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智能变压器作为配电网的中心控制点

Prof. Marco Liserre, Dr. Rongwu Zhu, Dr. Giovanni De Carne, Chair of Power Electronics Christian-Alb 2019-05-05

智能变压器代表配电网中的中央控制点:它引入的高可控性可以推迟电网基础设施升级,同时提供辅助服务。sCc电子头条

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智能变压器的定义sCc电子头条

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分布式发电机(DG)和电动汽车充电站正稳步增加其在配电网中的存在。已经证明,通过DC网络提供DG(例如PV板,燃料电池和微型风力涡轮机)和DC负载(例如EV)可以更有效。这可能会引起对混合AC/DC配电网的关注。然而,传统配电网在电压限制违规(上限和下限)以及网络资产(例如,电路和变压器)的过载方面遇到一系列挑战。为了缓解这些问题,配电系统运营商通常通过增加现有部件的额定值来增强电网,例如更大尺寸的电缆或更大容量的变压器。但是,这些升级成本高昂,耗时且可能导致客户中断。sCc电子头条

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目前,还没有一个全面的解决方案来满足配电网的需求。由于功率转换器分布广泛,智能电网的研究趋势正朝着分散的方向发展,这导致了许多系统控制解决方案,如图1(a)所示。这些解决方案包括STACOM,存储,直流配电转换器,区域间连接转换器和注入无功功率的DG。然而,由于需要广泛的快速通信基础设施,协调所有这些智能解决方案可能具有挑战性。sCc电子头条

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图1a。配电系统sCc电子头条

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图1b。基于ST的分配系统的配置sCc电子头条

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智能变压器(ST)解决方案(图1(b))是一种基于固态变压器的变压器,它引入了更高的电网可控性,并为负载和发电机提供直流连接,同时节省了基础设施成本,避免了广泛的电网升级[ 1]。sCc电子头条

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与当前的配电网方案(图1(a))相比,所有功能,如直流配电,STATCOM /存储集成,不需要或最小化集成和启用区域间连接的无功功率集成,可以集成在ST。此外,ST表示实现电网的半分散控制的解决方案,其中ST从下游电网接收信息并且充当主电网的唯一控制点。这避免了极端分散的缺点,从而避免了管理大数据输入,参与者,控制和决策选择的复杂性。sCc电子头条

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MV前端级可以采用多种ST架构:低频变压器与AC/DC转换器(T1)相结合; AC/DC转换器与隔离式DC/DC转换器(T2)和隔离式AC/DC转换器(T3)相结合,可根据实际电气系统中的直流电网需求进行选择,如图2所示。sCc电子头条

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图2. ST的详细结构:( T1)低频变压器和背对背解决方案;(T2)AC/DC转换器和DC/DC级;(T3)隔离式AC/DC转换器。sCc电子头条

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智能变压器服务sCc电子头条

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ST作用于三个不同的级别:MV网格,LV网格和DC网格。在这种情况下,考虑了3级拓扑ST,以显示它可以提供的服务的完全扩展[1]。在MV网格中,ST控制AC有效电流,以便将电压维持在MV DC链路中的标称值。这意味着ST可以独立于有功功率调节无功功率注入,始终遵守转换器载流量限制。这允许支持MV电网中的电压幅度,并最终减轻主变压器的过载,减少来自HV电网的无功电流的输入。此外,它可以注入更高频率的电流,无论是有功还是无功,都可以作为MV电网的谐波补偿器。sCc电子头条

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DC / DC转换器调节从MV到LV DC链路的功率流,以便控制LV DC链路中的电压。DC链路的存在可以作为DC电网基础设施的第一步,其中较大的DC负载(快速充电电动车站)和发电机(风电场)可以直接连接在MV DC和小型资源中,例如家用PV ,DC街道照明和慢速充电电动车站,可以在LV DC链路中连接。sCc电子头条

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LV侧转换器控制AC电压波形为正弦和平衡。LV网格中的ST很有可能提供服务。改变电压幅度和频率的可能性使得能够塑造馈电负载消耗和发电机生产,从而允许快速负载控制动态。例如,它可以通过软减载控制通过降低电压来快速降低负载消耗,从而为大型电力系统扰动期间的稳定减载提供替代方案。或者,ST可以与频率一起操作,与本地发电机的下垂特性相互作用,以便减少(或增加,如果可能的话)它们的发电量。已经表明,使用LV电网中的频率控制可以避免从LV到MV电网的反向功率流。sCc电子头条

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ST还可提供先进的保护功能,快速清除故障(<10ms)并继续为不受故障影响的负载供电。例如,在单相故障的情况下,ST可以继续在标称电压下激励剩余的两相,尽管一个相被清除。sCc电子头条

