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接的核心, 在輸配電領域均有應用. 目前系統中採用較多的鐵芯油浸式變壓器, 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, 一次側電壓幅值波動會影響到二次側輸出電壓, 負荷變化帶來二次側輸出電壓的不穩定, 鐵芯飽和時產生的諧波造成勵磁湧流, 一次側和二次側的諧波侵入誘發新的故障等. 新能源併網前需要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.
一, 固態變壓器(SST)技術簡介
固態變壓器(SST)又稱電力電子變壓器, 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. 與傳統變壓器相比, 具有體積小, 重量輕等優點, 同時具有傳統變壓器所不具備的諸多優點, 包括供電質量高, 功率因數高, 自動限流, 具備無功補償能力, 頻率變換, 輸出相數變換以及便於自動監控等優點. 由於具有以上優點, 將固態變壓器用於電力系統可提高系統可靠性, 並可改善電能質量, 便於新能源發電併網, 將推動智能電網建設和發展.
其基本原理框圖如圖1:首先工頻交流訊號經電力電子變換器變換為高頻方波訊號, 訊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訊號還原成工頻交流訊號. 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.
01第一環節AC/DC整流器, 將7KV單相交流電變換成10KV直流電. 02第二環節高頻DC/DC變換器, 將DC 10K變換成DC 400V. 它包括高壓H橋電路, 低壓H橋電路和中間高頻變壓器構成. 03第三環節DC/AC逆變器, 將DC 400V變換為60Hz, ±120V的交流電.
通過提高DC/DC變換器和DC/AC逆變器的工作頻率, 可以實現比常規變壓器體積減小, 重量變輕的目標, 從而大大減小無源器件的尺寸和重量.
二, SiC碳化矽器件在固態變壓器中的應用
理想的半導體功率器件, 應當具有這樣的靜態和動態特性: 在阻斷狀態, 能承受高電壓; 在導通狀態, 具有高的電流密度和低的導通壓降; 在開關狀態和轉換時, 具有短的開, 關時間, 能承受高的di/dt 和dv/dt, 具有低的開關損耗, 並具有全控功能. 然而由於在電壓, 功率耐量等方面的限制, 這些Si矽基大功率器件在固態變壓器應用中不得不採用器件串, 並聯技術和複雜的電路拓撲來達到實際應用的要求, 導致裝置的故障率和成本大大增加, 制約了固態變壓器在智能電網應用的進一步發展.
近年來, 作為新型的寬禁帶半導體材料——碳化矽 ( SiC) , 因其出色的物理及電特性, 正越來越受到產業界的廣泛關注. 碳化矽功率器件的重要優勢在於具有耐高壓(達數萬伏), 耐高溫(大於500℃)特性, 突破了矽基功率器件電壓(數kV)和溫度(小於180℃)限制所導致的嚴重系統局限性. 隨著碳化矽材料技術的進步, 各種碳化矽功率器件被研發出來, 如碳化矽功率二極體SBD, MOSFET等, 由於受成本, 產量以及可靠性的影響, 碳化矽功率器件率先在低壓領域實現了產業化, 目前的商業產品電壓等級在650-1700V, 固態變壓器中採用的方案仍多為串聯. 未來幾年, 隨著技術的進步, 高壓碳化矽器件, 特別是15kV以上碳化矽器件的出現, 以及相應驅動技術和抗幹擾技術的發展, 將有利於固態變壓器的結構簡化及可靠性提升.
三, 總結
未來的發配電系統可能由許多分布式再生能源和電網組成, 通過新型配電設施和儲能系統都可以與電網或微電網互聯. 能源互聯網具有能量雙向流動控制能力, 使得它能夠提供重要的即插即用功能, 並能使系統與用戶故障端達到隔離. 能源互聯網需用先進的高壓, 高頻和高溫工作能力的功率半導體器件. 實踐結果表明SiC器件可以顯著簡化固態變壓器的電路結構, 減小散熱器空間, 並通過提升開關頻率來提高單位功率密度. 由此可見, 新型高壓大容量碳化矽功率器件將在固態變壓器應用中開闢出全新的應用, 對智能電網的發展和變革產生持續的重大影響.