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混合式配電變壓器（Hybrid Distribution Transformer,HDT）是對(duì)傳統(tǒng)配電變壓器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并將脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）變換器接入其中的一類新型配電變壓器。借助PWM變換器靈活的控制功能可以使配電變壓器不再僅限于電壓等級(jí)變換與電能傳輸。具體而言，通過PWM變換器對(duì)配電變壓器的部分傳輸功率進(jìn)行調(diào)控，HDT能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電流及負(fù)載電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，這對(duì)于構(gòu)建未來主動(dòng)配電網(wǎng)具有重要意義。

由于PWM變換器及變壓器的電路拓?fù)浜吐?lián)結(jié)方式種類有很多，因而HDT的種類也很豐富。有學(xué)者采用AC-AC變換器提出無直流環(huán)節(jié)HDT，并對(duì)其基本原理、建模分析和功能驗(yàn)證進(jìn)行了詳細(xì)說明。此類HDT的主要優(yōu)點(diǎn)在于無需使用直流母線電容，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，經(jīng)濟(jì)性好。

但此類HDT沒有電流補(bǔ)償能力，其功能主要在于電壓幅值的調(diào)節(jié)，而對(duì)于電壓相位控制則明顯不足。此外，相比具備直流環(huán)節(jié)的電壓源型變換器，AC-AC變換器難以通過續(xù)流二極管進(jìn)行自然換流，因而往往還需要附加一些比較復(fù)雜的輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)可靠換流，這會(huì)使HDT系統(tǒng)整體更為復(fù)雜，成本更高，進(jìn)而使得此類HDT大規(guī)模推廣應(yīng)用比較困難。

為此，業(yè)內(nèi)有學(xué)者給出了多種基于AC-DC-AC變換器的HDT的配置方案，并初步實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的控制功能。但總體來講，目前的方案存在以下缺陷：

（1）HDT的配置方案往往不含隔離變壓器，這導(dǎo)致三相場(chǎng)合的HDT中用于負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)淖儞Q器往往需要采用三個(gè)單相全橋變換器，這顯然會(huì)大大增加HDT變換器的復(fù)雜程度，并導(dǎo)致控制復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性降低。此外，因?yàn)闆]有隔離變壓器，HDT的AC-DC-AC變換器公共直流母線的額定電壓完全由所在配電網(wǎng)場(chǎng)景的補(bǔ)償深度決定，此時(shí)變換器功率器件的選型范圍往往很窄。

具體來講，如果電壓控制變換器位于配電網(wǎng)高壓側(cè)，必然導(dǎo)致變換器直流母線額定電壓很高。而如果電壓控制變換器位于配電網(wǎng)低壓側(cè)，直流母線額定電壓很低，從而使得電流控制變換器的電流很大。這導(dǎo)致一大部分技術(shù)成熟、性價(jià)比很高的功率器件因電壓或電流等級(jí)不符合現(xiàn)場(chǎng)要求而無法被采用，此時(shí)不僅器件選型困難，而且HDT系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性及可靠性均很低。

（2）將用于控制負(fù)載電壓的變換器單元配置在配電網(wǎng)低壓側(cè)不利于充分發(fā)揮HDT的控制功能。由于配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)主要發(fā)生在高壓側(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致二次側(cè)負(fù)載電壓發(fā)生波動(dòng)，若將變換器單元整體布置于配電網(wǎng)低壓側(cè)，只能抑制配電網(wǎng)電壓負(fù)載側(cè)的電壓波動(dòng)，而無法抑制HDT一次繞組及控制繞組電壓的波動(dòng)。

此時(shí)，在設(shè)計(jì)HDT的變壓器本體時(shí)，必須增大鐵心面積以避免電網(wǎng)電壓變高而導(dǎo)致的鐵心飽和。而且當(dāng)電網(wǎng)電壓突變時(shí)，控制繞組也會(huì)發(fā)生電壓突變，這必然會(huì)影響HDT對(duì)電網(wǎng)電流的補(bǔ)償效果。

（3）能應(yīng)用于實(shí)際配電網(wǎng)場(chǎng)景的三相HDT電路拓?fù)溲芯枯^少，十分不利于HDT的產(chǎn)業(yè)化推廣。

（4）對(duì)于HDT的原理分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，缺乏比較直觀準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型，這導(dǎo)致目前關(guān)于HDT工作原理的分析大多局限于定性說明，給HDT控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來不便。

西安交通大學(xué)研究人員基于在傳統(tǒng)配電變壓器中增設(shè)第三控制繞組的報(bào)道，設(shè)置隔離變壓器于配電網(wǎng)高壓側(cè)，將其高壓側(cè)與三繞組配電變壓器高壓側(cè)串聯(lián)，然后通過控制繞組及隔離變壓器低壓繞組將電容中點(diǎn)引出式背靠背半橋PWM變換器接入配電變壓器，從而給出一種新型HDT實(shí)用配置方案。

圖1 HDT的配置方案

基于這一配置方案，他們提出了一種實(shí)用的三相HDT拓?fù)洌撏負(fù)湓诟邏簜?cè)采用三角形聯(lián)結(jié)，而其余繞組均采用中性線引出的星形聯(lián)結(jié)。根據(jù)HDT的單相等效電路，建立HDT的微分方程，并導(dǎo)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖，基于框圖模型，指出HDT能夠控制電網(wǎng)電流及負(fù)載電壓的根本原因，進(jìn)而采用PI控制器設(shè)計(jì)HDT的內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)及負(fù)載畸變工況下進(jìn)行仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的HDT電路拓?fù)浼八O(shè)計(jì)的內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的正確性。

圖2 HDT的三相電路拓?fù)?/p>

圖3 HDT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

研究人員最后得到以下結(jié)論：

1）將隔離變壓器布置于配電網(wǎng)高壓側(cè)，而高壓側(cè)采用三角形聯(lián)結(jié)方式，其余繞組采用星形中性線引出接法，PWM變換器采用半橋結(jié)構(gòu)的HDT電路拓?fù)涫呛侠淼摹?/p>

2）基于等效電路導(dǎo)出的HDT動(dòng)態(tài)模型能夠清晰揭示HDT的基本工作原理，客觀反映HDT運(yùn)行時(shí)遇到的各類擾動(dòng)。模型指出HDT的負(fù)載電壓控制系統(tǒng)與電網(wǎng)電流控制系統(tǒng)耦合很弱，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)。

3）采用PI控制器構(gòu)建HDT的內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)能滿足HDT的對(duì)于負(fù)載電壓及電網(wǎng)電流的基本功能。

以上研究成果發(fā)表在2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“混合式配電變壓器的動(dòng)態(tài)模型與內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)”，作者為柳軼彬、梁得亮 等。