1000kV串联式标准TV的量值溯源及稳定性

为了研究1000 kV串联式标准电压互感器(SSTV)的误差性能,使其满足特高压电网建设中开展电压量值溯源及传递工作的需要,通过分析1000 kV SSTV的结构特点及误差原理,提出半绝缘互感器电压加法溯源的方法。试验结果表明,采用该方法与传统的电压系数法对同一台1000 kV SSTV进行量值溯源测量的一致性优于3×10-5。并基于数学模型和试验数据,分析了1000 kV SSTV的误差性能受杂散电容的影响。结果表明,杂散电容对误差的影响量<4×10-6。

1000kV串联式标准电压互感器的研制

为了满足在1000kV级特高压电网建设中开展工频电压量值溯源及量值传递工作的需要,对一种基于工频电压加法原理的1000kV串联式标准电压互感器(TV)结构进行了设计,并建立了相关的数学模型。考虑到由于高压隔离互感器(HVIT)绝缘距离的存在而引入的大漏感量严重影响了其准确度,特采用了在HVIT一次侧串联电容的方式对漏感抗进行补偿的方法,大大提高HVIT的准确度。针对上、下级结构电容相差太大而导致的分压不均问题,通过在上级并联高压电容器的方法加以解决,并通过有限元分析对电场进行了仿真计算,验证了设计的可行性。与传统的电磁式标准电压互感器相比,该设计在满足相关规程规定的工频耐压与准确度要求的前提下大大降低了单台互感器的体积、质量及绝缘要求,为开展频繁的现场检定工作创造了条件。

UHV串联式TV高压隔离部分的有限元分析及优化

用于超高压和特高压的电压互感器可采用多台电压互感器在一次侧和二次侧串联实现,一次绕组的串联结构与传统的串级结构相似,二次侧的串联结构需要使用高压隔离电压互感器,目前这种互感器还没有设计的经验。为此以1 000 kV串联式标准电压互感器为例,用有限元分析软件ANSYS对高压隔离互感器的三维电场分布进行了数值模拟计算和性能优化。结果表明,基于有限元法的数值模拟是分析和设计串联式电压互感器的有效手段,经优化设计后的高压隔离互感器能够同时满足绝缘和精度方面的要求,优化结果为更高电压等级的串联式电压互感器的设计和制造提供了可靠的、科学的数据。

用于柔性直流配电的高频链直流固态变压器

提出直流固态变压器(DC solid state transformer,DCSST)将作为柔性直流配网中的关键环节,以实现高压直流配电和低压直流微电网间电压和功率的灵活控制和快速管理。文中给出一种基于高频隔离的双向DCSST方案,其具有与传统隔离双向DC/DC变换器类似的传输功率模型;串联端的电压平衡与并联端的功率平衡等价;并且较易实现分布式、模块化和即插即用的软硬件结构。文中给出DCSST的拓扑结构、工作模式、传输功率特性、控制和管理策略、设计和实现方法;在此基础上,基于SiC功率器件,搭建用于柔性直流配网的DCSST样机,验证控制和设计方法的正确性和有效性。随着柔性直流输配电的快速推广,DCSST具有较大的应用前景。

500kV固态Marx发生器IGBT多路驱动高压隔离供电电源的设计

为了解决固态Marx发生器中IGBT驱动供电问题,提出了一种具有高电压隔离的多路供电电源设计,首先对IGBT开关驱动供电的需求进行了分析,提出了供电电源设计方法,采用直交直转换供电方式,隔离使用级联变压器与原边多匝变压器。经过多次试验,验证了该设计方法可行,最后介绍了电源悬浮供电的特殊工作模式与关键技术工艺,并给出了实验数据波形,结果说明该种结构的电源性能稳定,满足隔离供电的要求,并且有良好的应用前景。

