千讯咨询发布的中国电力变压器市场前景调查分析报告显示,电子电力变压器还在国内外众多学者的研究中不断进步,现阶段其依然存在着待研究的问题和关键技术难点,主要分为以下三个方面:
(1)基于电力电子技术的电子电力变压器的研究
内部电气参数模型及其分析:电子电力变压器内部电气参数的建模和分析,是研究电子电力变压器内部电气稳态运行问题重要环节,在设计时即可通过建模、分析和仿真评估其稳态运行状态,进而合理调整并优化各个组成元件的设计参数,同时可以为电子电力变压器的实时监测、控制和保护提供参考。
硬件设计原则:电子电力变压器内部静态模型的电气参数的分析与计算,可以得到电子电力变压器原副方直流电容电压、中频变压器绕组电流、直流母排电流等的详细的波形与量化的幅值,该结果可以直接指导电子电力变压器的硬件选型与设计。合理的硬件设计与选型可以优化整个装置的体积,降低成本,减少运行风险。
动态模型研究:在电子电力变压器启动、工作点偏移和内部或外部的发生故障的情况下,其内部电气运行参数会发生变化,研究人员需要研究电子电力变压器内部动态模型及其电气参数的变化规律,研究其暂态和动态特性。在保证其装置安全的情况下,结合其动态模型研究结果,通过调整合适的控制方式提高其故障穿越能力。
降低EPT系统损耗:电子电力变压器的开关器件工作电压高电流大,导致其存在较明显的开关损耗和导通损耗。寻求在高压大功率领域降低开关器件损耗的方法,可以明显提高电子电力变压器工作效率,有效减小其冷却系统体积和成本。现阶段,降低开关器件损耗的方法主要有选择损耗更小的器件、尽可能减少电力电子器件的开关频率、通过软件控制和硬件手段引入软开关技术等。
谐波抑制:对于拥有直流隔离环节的电子电力变压器来说,其天然地具有隔离谐波的能力,原副方的谐波不会影响到对侧。但在其交直流电力电子变换器本身依然会产生一定量的谐波,抑制谐波最直接的方法是提高开关器件的开关频率或等效开关频率,增大滤波器等,但是这会带来装置效率、体积、成本方面的问题。近些年,学者提出脉冲开关时刻优化的方法,在开关频率、滤波器不变甚至更小的情况下,可以显著地抑制交流侧谐波。这些抑制谐波的方法均可以在电子电力变压器中应用。
内部元件保护原则:电子电力变压器的内部结构、工作原理与传统电力变压器相比有很大不同,其保护的原理也大相径庭,所以针对内部电力电子开关器件及其它元件的电子电力变压器主保护需要进行深入的研究,但是现阶段这部分的研究仍属空白。
(2)基于电力系统应用需求的电子电力变压器的研究
自平衡结构的研究:电网的三相不平衡广泛存在于电网中,传统电力变压器对其完全没有隔离和平衡能力,相反传统电力变压器还会因为电网的三相不平衡而不能高效工作,而电子电力变压器的某些拓扑结构亦不能很好地解决这些实际存在的问题。所以有学者提出了自平衡电子电力变压器的结构,该结构可以有效隔离原副方的三相不平衡的相互影响,其拓扑结构和控制策略值得深入研究。
新功能和新拓扑结构研究:在现代电力系统中,尤其是智能电网建设中,微网是分布式可再生能源和储能目前最有效的并网方式,并被深入地研究,也逐步被接受和应用。针对微网对灵活并网接口和智能控制运行方式的要求,电子电力变压器的拓扑结构和控制策略需要进一步推陈出新,来满足新型电力网络的需求,并有望成为未来电网的核心电力设备之一。
电网综合控制策略研究:由于电子电力变压器良好的可控性能,其对现代电力系统运行和控制带来了重大影响。基于电子电力变压器的综合控制策略涵盖发电、输电、配电、用电等多个层面,可以到达电网稳定、高效、节能、高品质、新能源可靠接入的多重目的。尤其在交直流微网应用领域,电子电力变压器可直接接受微网调度中心的控制,可以对分布式发电、储能和用户用电等的进行有效的能量管理;在输电领域,电子电力变压器亦可以对电网潮流进行优化控制,并提高电力系统稳定性。
综合保护原则:电子电力变压器的结构不同于传统电力变压器,其保护的原理也是大相径庭。电子电力变压器作为电力系统中的电力设备,其自身的保护与电力系统传统保护的配合也是研究的空白。
特殊运行情况及其故障穿越能力的研究:电力系统会发生三相不对称、单相故障、电压跌落、闪边、振荡等特殊运行情况,电子电力变压器的运行状态会随之发生很多变化,其常规控制方法不能满足在特殊运行情况下的控制要求,甚至不能保证装置自身的安全。所以电子电力变压器在电力系统特殊运行情况下的分析与研究是其重要研究方向。
恢复重建能力:在电力系统发生故障情况下,电子电力变压器会因为额定工作点的严重偏移而促成从电力系统中主动退出,如果在电力系统故障结束之后,电子电力变压器不能自动恢复工作,这就导致了故障范围扩大和故障时间延长的问题。所以需要研究在电子电力变压器退出系统运行之后,通过合适的控制策略完成其自动重合闸,并恢复重建供电的能力。
电力并网方式与控制研究:由于现代电力系统对交直流微网等概念的发展并逐步被接受和应用,电子电力变压器可能成为交直流微网等电网的必要的电力接口设备。电子电力变压器的应用将会对交直流并网方式、交直流微网的网架结构产生影响,电子电力变压器对微网的运行与控制的影响是值得研究的问题。
电子电力变压器并联运行研究:在电力系统中,存在大量常规变压器,电子电力变压器并网之后不可避免地出现其与常规变压器并联运行问题,出现两台或多台电子电力变压器并联运行的问题,出现电子电力变压器串联运行的问题等等,解决这些问题需要基于电力系统的运行控制原理和现代电力电子控制技术等,寻求电子电力变压器最合理的拓扑结构和运行控制策略。
(3)基于电力系统高压大功率应用的电子电力变压器工程样机的研究
高压大功率工程样机研制:现阶段,电子电力变压器依然处于理论研究和小功率实验样机研究阶段,其用于电力系统的高压大功率工程实践仍然是未来工作的重点。在高压大功率的样机研究中,电子电力变压器各个元件的选型、设计、生产的方法和原则,以及模块化的功率胞的设计与实验方案需要进一步研究与总结。
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