基于大容量高频变压器的10kV柔性开闭所供电拓扑及应用场景研究

国网上海青浦供电公司 肖远兵 周 珺 颜华敏 卢婧婧

电气设备的升级是新型电力系统的重要内容之一。近年来，传统变压器一系列的自身缺陷在配电网系统的应用中逐渐暴露。相对于传统变压器，高频电力电子变压器基于柔性电力电子技术具备有功、无功独立可控，运行方式灵活的特征，具备解决城市电网分区运行区域供电能力不足、无法有效均衡负载、区域可靠性不足等问题的能力，对新型电力系统的适应性更强，我国亟须将高频电力电子变压器运用于电力系统中。

随着电力电子变压器不断向大容量高频发展，目前大容量高频变压器已可示范运用于10kV 开闭所中。在常规供电模式下，同一座开闭所的多座变压器间由于并环点在不同电压幅值、相位下强行并环，会产生较大环流，因此大多采用设置合环点但运行时不合环运行的供电模式，在这种供电拓扑结构下，即使采用高频变压器开闭所中的多座变压器不具备柔性互联、功率互济功能。因此，针对高频变压器的技术特点需要对10kV 柔性开闭所重新进行供电拓扑设计。

对于采用大容量高频变压器的变电站，可通过供电拓扑的设计达到不同应用场景的功能实现目的。本文对基于大容量高频变压器对10kV 柔性开闭所供电拓扑及应用场景进行研究。

1 高频电力电子变压器原理及应用于10kV 开闭所的优势

1.1 高频电力电子变压器原理概述

高频变压器在供电系统中，通常结合电力电子技术形成高频电力电子变压器（PET）实现灵活的变电功能，其拓扑结构可以根据电能变换的次数分为三类[1]：单级型、双级型和三级型，其中双级型结构又可分为具有高压直流环节和具有低压直流环节两种，如图1所示。

图1 高频电力电子变压器拓扑结构分类

单级型PET 的工作原理为：输入的工频交流电压在高频变压器的原边直接被调制为高频交流电压，耦合到副边后再直接被还原为工频交流电压。

双级型PET 结构可分为具有高压直流环节和具有低压直流环节两种。其中，具有高压直流环节PET 的工作原理是将工频高压交流电整流为高压直流后，经过含有高频降压变压器的隔离型逆变器转换为低压交流。具有低压直流环节的PET 工作原理相似，只是先通过隔离型整流器将工频高压交流电转换为低压直流，再逆变为低压交流。

三级结构PET 的工作原理为：工频交流电压经过AC/DC 变换器整流后变为直流，再通过一个含有高频变压器的DC/DC 变换器进行直流变压，最后经DC/AC 逆变为所需的交流电压。

其中，三级结构PET 结构的PET 变换次数多，结构复杂，但其良好的控制特性可使PET 实现的功能更多，应用的范围更广。而且与单级结构相比，三级型PET 具有的低压直流环节可以整合能量存储设备来提高PET 的穿越能力，并能为分布式发电的接入提供接口，也可为电动汽车等直流充电。

1.2 高频变压器在10kV 开闭所中的优势与作用

随着对高频变压器研究，高频变压器的容量目前已达到1MVA 级别[2]，规模已达到10kV 变电站的一般容量规格，可应用于10kV 开闭所，相较于传统变压器，高频变压器具备更多技术优势，在10kV开闭所也能发挥更多作用，具体如下。

一是高频变压器的供电稳定性高。高频变压器运行时，副边电压幅值不随负载的变化而变化，其输出提供更加稳定的电能，还能灵活控制一次侧功率因数。在10kV 开闭所中，可通过控制高频变压器一次侧功率因数实现调节多变压器负载率的目的。

二是高频变压器的供电质量有保证。高频变压器在变压、隔离、传输电能的同时可以消除网侧电压波动、电压波形失真等影响，可以保证原边电压电流和副边电压为正弦波，变压器在负担变换、隔离电压的基础功能下，承担大部分谐波和无功补偿工作，使系统网侧电能质量得到充分的优化和提升。在10kV 开闭所中，采用高频变压器能够减少滤波器或无功补偿器配置。

三是高频变压器方便交直流电气设备的接入。高频变压器变流环节提供方便的交直流接口，既可以满足传统交流元件的并网，又可以适应多种交直流可控元件的接入。在10kV 开闭所中，采用高频变压器能够方便光伏发电、风力发电和电动汽车等多种交直流元件接入，同时降低系统中交直流变换器配置规模。

