电力电子变压器故障分析与保护系统设计研究

摘要

电力工业作为全球经济发展的基石，其在工业生产与日常生活上的驱动作用使得人们对其具有很强的依赖性。现代电力工业背靠全球经济可持续性发展正朝绿色化、智能化的方向前进。近年来能源结构的变革，促使世界各国可再生能源的使用比率不断增大，智能电网的概念得到了推广。电力变压器作为电网最重要的装置之一，其发展也应顺应时代潮流。
　　电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)是一种符合智能电网要求的新设备，它结合电力电子变换和电磁感应形式进行电能转换，具备体积小、重量轻、环境友好等诸多特点，它不仅能实现电压等级转换、电磁隔离以及电能传递等功能，还对各种分布式能源进行整合与接入，调节电能质量，提供满足用户需求的优质电能。由于电力电子变压器的原理、结构与传统变压器有较大差异，只有结合装置的特点进行保护设计，这样才能保证设备与系统的稳定运行。
　　本文首先阐述了电力电子变压器的研究背景和国内外发展现状，简要介绍了电力电子变压器的基本原理和拓扑结构，并由此叙述了适用于本文所选用的电力电子变压器拓扑结构的多种控制策略。然后，文章根据电力电子变压器结构特点，分析了电力电子变压器主电路故障和控制系统故障的原因，其中主电路故障集中在电力电子器件故障、高频变压器故障和电容故障，并针对某些故障选用了合适的检测方法用于识别、判断。在此基础上，本文为应对电力电子变压器故障设计了两种冗余运行策略:桥臂冗余策略和旁路冗余策略，并结合PSCAD/EMTDC仿真软件建立模型，通过实验验证了两种冗余运行策略的可行性。文章还根据电力电子变压器的运行环境，建立电力电子变压器运行系统的仿真模型，分析高、低压侧配电网故障，主要是短路故障和断路故障对电力电子变压器装置的影响。最后，文章根据电力电子变压器的保护需求对其保护系统进行了设计，介绍了适用的硬件保护电路，描述了电压、电流、温湿度保护的软件逻辑，并提出了电力电子变压器整机运行策略。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 电力电子变压器研究现状

1．3 电力电子变压器运行机理

1．3．1 电力电子变压器基本原理

1．3．2 电力电子变压器拓扑结构

1．3．3 电力电子变压器控制策略

1．4 本文的主要内容

第2章 电力电子变压器故障分析与检测

2．1 电力电子变压器故障分析

2．1．1 电力电子器件故障

2．1．2 高频变压器故障

2．1．3 电容故障

2．1．4 控制系统故障

2．2 电力电子变压器故障检测

2．2．1 开关器件故障检测

2．2．2 高频变压器故障检测

2．3 本章小结

第3章 电力电子变压器故障运行策略

3．1 隔离级故障冗余策略

3．2 输入输出级故障恢复策略

3．3 仿真试验

3．3．1 输入级恢复实验

3．3．2 隔离级冗余实验

3．3．3 输出级恢复实验

3．4 本章小结

第4章 电网故障对电力电子变压器的影响

4．1 电力系统配电网高压侧故障对PET的影响

4．1．1 短路故障时PET系统故障特性分析

4．1．2 断路故障时PET系统故障特性分析

4．2 电力系统配电网低压侧故障对PET的影响

4．2．1 单相短路接地故障

4．2．2 两相接地短路故障

4．2．3 两相短路故障

4．2．4 三相短路故障

4．2．5 单相断线故障

4．2．6 两相断线故障

4．2．7 三相断线故障

4．3 本章小结

第5章 电力电子变压器保护系统设计

5．1 电力电子变压器硬件保护方案

5．1．1 保护需求

5．1．2 保护电路

5．2 电力电子变压器软件保护逻辑

5．2．1 电流保护逻辑

5．2．2 电压保护逻辑

5．2．3 温、湿度保护逻辑

5．3 电力电子变压器系统保护设计

5．3．1 开机自检保护

5．3．2 待机状态

5．3．3 启动保护

5．3．4 故障停机保护

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文