6所示)三电平三相逆变器拓扑。根据输出电压等级和电源设备的额定电压,选择T型或I型来使用。由于不同负载和电网电压条件下,三相输出电压或电流会不平衡,因此可能需要附加电压平衡电路,使三电平电路的电容电压保持平衡。  

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          图6. 带电容电压平衡电路的I-型三相逆变器

        高压SiC MOSFET的出现为固态变压器开辟了一个全新的领域。固态变压器是智能电网、储能、直流数据中心、可再生能源系统和电动汽车大功率充电站的关键部件。随着直流电力系统越来越普及,SiC MOSFET和SST技术都在以前所未有的快速步伐向前发展。在可预见的未来,它们将在工业应用中发挥重要作用。

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