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此外,ST可以作为LV网格中的主动阻尼器。在存在许多小DG的情况下,可能发生共振现象。ST可以主动阻尼这些共振,作用于其自身的控制,而不需要网格中的额外硬件(例如,有源阻尼器)。sCc电子头条

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ST的商业案例:LV发动机项目sCc电子头条

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在英国,配电网络已经在不断发展,电动汽车,热泵和光伏发电的联系越来越紧密。这导致现有的网络资产(例如配电变压器)达到其热额定值或在LV网络中经历法定限制的电压违规。根据不同的需求/发电水平,可能在一天中的不同时间经历过压和欠压条件。sCc电子头条

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分布式网络运营商(DNO)实施的传统方法是加强网络以缓解网络问题,并遵守电网规范对客户供应质量和连续性的要求。传统的加固基础箱包括用较大的变压器更换变压器(例如,用800kVA变压器替换500kVA),这能够满足额外的需求。sCc电子头条

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此外,LV电缆应更换为更大尺寸的电缆,以便将电压保持在法定限值内。虽然这些解决方案将促进负载增长,但它们非常昂贵,耗时并且可能由于公共道路和人行道的大量昂贵挖掘而导致中断。sCc电子头条

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图3a。LV-ENGINE项目:项目中开发的可能的变电站互连策略sCc电子头条

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图3a。LV-ENGINE项目:英国电网中预见的ST数量。sCc电子头条

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作为替代方法,英国DNO之一SP Energy Networks计划在11kV/0.4二级变电站内试用ST [2]。该项目LV Engine旨在证明ST可用于克服LV网络中的过载和电压问题。ST在配电网中提供更高的可控性和更多服务,具有以下几个优点:sCc电子头条

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•降低网络充电成本:ST将通过避免和推迟LV和MV网格中所需的昂贵网络增强来降低对客户施加的网络充电成本。sCc电子头条

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•便于获取低成本能源:由于其电压调节功能和直流电网连接的可用性,ST可作为光伏连接的推动者。sCc电子头条

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•为二级变电站提供可扩展性:ST的模块化特性允许通过增加额外的硬件块来满足需求增加,通过有限的成本和对客户的干扰来增加变电站容量。sCc电子头条

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•启用向DSO的过渡:ST增加了LV网络的灵活性和适应性。这为DSO提供了智能和高效地操作配电网所需的工具,并且还延迟了DSO与客户交互以消除局部约束的点。sCc电子头条

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最初的估计显示,英国分销网络中的ST可能会有相当大的部署机会,到2050年达到现有二级变电站16%左右的部署。这一估算考虑了可能提供ST的部分或全部功能的其他潜在智能解决方案。最初的成本效益分析表明,通过部署ST,到2030年可以节省6200万英镑,到2050年可以节省5.28亿英镑。sCc电子头条

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100kW原型sCc电子头条

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在Christian-AlbrechtsUniversitätzuKiel的电力电子学主席的实验室中建造了一个100kW的原型(图4(a))。它由MV侧的组合式H桥转换器组成,每相连接四有源桥(QAB)模块,如图4(b)所示。sCc电子头条

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图4a。100kW在实验室中测试原型 sCc电子头条

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图4b。100kW测试原型配置sCc电子头条

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由于更加关注MV和DC / DC级的挑战,LV DC / AC转换器目前不包含在该原型中。此外,LV DC / AC转换器的技术已经在市场上大量可用,因此可以集成到ST中。在这种情况下采用的每个DC / DC模块的电压对于DC链路是0.8kV而在MVAC中是1.5kV。如果需要更高的电压(10kV或更高),只需连接MV侧串联的更多QAB模块即可达到。在LV侧,这些模块将并联连接,以满足LV电网的更高功耗(并因此更高的电流)需求。sCc电子头条

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该原型可用于测试高级控制策略,例如QAB中的功率路由,用于系统寿命延长,用于IGBT可靠性改进的主动热控制,功率反向限制,MVAC电压支持和谐波补偿[3]。sCc电子头条

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参考sCc电子头条

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1.M. Liserre,G。Buticchi,M。Andresen,G。De Carne,L。Costa,Z。Zou,The Smart Transformer:Impact on the Electric Grid and Technology Challenges,IEEE Industrial Electronics Magazine,Vol.10,no.2,pp:46-58,2016sCc电子头条

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2.SP Energy NetworkssCc电子头条

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3.基督教布莱希特安大学祖基尔工业/ 博士课程sCc电子头条