固態變壓器

固態變壓器 又稱電力電子變壓器（Electronic Power Transformer，EPT），是一種將電力電子變換技術和基於電磁感應原理的高頻電能變換技術相結合，實現將一種電力特徵的電能轉變為另一種電力特徵的電能的靜止電氣設備。與常規變壓器相比，EPT有很多優點，其突出特點在於可以實現原方電流、副方電壓以及功率的靈活控制。EPT套用於電力系統後將會改善電能質量，提高系統穩定性，實現靈活的輸電方式以及電力市場下對功率潮流的實時控制。現階段SST除用於新能源智慧型微網領域，在傳統電網中，主要用於解決配電網的電壓擾動問題。

基本介紹

• 中文名：固態變壓器
• 外文名：Solid state transformer， SST
• 別名 ：電力電子變壓器
• 英文別名： Electronic Power Transformer
• 領域： 能源
• 學科：電氣工程

簡介

電力變壓器作為電壓變換和電氣隔離的基礎設備，是電力系統中網路連線的核心，在輸配電領域均有套用。目前系統中採用較多的是鐵芯油浸式變壓器，雖經過導磁材料和鐵芯結構等一系列改進後，效率和可靠性得到很大提高，但用戶需求越來越大，供電可靠性和電能質量標準也隨之提高，此時傳統鐵芯式變壓器的缺陷和不足突顯:體積和重量大，電壓等級和功率容量提升增加變壓器的空載損耗，一次側電壓幅值變動會影響二次側輸出電壓，負荷變化帶來二次側輸出電壓不穩定，鐵芯飽和時產生的諧波造成勵磁涌流，一次側和二次側的諧波侵入誘發新的故障等。需進行電壓變換和調整，同時對功率流動進行靈活控制，兼備故障診斷和隔離。傳統變壓器的局限性顯然不能滿足上述要求。

為實現改善系統電能質量的目標，同時為新能源併網提供智慧型化接口，一種新型變壓器應運而生，即為固態變壓器(Solid State Transformer, SST)。隨著大功率電力電子器件製作工藝和性能的提高，湧現了許多基於電力電子的電能質量調節裝置，如DVR(Dynamic Voltage Regulator), APFC(Active Power Factor Correction),UPFC(LJnified Power Flow Controller)等。固態變壓器在高頻變壓器的基礎上融合了電力電子變換技術，亦稱電子電力變壓器(Electronic Power Transformer, EPT)或電力電子變壓器((Power Electronic Transformer, PET);它能整合上述電能質量調節器的功能。又因其控制的靈活性和易於拓展的特點，又稱智慧型通用變壓器(Intelligent Universal Transformer, IUT)。

固態變壓器是一種基於電磁感應原理的高頻耦合裝置，並結合先進的電力電子變流技術，實現電能變換的靜止電氣設備。 SST集電氣隔離、電壓變換、無功補償等功能於一身，通過對傳統變壓器和電力電子設備的集成化，可提高電網設備的智慧型化水平。相較於常規電力變壓器，SST的主要優勢在於:環境友好，占地小，無變壓器油，污染少;原副方電壓幅值可保持恆定，不因負載切換而發生大幅波動;高低壓側交流波形畸變率小，基本為正弦，功率因數控制靈活;可實現斷路器的部分功能，瞬間關斷故障電流，繼電保護裝置較傳統變壓器相對簡化;可配置智慧型控制單元，便於設備層面配合實現自愈功能，亦可實現聯網通信，有利於電網智慧型化。

傳統變壓器缺點

近幾十年來，電力系統發展迅速，且呈現出幾大特點:一、電力系統從剛開始的跨市連線到現在的跨省級、跨區域連線，規模越來越大，如何保證超大規模力系統的安全性和穩定性是需要嚴肅考慮的問題。二、能源危機日趨嚴重，因此，可再生能源分散式發電系統如光伏發電、風力發電等越來越受到重視，而分散式發電系統接入電網又會引發一系列控制問題。三、用電負荷多樣性增加，非線性負荷越來越多，而非線性負荷產生的諧波會對電網產生影響，使得電能質量問題日益突出。面對電力系統新的挑戰，傳統電力變壓器作為電力系統輸配電中基本的電力設備，其過於單一的功能也越來越不能滿足現代電力系統的需求。