一种基于损耗模型的双有源桥DC-DC变换器效率优化方法

对双有源桥DC-DC变换器(DAB)系统中的各部分损耗进行建模,并依据此模型,以提升效率为目标,对DAB系统进行优化设计。首先,介绍单移相调制策略下的DAB工作原理,并推导漏电感电流有效值的解析表达式。为突出DAB的电流波形特征,引入电压转换比的概念,这一概念与变压器匝比相关。然后,介绍损耗建模方法。DAB系统的损耗主要分为两部分,一部分源于半导体器件;另一部分源于高频隔离变压器及电感。两者的损耗数值不仅由本身的材料特性决定,同时与运行工况紧密相关,如传输功率、电压、电流等。将单移相调制下的DAB电流、电压波形特征,与器件和变压器的本身特性结合考虑,解析建立DAB的稳态损耗模型。并在此基础上,通过数值计算的方法,对电压转换比进行优化设计,同时优化移相比的选择,增强软硬件的适配性,提升DAB的整体效率。最后,通过实验对所建损耗模型及优化方法进行了验证。

20kV/20kHz/100A高压脉冲源设计

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为开关的高压脉冲电源。采用自匹配传输线结构线路形式,串联多个以光纤信号隔离触发的MOSFET作为高耐压开关,在传输线的外皮产生2个纳秒脉冲,再用传输线变压器对2个纳秒脉冲进行功率合成,在200Ω负载上输出了幅度20kV,重复频率20kHz,脉冲宽度约40ns的脉冲。分析脉冲源装置结构,对实验装置建立仿真模型,阐述了输出波形畸变的原因,给出了影响输出脉冲波形特性的因素,为下一步优化波形工作提供了理论参考。

特高压标准电压互感器一体化装置的紧凑化设计及关键技术研究

为了确保特高压工程跨电网、跨区域电能计量的准确可靠,促使发电、输电及用电三方的利益得到明确和保证,解决特高压交流电网中电容式电压互感器(CVT)误差特性的现场校准试验难题,研制了一种特高压标准电压互感器一体化装置。基于工频电压加法原理,采用特殊的罐式结构紧凑化设计思路,将特高压电压互感器标准电压互感器设计成上下两级GIS单元,缩小了装置的体积和重量,以适应特高压互感器现场校验车的装载。通过理论计算确定罐体尺寸及材料,使用电磁场仿真软件对隔离互感器进行3D建模及优化设计。样机的测试结果表明,特高压电压互感器一体化标准电压互感器装置的工频耐受电压为630 kV,准确度等级0.05级,满足特高压现场试验需求。

串补隔离开关操作引起二次设备故障分析

串补隔离开关在操作空载串补平台时,产生特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO),与传统的VFTO相比,具有电弧电流大,弧隙电压大,去游离时间长等特点。由于VFTO频率与载波设备的调制频率基本一致,导致VFTO从电压互感器耦合到二次设备,引起二次设备异常甚至损坏。对串补、隔离开关、电压互感器、二次设备等建立理论分析模型,找出隔离开关操作对载波设备干扰的主要耦合路径。结合贺州串补操作导致串补采样模块、载波设备异常等现象,找出故障原因,提出应提高载波设备过压保护器MOV的容量,增大引线端子等设计建议及运维注意事项。

抗高压脉冲高稳定度灯丝电源

着重讨论如何解决当某大功率装置的大电流开关动作时,灯丝电源装置抗30kV的高压反馈脉冲的冲击问题,通过抗高压和强电流冲击的设计,以低压电源为大电流开关的灯丝提供高稳定度的电源输出;以高压隔离变压器来隔离高压触发反馈脉冲通过电源对周围仪器的影响;用扼流圈来阻遏反馈高压峰电流的流入,有效地减少了大功率装置放电后的瞬时强电流对灯丝加热电源的损害;在高压强流环境中,为大电流开关灯丝的加热提供了可靠的抗高压强流的直流加热电源。

