智能配电变压器发展趋势分析

智能配电变压器发展趋势分析

张建军

国网沁水县供电公司 山西省晋城市

摘要：现如今，我国是智能化发展的新时期，智能配电变压器是智能电网快速发展背景下构建新一代配电网的关键部件。结合新能源分布式电源、交直流混联配电网的发展趋势，文中分析了智能配电变压器的主要功能，指出实现智能配电变压器的关键在于利用电力电子技术使配电变压器具备丰富的控制功能。在此基础上，分析指出电力电子变压器（PET）与混合式配电变压器（HDT）是智能配电变压器的两类可选方案。对PET与HDT的工作原理进行说明，列出基于PET，HDT及扩展型HDT的智能配电变压器的几种典型应用电路，并对其特点进行定性分析。基于一种具体的配电网应用场景，从工作原理、可靠性、经济性、可控性等方面对基于PET与HDT的智能配电变压器进行对比，并定性给出当变换功率比重增大时二者各项性能的变化规律。最后分析了智能配电变压器未来的发展趋势。

关键词：智能电网；智能配电变压器；电力电子变压器；混合式配电变压器

引言

变压器属于供电、配电部门的重要设备，它们的安全运行直接关系到电网的安全供电，变压器状态评估是电力设备修理和维护的基础工作，由于变压器本身是一个包含很多部件的复杂系统，因此，变压器状态评估的影响因素也很多，对其进行准确评估难度很大。目前针对变压器状态评估的方法已经逐步从单一的传统方法转变为与智能算法结合的方法，本文分别介绍了传统状态评估方法、神经网络算法和模糊理论，为变压器状态评估提供技术支持。

1系统性能指标

（1）终端供电电压：DC12V，可配置12V充电蓄电池。（2）报警时最大电流<500MA、空闲时<30MA。（3）三相电压光耦隔离输入，保证用电安全。其余参数采集都采用继电器隔离输入，保证终端稳定使用。（4）工作环境温度：-35度到+150度。（5）支持三频GSM/GPRS900/1800/1900MHz无线网络。（6）安装尺寸：长29.5cm、宽20cm、厚8cm。2基于PET的智能配电变压器PET由高频变压器与若干个变流器环节级联而成，通过对各变流器环节的合理控制便可使其具备相当丰富的控制功能。经过多年研究，PET衍生出了多种电路拓扑。PET电路拓扑采用双向开关结构的功率器件构成H桥结构，采用交流斩波控制实现工频到高频的直接变换，从而有效减小变压器的体积。该拓扑无中间直流环节，效率较高；此外，采用移相控制方法能实现功率因数矫正等功能，但功能有限，控制较为复杂。。该拓扑包含4个变换器环节①/③/⑤/⑦、2个直流母线环节②/⑥以及高频变压器环节④。虽然其效率低于附录A图A1所示的AC/AC型结构，但其功能很强，调节范围宽。借助直流母线环节②/⑥，能很方便地接入分布式电源，实现交直流混联配电网。基于电压源型变流器的相关控制技术，能有效解决前文提到的各类电能质量问题，显然十分符合智能配电变压器的应用需求。然而配电网的电压等级为10kV高压输入，400V低压输出。受限于目前高压大功率半导体器件的制造水平及成本，对于配电网的10kV侧，高压整流AC/DC环节①的变换器往往需要多个低压功率模块进行串联以应对较高的电网电压。此外，为应对低压侧较大的电流，环节⑤及环节⑦往往需要多个功率模块进行并联。为此，将PET作为智能配电变压器在实际场景中大规模应用时必须采用特定的多重化电路。本章对基于级联H桥（cascadedH-bridge，CHB）、模块化多电平变流器（modularmultilevelconverter，MMC）、中点钳位（neutralpointclamped，NPC）这3种典型PET电路拓扑的智能配电变压器的主电路拓扑进行分析说明。

3传统状态评估方法

变压器发生故障时，故障点释放的能量，使周围溶解在变压器油中的气体成分的相对数量和形成速度发生变化，这些故障气体的组成和含量与故障类型及严重性密切相关，传统方法是对变压器进行油气监测，其基本原理是根据油中气体成分的不同及所占百分比不同，判断故障的种类及严重程度，进而评估变压器工作是否正常。这种方法局限于阀值诊断，难以显示故障的发展趋势。

4变压器温度采集

温度传感器模块内置高精度的温度传感电路，可以设定高低温度范围。当检测到变压器自身温度超出70度时，会触发发出短信“XX线XX变一般缺陷温度”，当检测到温度超出90度，会触发发出短信“XX线XX变重大缺陷温度”。当检测温度超出110度，发出短信“XX线XX变紧急缺陷温度”。

5PET与HDT型智能配电变压器对比分析

综合上述关于PET及HDT型智能配电变压器的典型电路拓扑及原理的相关说明可以看出，仅从控制功能来讲，采用PET与HDT作为智能配电变压器的主电路拓扑均能满足能源互联网未来的发展需求。但在实际配电网应用中，可靠性、经济性及效率等也是设计方案时关注的重点。由于PET采用全功率变换高频隔离，HDT采用部分功率变换工频隔离，二者的本质原理完全不同，从而导致二者在各方面存在明显差异。本章结合一个具体的配电网场景，对基于PET与HDT的智能配电变压器的主电路基本参数进行估算，确定二者功率器件的基本选型，计算各自功率器件的数目，进而对二者的各项性能指标进行对比分析。为简单分析，先不考虑接入分布式电源等直流设备。已知传统交流配电网高压侧额定线电压为10kV，低压交流供电母线额定线电压为400V。假设智能配电变压器容量为80kVA，二次侧负载中无功功率、谐波、不对称等有害分量的功率不超过总容量的30%，一次侧电网电压波动、畸变、不对称分量不超过额定电压的±20%。于是一次侧电网的最大电流有效值为5.77A，而二次侧负载最大电流有效值为115.47A。

6模糊评判

一级模糊综合评判是对一类因素中的的各个因素进行综合评判，为了考虑不同层次因素的综合影响，还必须在电气试验、油色谱分析、绝缘油特性、试验新技术、历史情况之间进行综合评判，称为二级综合评判，二级模合评判解决了因素过多的问题，它按照某种标准将因素分到不同的类中。

结语

1）智能配电变压器能彻底改变传统配电变压器可控性差，功能单一的现状，适用于分布式电源接入，交直流混联网络迅速发展的智能配电网。2）PET与HDT均具备强大的控制功能，能满足智能配电变压器对于高可控性的各项需求，可作为智能配电变压器主电路拓扑的2种实现方案。3）在具体的配电网应用场景中，变换功率比重是决定选择PET还是HDT的关键因素。变换功率比重越小，HDT的电力电子装置越简单，HDT在降低电力电子成本、保证系统高效可靠等方面的优势相比PET在节省铜和铁成本方面的优势更明显，选用HDT越经济。反之，选用PET比较划算。

参考文献

[1]吴立增.变压器状态评估方法的研究[D].华北电力大学,2005.

[2]张世宏,刘玓.神经网络算法在电力设备状态评估系统中的应用[J].福建电脑,2007(07):98.

[3]王谦.基于模糊理论的电力变压器运行状态综合评估方法研究[D].重庆大学,2005.

[4]王美刚.基于模糊理论的电力变压器状态评估[D].华北电力大学,2007.

［5］刘凡，别朝红，刘诗雨，等.能源互联网市场体系设计、交易机制和关键问题［J］.电力系统自动化，2018，42（13）：114-123.