- 頭條西安交通大學科研人員提出混合式配電變壓器的新型配置方案2021-08-07 作者：柳軼彬 梁得亮 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語相比傳統配電變壓器，混合式配電變壓器（HDT）集成了脈沖寬度調制變換器，能夠對部分傳輸功率進行調控。因而不僅具有傳統配電變壓器電壓等級變換和電能傳輸的基本功能，而且能夠實時動態控制其負載電壓及電網電流，這對于實現主動配電網具有重要應用價值。電力設備與電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學電氣工程學院）、陜西省智能電網重點實驗室的研究人員柳軼彬、梁得亮、王宇珩、高亞晨、張立石，在2021年第7期《電工技術學報》上撰文，提出一種改進型混合式配電變壓器配置方案及其三相電路拓撲，其優勢在于變換器拓撲簡單，各環節電壓等級的確定靈活方便。
混合式配電變壓器（Hybrid Distribution Transformer,HDT）是對傳統配電變壓器進行改進設計，并將脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）變換器接入其中的一類新型配電變壓器。借助PWM變換器靈活的控制功能可以使配電變壓器不再僅限于電壓等級變換與電能傳輸。具體而言，通過PWM變換器對配電變壓器的部分傳輸功率進行調控，HDT能夠對電網電流及負載電壓進行實時控制，這對于構建未來主動配電網具有重要意義。
由于PWM變換器及變壓器的電路拓撲和聯結方式種類有很多，因而HDT的種類也很豐富。有學者采用AC-AC變換器提出無直流環節HDT，并對其基本原理、建模分析和功能驗證進行了詳細說明。此類HDT的主要優點在于無需使用直流母線電容，系統結構簡單，成本低，經濟性好。
但此類HDT沒有電流補償能力，其功能主要在于電壓幅值的調節，而對于電壓相位控制則明顯不足。此外，相比具備直流環節的電壓源型變換器，AC-AC變換器難以通過續流二極管進行自然換流，因而往往還需要附加一些比較復雜的輔助設備實現可靠換流，這會使HDT系統整體更為復雜，成本更高，進而使得此類HDT大規模推廣應用比較困難。
為此，業內有學者給出了多種基于AC-DC-AC變換器的HDT的配置方案，并初步實現了相應的控制功能。但總體來講，目前的方案存在以下缺陷：
（1）HDT的配置方案往往不含隔離變壓器，這導致三相場合的HDT中用于負載電壓補償的變換器往往需要采用三個單相全橋變換器，這顯然會大大增加HDT變換器的復雜程度，并導致控制復雜，系統可靠性降低。此外，因為沒有隔離變壓器，HDT的AC-DC-AC變換器公共直流母線的額定電壓完全由所在配電網場景的補償深度決定，此時變換器功率器件的選型范圍往往很窄。
具體來講，如果電壓控制變換器位于配電網高壓側，必然導致變換器直流母線額定電壓很高。而如果電壓控制變換器位于配電網低壓側，直流母線額定電壓很低，從而使得電流控制變換器的電流很大。這導致一大部分技術成熟、性價比很高的功率器件因電壓或電流等級不符合現場要求而無法被采用，此時不僅器件選型困難，而且HDT系統整體的經濟性及可靠性均很低。
（2）將用于控制負載電壓的變換器單元配置在配電網低壓側不利于充分發揮HDT的控制功能。由于配電網的電壓波動主要發生在高壓側，進而導致二次側負載電壓發生波動，若將變換器單元整體布置于配電網低壓側，只能抑制配電網電壓負載側的電壓波動，而無法抑制HDT一次繞組及控制繞組電壓的波動。
此時，在設計HDT的變壓器本體時，必須增大鐵心面積以避免電網電壓變高而導致的鐵心飽和。而且當電網電壓突變時，控制繞組也會發生電壓突變，這必然會影響HDT對電網電流的補償效果。
（3）能應用于實際配電網場景的三相HDT電路拓撲研究較少，十分不利于HDT的產業化推廣。
（4）對于HDT的原理分析及控制系統設計，缺乏比較直觀準確的動態模型，這導致目前關于HDT工作原理的分析大多局限于定性說明，給HDT控制系統的設計帶來不便。
西安交通大學研究人員基于在傳統配電變壓器中增設第三控制繞組的報道，設置隔離變壓器于配電網高壓側，將其高壓側與三繞組配電變壓器高壓側串聯，然后通過控制繞組及隔離變壓器低壓繞組將電容中點引出式背靠背半橋PWM變換器接入配電變壓器，從而給出一種新型HDT實用配置方案。
圖1 HDT的配置方案
基于這一配置方案，他們提出了一種實用的三相HDT拓撲，該拓撲在高壓側采用三角形聯結，而其余繞組均采用中性線引出的星形聯結。根據HDT的單相等效電路，建立HDT的微分方程，并導出系統的傳遞函數框圖，基于框圖模型，指出HDT能夠控制電網電流及負載電壓的根本原因，進而采用PI控制器設計HDT的內環控制系統。在電網電壓波動及負載畸變工況下進行仿真及樣機實驗，驗證了所提出的HDT電路拓撲及所設計的內環控制系統的正確性。
圖2 HDT的三相電路拓撲
圖3 HDT實驗樣機
研究人員最后得到以下結論：
1）將隔離變壓器布置于配電網高壓側，而高壓側采用三角形聯結方式，其余繞組采用星形中性線引出接法，PWM變換器采用半橋結構的HDT電路拓撲是合理的。
2）基于等效電路導出的HDT動態模型能夠清晰揭示HDT的基本工作原理，客觀反映HDT運行時遇到的各類擾動。模型指出HDT的負載電壓控制系統與電網電流控制系統耦合很弱，可以獨立設計。
3）采用PI控制器構建HDT的內環控制系統能滿足HDT的對于負載電壓及電網電流的基本功能。
以上研究成果發表在2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“混合式配電變壓器的動態模型與內環控制系統”，作者為柳軼彬、梁得亮 等。