基于MMC的DC/DC变换器的研究综述

随着国内外大力发展直流电网以支持可再生能源并网,DC/DC变换器作为直流电网的关键设备,它的研制成为目前亟需解决的技术问题。模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)具有扩展性好、输出电压波形质量高、开关频率低、损耗小等优点,将MMC技术应用于DC/DC变换器已成为近年来的研究热点。论文在阐述MMC拓扑结构和工作原理的基础上,总结了国内外提出的各类MMC-DC/DC变换器的拓扑结构、特点以及应用场合,并指出了MMCDC/DC变换器亟待研究的关键问题,所述内容为未来MMC-DC/DC变换器的改进研究和工程化应用提供了一定的技术参考。

混合高增益隔离双向DC/DC变换器仿真设计

双向DC/DC变换器在分布式电源系统中具有重要的桥接功能,为了提高电压变换的带宽与转换性能,设计了混合高增益隔离双向DC/DC变换器。变换器的电路拓扑采用半桥结构,较全桥降低了近一半的器件与损耗。拓扑中采用高频变压器,将输入与输出进行电气隔离,提升安全性。对于变压器引入的漏感能量,采用在输入与输出侧加电容方式进行过滤。在升压与降压模式中,分别对应了八种模态,利用驱动控制各模态下开关管的工作状态,从而保证其在任何一种模式下都有一组开关管实现零电压开通。通过搭建仿真系统,验证了设计的混合高增益隔离双向DC/DC变换器具有更好的增益可调性,零电压开通有效降低了电路中的开关损耗,从而显著提升了DC/DC变换效率。

灯丝电源抗30kV高压反馈脉冲的可靠性设计

本文着重讨论如何解决当某大功率装置的大电流开关动作时,灯丝电源装置抗30kV的高压反馈脉冲的冲击的问题,通过可靠性改进措施,在高压强流环境(尤其是单次高压强流环境)中,为大电流开关灯丝的加热提供了可靠的抗高压强流冲击的直流加热电源。

抗30kV高压反馈脉冲的灯丝电源设计

通过采用高压隔离变压器和大功率脉冲扼流圈等措施,解决了某大功率装置的大电流开关动作时,灯丝电源装置抗30 kV高压反馈脉冲的冲击问题,为大电流开关的灯丝加热提供了4路独立可调、高稳定度输出的电源。

GaN功率器件栅驱动电路技术综述

第三代宽禁带半导体GaN晶体管具有低导通阻抗、低寄生参数和更快的开关速度,有望取代传统Si MOSFET,成为未来高性能电源系统实现方案。GaN器件的优势在400 V以上高压系统中更为明显,可以实现更高的开关频率和功率密度,显著提高系统的转换效率,特别适合电源模块小型化发展趋势。介绍了200 V以下低压GaN驱动电路的应用和关键技术。分析了从低压系统拓展到400 V以上高压系统时需要作出的优化与改进。详细介绍了高压GaN系统中基于无磁芯变压器耦合隔离的隔离驱动技术和耗尽型GaN负压栅驱动技术。最后,总结了目前高压GaN驱动电路在工业领域的具体应用。

基于磁集成变压器的光伏电站直流并网

针对光伏电站直流并网系统中存在的升压比较低,各光伏单元输出变化时复杂的功率控制和电压平衡问题,提出了一种基于磁集成变压器(magnetic integrated transformer,MIT)的光伏电站直流并网拓扑方案。首先给出系统拓扑结构、设计了MIT参数和功率控制策略,通过Boost电路和磁集成变压器的双重升压,使光伏电站能够输出高压直流;并实现电压和功率的灵活控制。然后建立了系统数学模型,在稳态和暂态下进行了仿真分析。仿真结果验证了所提出并网方案和控制策略的可行性和有效性。