目前，傳統變壓器採用油浸式變壓器，雖然傳統變壓器工作效率高、可靠性高且價格低廉，但是傳統變壓器也有不可忽視的缺點，包括:

(1)體積大、過於笨重。

(2)電網側與負載側沒有實現隔離，因此電網側和負載側的擾動和故障會互相禍合。電網側發生電壓跌落和閃變會禍合到負載側，同樣，負載側的諧波也會禍合到電網側，污染電網，影響電網的穩定性。

(3)負載側電壓受負載影響較大，負載發生很大的變化時，負載側電壓波動大。

(4)沒有直流接口和儲能的能力。

(5)若變壓器發生漏油，會造成環境污染。

隨著電力電子器件的飛速發展，電力電子技術在電力系統中套用的越來越多。現代系統中，許多機械式、電磁式設備都在被新型電力電子設備替代，使得電力系統能夠更好的實現自動化、智慧型化和靈活化。例如，高壓直流輸電( HVDC )、靜止無功補償裝置(( SVC )、有源電力濾波器(APF)、電能質量控制器(UPQC)、統一潮流控制器(UPFC)等電力電子設備廣泛運用於輸電和配電中。考慮到當今電力系統的特點和傳統變壓器的不可避免的缺點，那么是否也可以將電力電子技術運用到電力變壓器中，因此固態變壓器應運而生。

固態變壓器基本原理

SST又叫電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)或者電子電力變壓器(Electronic Power Transformer, EPT，是利用電力電子變換技術來實現電壓等級轉換和電力傳輸的智慧型化設備。

原理框圖

其基本原理如圖:首先工頻交流信號經電力電子變換器變換為高頻方波信號，信號通過高頻隔離變壓器傳輸，再經電力電子變換器將高頻方波信號還原成工頻交流信號。該過程可以通過控制器對電力電子變換裝置進行適當的控制來完成。

由固態變壓器的基本原理，可以看出其相對於傳統變壓器的優點:

(1)採用了高頻變壓器，而非工頻變壓器，因此變壓器的體積和重量都大大減小。

(2)通過適當的控制，可以實現輸入側單位功率因數運行，可以吸收負載側無功功率和隔離諧波電流，抑制諧波雙向流動，有效改善電能質量。

（3）可以消除電源側電壓過壓或欠壓對負載側電壓的影響，保證負載側電壓幅值、頻率、波形的穩定。

(4)含有交直流接口，方便分散式發電系統的聯網和直流負載的接入。

(5)全數位化控制，方便採集電網信息和聯網通信，從而能夠實現潮流控制，還可與柔性交流輸電協同工作，增強電網系統的穩定性和可靠性。

可見，固態變壓器比傳統電力變壓器更能夠滿足智慧型電網的要求，且更能滿足用戶對電網的個性化需求。

固態變壓器典型拓撲及控制方式

高頻耦合的AC/AC電路

上世紀七十年代，美國GE公司的W.McMurray提出一種基於高頻藕合的AC/AC電路結構，變換電路如圖1-1所示。

電路工作的基本原理為:採用移相控制的方式，原方開關S1和s2互補導通，

工作在高頻狀態，輸入的低頻交流或直流信號被逆變為高頻信號，經高頻變壓器禍合到副方，副方開關S3和S4通斷與S1和S2同步，觸發相位上相差角度，控制移相角即可控制變換器輸出電壓幅值。當移相角等於0時，變換後的副方電壓波形與原方電壓相同;當移相角不等於0時，輸出電壓波形呈現一定規律的正弦變化，在變壓器副方配置輸出濾波，方可得到正弦波形的電壓。作為現代電力電子變壓器的早期雛形，該設計思想也是後期固態變壓器發展的基礎。

