為減小移動(dòng)變電站中主變壓器的體積和質(zhì)量，提高移動(dòng)變電站的高壓側(cè)電能質(zhì)量，國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院、河南平高電氣股份有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員高美金、狄謙、王婷婷、黃江倩、孟凡剛，在2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種用于移動(dòng)變電站的固態(tài)變壓器拓?fù)洹?/p>

　　仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用固態(tài)變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工頻主變壓器后，主變壓器體積減小了三分之二，其體積和質(zhì)量得到顯著降低;使用所設(shè)計(jì)的三相五芯柱變壓器作為移相變壓器后，固態(tài)變壓器的輸入電流總諧波畸變率(THD)值由22%降到了16%，有效提高了移動(dòng)變電站的電能質(zhì)量。

　　移動(dòng)變電站具有容量配置和選址靈活、快速移動(dòng)性、結(jié)構(gòu)緊湊、可快速并網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效彌補(bǔ)地區(qū)性、時(shí)段性的電力供應(yīng)不足，在事故搶修、自然災(zāi)害救援、變電站負(fù)荷轉(zhuǎn)供、鐵路牽引等場(chǎng)合得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。主變壓器容量大(功率密度低)及大量一次設(shè)備和二次設(shè)備導(dǎo)致的移動(dòng)變電站整體體積大(超寬、超重、超高)等不足一直影響著移動(dòng)變電站的現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)。

　　現(xiàn)有移動(dòng)變電站包括主變壓器模塊、自動(dòng)控制保護(hù)模塊、中壓配電模塊及運(yùn)輸車輛等�？紤]運(yùn)輸和安裝方便性的要求，移動(dòng)變電站各組成部分要盡可能小型化、模塊化，尤其是主變壓器的小型化。主變壓器工作在工頻狀態(tài)，在大功率場(chǎng)合，其鐵心體積大，是導(dǎo)致移動(dòng)變電站整體體積大的主要原因。

　　在保證容量的前提下，主變壓器的小型化和緊湊化設(shè)計(jì)可以減輕其質(zhì)量和壓縮其占用的空間。近年來(lái)，有學(xué)者提出了使用自耦變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隔離型主變，自耦變壓器各繞組之間交互連接，通過(guò)磁耦合傳遞的功率僅占負(fù)載功率的一小部分，這會(huì)顯著降低變壓器的體積和容量。

　　但是，自耦變壓器的輸入與輸出端之間沒(méi)有電氣隔離，當(dāng)其應(yīng)用于輸出與輸入電壓等級(jí)差別比較大的場(chǎng)合時(shí)，會(huì)存在安全問(wèn)題。另一方面，傳統(tǒng)主變壓器功能單一，僅有電壓等級(jí)變換和電氣隔離功能。為實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量管理，移動(dòng)變電站需配備電能質(zhì)量控制裝置，如交流側(cè)無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制裝置，這也增加了移動(dòng)變電站的體積和質(zhì)量。

　　固態(tài)變壓器集成了電力電子變換器和高頻變壓器，不僅具有傳統(tǒng)交流變壓器的電壓等級(jí)變換和電氣隔離功能，同時(shí)具有交流側(cè)無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制、可再生能源/儲(chǔ)能設(shè)備直接接入、端口間故障隔離等功能。

　　與集成了工頻變壓器及電能質(zhì)量治理功能的傳統(tǒng)移動(dòng)變電站相比，固態(tài)變壓器在效率、成本、功率密度和電能質(zhì)量管理等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，特別適用于移動(dòng)變電站�，F(xiàn)有三相高頻隔離變壓器與電力電子變換器相結(jié)合組成固態(tài)變壓器時(shí)，由于磁路和電路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，導(dǎo)致固態(tài)變壓器輸入電能質(zhì)量較低。

　　為此，國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院等單位的科研人員提出了一種應(yīng)用于移動(dòng)變電站的固態(tài)變壓器拓?fù)�，使用該拓�(fù)洌�可顯著降低主變壓器的體積和質(zhì)量，并可以提高移動(dòng)變電站的輸入側(cè)電能質(zhì)量。

圖1 基于固態(tài)變壓器的移動(dòng)變電站拓?fù)?/p>

　　該固態(tài)變壓器包含AC-AC變換器、高頻多脈波整流器、工頻逆變器等三部分組成。為提高固態(tài)變壓器的輸入電能質(zhì)量，高頻多脈波整流器使用三相五芯柱隔離變壓器作為移相變壓器，有效提高了變壓器的磁路對(duì)稱性;該變壓器的二次繞組采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，有效提高了變壓器的電路對(duì)稱性。同時(shí)，為提高固態(tài)變壓器的能量變換效率，AC-AC變換器中功率開(kāi)關(guān)器件使用了SiC MOSFET。

圖2 移相變壓器和工頻變壓器實(shí)物

圖3 固態(tài)變壓器的效率實(shí)測(cè)圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用三相五芯柱移相變壓器后，固態(tài)變壓器的輸入電流THD值由22%降到了16%，能量變換效率達(dá)到了94.9%。

　　由于實(shí)驗(yàn)條件所限，本文所設(shè)計(jì)的固態(tài)變壓器容量較小，僅進(jìn)行了功能性測(cè)試，后續(xù)工作中需設(shè)計(jì)大容量的固態(tài)變壓器，并對(duì)級(jí)聯(lián)形式的AC-AC變換器的控制策略、高頻多脈波整流器中的高頻變壓器等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　以上研究成果發(fā)表在2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于固態(tài)變壓器的移動(dòng)變電站綜合性能提升方法”，作者為高美金、狄謙 等。