固态变压器模型分析

孙忠鸣++张海燕++郭建++宋飞宇++宋治楷

摘 要：固态变压器又称电力电子变压器（SST），能有效管理分布式可再生能源。详细分析了基于6.5 kV硅IGBT的级联多电平第一代固态变压器、基于15 kV碳化硅MOSFET的第二代固态变压器、基于碳化硅功率模块和无线电力传送的第三代固态变压器模型。

关键词：固态变压器；能源互联网；整流器；高频变压器

中图分类号：TM41 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.092

美国北卡罗莱纳州立大学的FREEDM中心提出了能源互联网，其整个系统的核心设备是固态变压器，被称之为能源路由器，主要作用为有效管理分布式可再生能源。

固态变压器的主要优点为体积小、质量轻，具备瞬时电压调整、电压下降补偿、故障隔离、功率因数校正、谐波隔离和直流输出等功能。

1 第一代固态变压器

2008年，FREEDM中心已经开始研究基于6.5 kV的IGBT固态变压器。

1.1 AC/DC整流器设计

整流器包括滤波电感以及由3个全桥整流器和3个滤波电容构成的高压侧直流母线。其等效状态方程为：

. （1）

式（1）中：va和ia为交流电网的电压和电流；da为等效共同占空比；vc为直流侧的电压。

1.2 双主动桥分析和变压器设计

双主动桥即直流-直流变换器，含有高频变压器，其等效状态方程为：

. （2）

式（2）中：变压器的匝比n=Np/Ns；d为等效占空比；fs为开关频率；vc1和vc2为双主动桥输入、输出侧的直流母线电容电压。

在设计高频变压器时，为了使其性能达到最佳，还需要考虑2个非常重要的问题，即双主动桥中的变压器漏感问题和各部件之间可能发生的击穿问题。通常情况下，高频变压器可以选用多种磁芯材料，比如硅钢、纳米晶体和非晶态合金等。

1.3 逆变器设计

逆变器的开关模型与整流器类似，其状态方程如下

. （3）

式（3）中：vin为输入端的电压；v0为逆变输出端的电压；iL为输出侧的电感电流。

2 第二代固态变压器

由于第一代固态变压器使用了大量的功率器件和级联结构，因此，具有效率低、体积大的特点。而新的固态变压器的体积更小、质量更轻、效率更高。

2.1 AC/DC整流器设计

固态变压器整流级的前端直接与配电网相连，可将正弦交流电变为直流电。为了实现电力的双向流动，固态变压器整流级拓扑带有4个功率器件的全桥电路，因此，它可以控制交流输入电压和输入电流的相位。

2.2 双半桥分析和变压器设计

由于固态变压器会输入高电压和低电流，因此，需要考虑SiC MOSFET的电流能力，双主动桥可改变成双半桥。双半桥的一个桥臂上有两个串联电容，能阻断磁化电流的直流分量，并能自动平衡变压器的通量。

双半桥的输出功率为：

. （4）

式（4）中：vin和vout分别为输入和输出电压；f为开关频率；Le为变压器漏电感；φ为相移角度。

固态变压器中的高频变压器设计存在2个问题，即高压隔离和漏感对电力传输的影响。此外，变压器的形状、匝数和线圈缠绕方式都会影响漏感和磁化电感。

3 第三代固态变压器

第三代固态变压器的设计目标为提高能源利用效率和隔离能力，并创新混合碳化硅半导体模块和变压器。第三代固态变压器设计中存在的问题有以下3个：①较难设计出可靠性高、成本较低的高压电源；②变压器的隔离问题；③高压模式下多回路控制的鲁棒性是设计中的关键问题。

4 结束语

固态变压器具有传统变压器所不具备的强大功能，将逐渐取代传统的固态变压器。本文分析了三代固态变压器的模型，并给出了目前国际上关于固态变压器的最新研究现状及发展方向。

〔编辑：张思楠〕