200 kV直流断路器用隔离供能变压器均压设计

隔离供能变压器是高压直流断路器获取能量的核心设备,用于将地电位电能传输至高压直流极线中直流断路器,以保障直流断路器可靠稳定运行。该文介绍的200 kV直流高压隔离供能变压器由4个50 kV变压器级联而成。由于分布电容的存在,极线额定直流电压及冲击暂态过电压不均匀施加在4个变压器上,增加了单个变压器绝缘失效风险。为解决上述问题,该文对高压直流隔离供能变压器进行了电路分析,提取了分布电容参数,完成了均压方案设计及参数配置。在此基础上,通过仿真分析及试验验证均压方案设计将四级隔离变压器承受电压百分比偏差控制在±5%以内。研究结果表明,采用200 M?电阻与1 nF电容并联的均压方式,满足高压直流隔离变压器工程设计和运行要求。

功率单向传输的多绕组共铁芯磁集成高频隔离变换器

针对三相高频隔离中高压变频器如何高效率、高功率密度地实现高频隔离DC-DC变换环节,讨论了一种多绕组共铁芯磁集成高频隔离功率单向传输的DC-DC变换器拓扑。该变换器由多绕组共铁芯磁集成变压器、多个全控H桥逆变器和二极管桥整流器构成,可实现负载不平衡时输出直流电压稳定平衡。在分析该变换器的拓扑结构及其功率特性的基础上给出了更加简单的控制策略。仿真和实验结果验证了所给拓扑和控制策略的正确性。

500 kV变压器地震易损性分析

变压器作为电力系统中的关键设备,其在地震作用下的易损性较高。为了对变压器的地震易损性进行评估,文中建立了某500 kV变压器的精细化有限元模型,通过模态及地震响应分析确定了变压器的抗震薄弱位置及关键响应,并以关键响应水平为失效判据,选取30条天然地震动对变压器进行地震易损性分析,采用对数正态分布拟合得到地震易损性曲线。针对变压器抗震薄弱位置,提出基底布置摩擦摆隔震支座的方法对其抗震性能进行提升优化。结果表明:高压套管为设备薄弱位置,关键响应为套管根部弯矩响应和顶部位移响应,相应的设备失效模式以根部强度破坏与顶部牵拉破坏为主,其中由于变压器整体重心偏向A相高压套管,导致其失效概率高于其他相套管。地震作用下,高压套管发生根部强度破坏的概率高于牵拉破坏,在基底布置摩擦摆支座后,套管根部弯矩响应得到大幅降低,并且顶部位移响应增大幅度较小,几乎可以忽略隔震支座对套管顶部位移的放大作用。变压器高压套管具有较高的地震易损性,在抗震提升措施中,建议采取摩擦摆支座基底隔震方法来降低套管的地震易损性。

基于电力电子变压器隔离变压的复合矿用变频器

目前矿用变频器与工频变压器分离放置,占用过多井下工作空间,且变频器输出电压谐波含量高、波形质量差。针对上述问题,分析了变压器工作频率与体积的理论关系,得出在传输功率相同的情况下,与工频变压器相比,高频变压器的尺寸更精简,体积更小,功率密度更高。用电力电子变压器(包含高频变压器的DC-DC变换器)取代常见拓扑中的中间滤波电容,提出了一种基于电力电子变压器隔离变压的复合矿用变频器拓扑结构,该拓扑中全控型开关器件IGBT的数量仅为全部功率器件数量的一半,变频器结构更紧凑、体积更小,且减少了开关损耗,降低了硬件复杂度和生产成本,提升了效率和可靠性。给出了该拓扑中三相整流输入级、中间隔离变压传输级和三相变频输出级的控制策略,采用120°坐标系下快速空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法控制输出级,以输出理想的可变频三相对称正弦交流电压。通过仿真和实验分析该变频器各级的稳态和动态特性,结果表明:该变频器可实现变频输出及电压等级的二次变换,输出调压范围更灵活;120°坐标系下快速SVPWM算法降低了输出电压谐波含量,输出的三相电压波形良好。