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系统并网技术
★ 5.0
电网电压跌落下混合变压器电流过载能力的分析与优化
Analysis and Optimization for Current Overload Capability of Hybrid Transformers Under Grid Voltage Sag
| 作者 | Yan Shi · Xiangyu Zhang · Lvyang Chen · Wei Li · Lei Qi |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年8月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 混合变压器 电流过载 电压调节 软硬件协同优化 仿真验证 |
语言:
中文摘要
大量电力电子设备的接入使得未来电网对灵活、快速的电压调节提出了需求。混合变压器（HTs）结合了电磁变压器和部分额定容量的变流器，被认为是极具竞争力的解决方案。然而，混合变压器紧密的电磁耦合特性导致其在补偿电压暂降时出现电流过载问题，限制了其额定补偿容量的充分利用。此外，随着电压暂降深度的增加，这种过载现象会加剧。这些独特的电流过载特性对于混合变压器在实际应用中充分发挥其调压能力至关重要。本文探讨了混合变压器的电流过载特性及其影响因素。在此基础上，结合其电磁耦合特性，提出了硬件和软件组件的协同优化方案。通过仿真案例分别验证了优化拓扑选择和运行模式的性能，并采用电流过载指标进行了定量评估，结果表明电流过载分别降低了59%和66%。通过800毫秒三倍模块额定电流的过流穿越实验验证了改进的电流过载处理方法。这些改进措施有助于满足混合变压器的电流过载要求，包括低电压穿越过程中的要求。
English Abstract
The integration of extensive power electronic equipment rises a demand for flexible and rapid voltage regulation in future grids. Hybrid transformers (HTs) are considered highly competitive solutions, combining electromagnetic transformers with partially rated capacity converters. However, the tight electromagnetic coupling of HTs results in current overloads when compensating for voltage sags, limiting the full utilization of their rated compensation capacity. Furthermore, this overload increases as voltage sag deepens. These unique current overload aspects are crucial for HTs to fully utilize their voltage regulation capability in practical applications. In this article, the current overload characteristics and influencing factors of HTs are discussed. Based on this, a coordinated optimization of hardware and software components is proposed in light of their electromagnetic coupling feature. The performances of optimized topology selection and operation mode are verified by simulation cases separately and evaluated by a current overload index quantitatively, decreased by 59% and 66%, respectively. The enhanced current overload method is verified with an 800-ms three-times-module-rated-current overcurrent ride-through experiment. These improvement help meet the HT current overload requirements including those in the LVRT process.
S
SunView 深度解读
从阳光电源业务视角来看，该论文探讨的混合变压器（HT）电流过载优化技术具有重要的战略价值。随着我司光伏逆变器和储能系统在全球电网中的大规模部署，电网电压暂降场景下的低电压穿越（LVRT）能力已成为并网设备的核心技术指标。
该研究揭示的混合变压器电流过载机理与我司产品面临的挑战高度契合。在集中式光伏电站和大型储能项目中，电网电压跌落时，传统解决方案往往需要过度配置功率器件容量以应对瞬态过流，这直接增加了系统成本和体积。论文提出的硬件拓扑优化与软件运行模式协同优化方法，通过降低59%和66%的电流过载指数，为我司开发新一代高性价比并网设备提供了理论支撑。
技术成熟度方面，该研究已完成800毫秒三倍额定电流的实验验证，表明技术已接近工程应用阶段。对于阳光电源而言，这项技术可直接应用于以下场景：一是优化1500V光伏系统的电压调节性能，提升弱电网适应性；二是增强储能变流器（PCS）的电网支撑能力，满足新型电力系统对灵活性资源的要求；三是在光储一体化解决方案中实现更紧凑的设备设计。
主要技术挑战在于混合变压器的电磁耦合特性需要与我司现有逆变器拓扑深度融合，这要求在磁性元件设计、功率半导体选型和控制算法等方面进行系统性创新。但这也为我司在高端电网友好型设备市场建立技术壁垒提供了机遇，特别是在欧洲、澳洲等电网规范严格的区域市场。建议启动预研项目，重点评估该技术与我司X系列逆变器平台的集成可行性。