创新设计固态变压器 有效提升移动变电站的综合性能

　　为减小移动变电站中主变压器的体积和质量，提高移动变电站的高压侧电能质量，国网浙江省电力有限公司经济技术研究院、河南平高电气股份有限公司、哈尔滨工业大学电气工程学院的研究人员高美金、狄谦、王婷婷、黄江倩、孟凡刚，在2021年第11期《电工技术学报》上撰文，提出一种用于移动变电站的固态变压器拓扑。

　　仿真和实验结果表明，使用固态变压器代替传统的工频主变压器后，主变压器体积减小了三分之二，其体积和质量得到显著降低;使用所设计的三相五芯柱变压器作为移相变压器后，固态变压器的输入电流总谐波畸变率(THD)值由22%降到了16%，有效提高了移动变电站的电能质量。

　　移动变电站具有容量配置和选址灵活、快速移动性、结构紧凑、可快速并网等优点，能够有效弥补地区性、时段性的电力供应不足，在事故抢修、自然灾害救援、变电站负荷转供、铁路牵引等场合得到了越来越广泛的应用。主变压器容量大(功率密度低)及大量一次设备和二次设备导致的移动变电站整体体积大(超宽、超重、超高)等不足一直影响着移动变电站的现场投运。

　　现有移动变电站包括主变压器模块、自动控制保护模块、中压配电模块及运输车辆等。考虑运输和安装方便性的要求，移动变电站各组成部分要尽可能小型化、模块化，尤其是主变压器的小型化。主变压器工作在工频状态，在大功率场合，其铁心体积大，是导致移动变电站整体体积大的主要原因。

　　在保证容量的前提下，主变压器的小型化和紧凑化设计可以减轻其质量和压缩其占用的空间。近年来，有学者提出了使用自耦变压器代替传统的隔离型主变，自耦变压器各绕组之间交互连接，通过磁耦合传递的功率仅占负载功率的一小部分，这会显著降低变压器的体积和容量。

　　但是，自耦变压器的输入与输出端之间没有电气隔离，当其应用于输出与输入电压等级差别比较大的场合时，会存在安全问题。另一方面，传统主变压器功能单一，仅有电压等级变换和电气隔离功能。为实现电能质量管理，移动变电站需配备电能质量控制装置，如交流侧无功补偿及谐波抑制装置，这也增加了移动变电站的体积和质量。

　　固态变压器集成了电力电子变换器和高频变压器，不仅具有传统交流变压器的电压等级变换和电气隔离功能，同时具有交流侧无功补偿及谐波抑制、可再生能源/储能设备直接接入、端口间故障隔离等功能。

　　与集成了工频变压器及电能质量治理功能的传统移动变电站相比，固态变压器在效率、成本、功率密度和电能质量管理等方面具有明显优势，特别适用于移动变电站。现有三相高频隔离变压器与电力电子变换器相结合组成固态变压器时，由于磁路和电路结构不对称，导致固态变压器输入电能质量较低。

　　为此，国网浙江省电力有限公司经济技术研究院等单位的科研人员提出了一种应用于移动变电站的固态变压器拓扑，使用该拓扑，可显著降低主变压器的体积和质量，并可以提高移动变电站的输入侧电能质量。

图1 基于固态变压器的移动变电站拓扑

　　该固态变压器包含AC-AC变换器、高频多脉波整流器、工频逆变器等三部分组成。为提高固态变压器的输入电能质量，高频多脉波整流器使用三相五芯柱隔离变压器作为移相变压器，有效提高了变压器的磁路对称性;该变压器的二次绕组采用延边三角形联结，有效提高了变压器的电路对称性。同时，为提高固态变压器的能量变换效率，AC-AC变换器中功率开关器件使用了SiC MOSFET。

图2 移相变压器和工频变压器实物

图3 固态变压器的效率实测图

　　实验结果表明，使用三相五芯柱移相变压器后，固态变压器的输入电流THD值由22%降到了16%，能量变换效率达到了94.9%。

　　由于实验条件所限，本文所设计的固态变压器容量较小，仅进行了功能性测试，后续工作中需设计大容量的固态变压器，并对级联形式的AC-AC变换器的控制策略、高频多脉波整流器中的高频变压器等进行优化设计。

　　以上研究成果发表在2021年第11期《电工技术学报》，论文标题为“基于固态变压器的移动变电站综合性能提升方法”，作者为高美金、狄谦 等。