2 10kV 开闭所供电拓扑结构研究

由于大容量高频电力电子变压器相比于传统变压器，造价略高且占地面积略大，在进行供电拓扑结构设计时，出于控制成本和占地面积的角度考虑，10kV 开闭所通常采用高频电力电子变压器与传统变压器配合的方式实现目标功能。

2.1 常规10kV 开闭所供电拓扑存在的问题

常规10kV 开闭所供电拓扑如图2所示，正常运行时，2段10kV 母线分别为2段400V 母线供电。该供电拓扑存在的问题为：即使采用高频变压器，在正常运行情况下母线间仍无法进行功率交换，另外在为直流负荷供电时，需额外配备AC/DC 变换器。

图2 常规10kV 开闭所供电拓扑

该供电拓扑不适用于高频变压器充分发挥其技术作用，仅对区域供电可靠性要求较低且无负载均衡需求（如站内多台变压器负载率均较低）的地区，出于节省投资成本的目的才具备一定应用价值。

2.2 低压交流侧母线互联的10kV柔性开闭所供电拓扑

低压交流侧母线互联的10kV 柔性开闭所供电拓扑如图3所示，通过调节高频变压器的功率因数，可以实现2个变压器的功率互济，图中绿色与蓝色箭头分别2个变压器的功率互济方向。将大容量高频变压器运用于10kV 开闭所后，为保证系统运行时多源点的频率相角能够匹配合环运行，可将传统交流变压器产生的AC400V 作为主参考点，利用高频变压器跟踪调节能力，根据此电压来进行主从运行模式运行，最终实现合环。该供电拓扑的优势在于实现400V 侧2段母线间功率互补互济，提高了开闭所供电可靠性，同时为直流负荷供电时，可利用高频变压器直流侧直接为负荷供电，无须配备变换器。

图3 低压交流侧母线互联的10kV 柔性开闭所供电拓扑

2.3 低压交直流侧柔性互联的10kV柔性开闭所供电拓扑

低压交直流侧柔性互联的10kV 柔性开闭所供电拓扑如图4所示，将大容量高频变压器运用于10kV 开闭所后，将高频变压器750V 直流侧与传统变压器400V 交流侧通过双向变流器进行连接，实现交直流侧柔性互联、功率互济。该供电拓扑的优势在于不仅实现了2台变压器的功率互济，同时直流侧电源也可以通过双向变流器/高频变压器为2段400V 母线灵活供电。劣势在于相较低压交流侧母线互联的10kV 柔性开闭所供电拓扑额外配备双向变换器，投资成本最高。该供电拓扑适用于对区域供电可靠性要求较高，直流侧新能源电源规模较高，有负载均衡需求的情况。

图4 低压交直流侧柔性联的10kV 柔性开闭所供电拓扑

3 10kV 开闭所供电拓扑的应用场景

通过分析10kV 开闭所供电拓扑的优势与劣势，现对10kV 开闭所各应用场景的供电拓扑选择进行分析。

3.1 城市大型商务区

城市大型商务区是城市的经济中心，该类地区对供电可靠性的要求较高，且区域内商场、综合广场等楼宇具备大量直流负荷，但由于该地区的楼宇呈多而密集的形式，故较难开展大规模的分布式电源项目。城市大型商务区适合采用低压交流侧母线互联的10kV 柔性开闭所供电拓扑，能够满足该区域的高可靠性及直流负荷接入需求。

3.2 大型工业园区

大型工业园区是区域的生产中心，区域内通常包含大量工业厂房，工业厂房顶部的屋顶面积较大，适合开展分布式光伏项目，不少厂区也会配置一定规模的储能用于为新能源电源的发电功率削峰填谷。大型工业园区适合采用低压交直流侧柔性互联的10kV 柔性开闭所供电拓扑，在满足高可靠性及直流负荷接入需求的情况下，助力新能源电源为区域内用户灵活供电。

3.3 光储充电站

在新能源汽车蓬勃发展的今天，充电基础设施的建设也在逐步加快，在碳中和的大背景下，涵盖“光伏+储能+充电”的超级充电站备受地方政府青睐，项目的光伏、储能及充电桩（直流负荷）通常均具有一定规模。光储充电站适合采用低压交直流侧柔性互联的10kV 柔性开闭所供电拓扑，在满足高可靠性及充电接入需求的情况下使光伏的供电方式更加灵活。

综上所述，本文提出两种基于大容量高频变压器的10kV 柔性开闭所的供电拓扑，并对该两种供电拓扑及10kV 开闭所常规供电拓扑的应用场景进行研究。研究结果表明，根据供电区域的可靠性、直流电源和负荷规模、负载均衡需求情况等因素，各类供电拓扑结构均存在适合的应用场景，本文解决了新型电力系统下10kV 开闭所的供电拓扑结构选择的问题。