配电系统电子电力变压器

论文摘要

电力变压器作为电力系统应用最广泛的设备之一,自一百多年前被发明以来,它的工作原理和基本功能一直没有发生变化。然而,在这一百多年的时间里,电力系统发生了深刻变化,特别是近几十年以来,电力系统规模日益扩大,电网结构和运行方式日益复杂,使得电力系统稳定问题变得越来越突出;而大量非线性负荷的增长,迅速恶化了电力系统的供电品质,与此同时,用户对电能品质的要求却越来越高,从而使得电能质量问题成为了当前电力系统面临的亟待解决的重要问题。电子电力变压器（Electronic Power Transformer,EPT）作为一种新型电力变压器,通过在常规变压器基础上,引入电力电子变换技术,使变压器的原、副方电压或电流可以灵活控制,从而具备了解决现代电力系统面临的许多新问题的潜力。本文在已有的研究基础上,重点对EPT在配电系统应用时的相关问题进行了研究。本文详细分析了EPT的基本原理,在此基础上,建立了EPT的通用数学模型,并详细探讨了其谐波分析方法。为了实现对配电系统电能质量控制,本文提出将EPT的输入侧控制成电流源,输出侧控制成电压源,成功实现了EPT在改善配电系统电能质量方面的调节作用,既防止了原方电网的波形畸变传递给负载,也阻止了负载谐波注入电网。配电系统电力变压器经常采用并联运行方式,本文对配电系统EPT的并联运行问题进行了研究。归纳总结出了EPT并联运行的6种方式和存在的问题,提出了4种均流控制方案,并对主从控制方案进行了重点研究。提出将一台EPT控制成可控电压源,作为主机,负责建立副方电压并实现定电压、定频率控制,而其它的EPT则被控制成可控电流源,作为从机,实现电流控制,以消除环流,同时,利用一条反映主机状态的信号联络线,实现了从机向主机的自动转换。相关的仿真结果表明,这种控制策略具有令人满意的均流效果。针对目前已有拓扑结构的不足,论文提出了一种新的拓扑结构的EPT——自平衡电子电力变压器（A-EPT）。在这种拓扑结构中,通过在高压侧采用级联技术,低压侧采用交错并联技术,既解决了电力系统电压与功率器件耐压不匹配的问题,又可以实现三相自平衡,即在变压器一侧系统出现不平衡时,保证另一侧系统仍然能够维持三相电流或电压平衡。仿真结果证明了这种方案的优越性。随后建立了自平衡电子电力变压器试验研究系统,试验结果进一步验证了方案的优越性。EPT对其端口的无功潮流控制比较灵活,既可以吸收无功也可以发出无功,因此,利用EPT实现配电系统无功优化,将比采用OLTC效果更好。论文探索性的研究了基于EPT的配电系统无功优化问题,通过采用改进的遗传算法,对比研究了配电系统分别采用OLTC和EPT实现无功优化的效果,结果表明采用EPT具有更好的优化效果。论文还就EPT在输电系统应用进行了探讨,,以单机双出线系统为例,研究了EPT与发电机励磁的协调控制问题。仿真结果表明,所设计的协调控制器可以保证整个系统具有良好的动态性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大功率电力电子技术在电力系统中的应用现状
• 1.3 电子电力变压器的基本概念和研究现状
• 1.4 配电系统的特点和存在的问题
• 1.5 论文的主要工作
• 2 电子电力变压器基本原理和拓扑结构
• 2.1 电子电力变压器的基本原理
• 2.2 AC/AC 型电子电力变压器实现原理
• 2.3 AC/DC/AC 型电子电力变压器实现原理
• 2.4 通用数学模型与谐波分析
• 2.5 小结
• 3 基于电子电力变压器的配电系统电能质量控制
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.3 控制策略及其实现
• 3.4 输入输出特性
• 3.5 电能质量调节
• 3.6 小结
• 4 配电系统电子电力变压器并联运行
• 4.1 引言
• 4.2 电子电力变压器并联的形式和特点
• 4.3 电子电力变压器并联的主要问题
• 4.4 电子电力变压器并联运行的控制策略
• 4.5 主从控制的具体实现
• 4.6 小结
• 5 配电系统自平衡电子电力变压器
• 5.1 引言
• 5.2 级联多电平技术
• 5.3 自平衡电子电力变压器的拓扑结构
• 5.4 控制策略
• 5.5 仿真研究
• 5.6 小结
• 6 基于电子电力变压器的配电系统无功优化
• 6.1 引言
• 6.2 基于电子电力变压器的无功优化研究
• 6.3 小结
• 7 电子电力变压器在输电系统应用探讨
• 7.1 引言
• 7.2 系统结构
• 7.3 EPT 与发电机励磁系统的协调控制
• 7.4 仿真研究
• 7.5 小结
• 8 试验结果及分析
• 8.1 试验方案
• 8.2 系统实现
• 8.3 试验结果
• 8.4 小结
• 9 全文总结
• 9.1 总结
• 9.2 有待进一步开展的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间完成的论著和专利目录
• 附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目和所获奖励
• 附录3 42 节点配电系统数据