三級結構的固態變壓器

20世紀末，出現了一種針對電力電子變壓器的三級結構，由Runan和Sudnoff兩人提出，該變壓器由高壓級(輸入級)、隔離級和低壓級(輸出級)構成。這是固態變壓器領域首次嘗試三級結構拓撲，受制於當時的功率器件耐壓水平，高壓側多採用多個模組串聯分壓，各級模組內部相互獨立。輸入級模組為整流器，可實現單位功率因數，該級將輸入的交流變換為直流;隔離級將直流信號經過直一交一直變換後還原為直流，隔離級的輸出直流並聯後送入輸出級，輸出級將直流逆變為所需工頻交流後輸出。此種結構較好地滿足了降壓變原方高電壓小電流和副方低電壓大電流的要求。但該固態變壓器的局限性在於其只能實現功率的單向流動，且對無功的調整不夠靈活。

固態變壓器的套用

隨著實際生產中對電能質量的要求越來越高，傳統的電能質量補償裝置(如靜止同步補償器、動態電壓恢復器、有源電力濾波器和綜合電能質量調節器等)功能較為單一，若為滿足全部電能要求逐個安裝，成本高，效率低，加之傳統變壓器及其配套監控，整個系統複雜性提高，不利於電能質量的控制。SST具備解決這一問題的高性價比，因其本身具備無功補償的功能，可靈活應對電壓上升、電壓閃變、電壓諧波、電壓跌落及三相輸出電壓不平衡等工況，並具備極短時間關斷故障電流的能力，兼顧了斷路器功能。除電力系統外，若對電能變換裝置的重量和體積有特殊要求，如化工、航空、軍事、醫療、航海等領域，SST亦將擁有實際的套用前景。

SST具備原副方電壓電流實時控制，靈活調節的能力，功率可雙向流動，交直流均有，對分散式電源有很強的兼容性。通過SST本身的監測控制功能和一定的通訊功能，可協調控制多台SST控制新能源微網內的功率流動，提高能源利用效率，同時可適時地將微網接入大電網，必要時提供電壓和頻率支撐，無需額外增加調壓和調頻設備。因此，風電、太陽能、蓄電池這類電源可利用SST進行整合，實現多元化能源集中控制。現代電網自動化程度較高，輔助以人工智慧，將推進電網智慧型化建設，基於固態變壓器的控制即為一種智慧型型體現。在電力系統發生嚴重故障，甚至崩潰解列的情況下，SST切換於不同模式，先滿足當地負載的用電需求，待系統恢復供電，正常運行時又可將負載轉移至大電網，即所謂的黑啟動:在沒有外部輔助電源的情況下，逐步恢復對負載側的正常供電。當然這需要建立在SST完善的控制模式基礎上，即微網併網情況下的負載運行模式和孤島運行模式。

現階段SST除用於新能源智慧型微網領域，在傳統電網中，主要用於解決配電網的電壓擾動問題。常規的解決辦法是採用動態電壓恢復器，其工作原理是通過一個隔離變壓器和可調自藕變壓器產生一個補償電壓輸送至電力系統。但變換效率不高，回響速度慢，變壓器成本高，體積大。固態變壓器則不存在上述問題，因其二次側輸出電壓可調且能維持恆定，而且變換效率高，體積小，足夠滿足敏感負荷的電能要求。又因SST具備直流接口，可將蓄電池或超級電容接入，利用蓄電池的充放電特性和超級電容吸收釋放電能的原理，來應對瞬時電壓中斷，提高供電可靠性。

展望

固態變壓器基本都採用三級型 (直流固態變壓器除外)，都使用了高頻變壓器和DAB結構，主要是因為高頻變壓器的體積小，傳輸效率高，以及DAB能實現能量雙向流動。

雖然固態變壓器較傳統變壓器有很多優勢，但損耗大、可靠性低、成本高和短路特性等都是固態變壓器的弱點。但是固態變壓器由於擁有傳統電力變壓器所不具備的強大功能和諸多優點，隨著電力電子器件技術的發展和電力電子變換技術的進步，固態變壓器造價會逐漸降低，可靠性會逐步提高，效率會不斷提升，取代傳統變壓器成為可能，而控制靈活、功能強大的特點也使得固態變壓器具有更廣闊的套用前景。