智能变压器作为配电网中的中央控制点

智能变压器（ST）是配电网中的中央控制点。它引入了高可控性，可以推迟电网基础设施升级，同时提供辅助服务。

智能变压器的定义

分布式发电机 （DG）
和电动汽车充电站正在稳步增加其在配电网中的存在。事实证明，为光伏电池板、燃料电池和微型风力涡轮机等DG和电动汽车等直流负载提供直流电网可以更有效。

这种变压器设置可能会引起人们对混合交直流配电网的关注。然而，传统的配电网在电压限制（上限和下限）和网络资产（例如电路和变压器）过载方面面临一系列挑战。为了缓解这些问题，配电系统运营商通常通过提高现有组件的额定值来加强电网，例如更大尺寸的电缆或更大容量的变压器。但是，这些升级成本高昂、耗时，并可能导致客户中断。

目前，还没有针对配电网需求的全面解决方案。由于功率转换器分布广泛，智能电网的研究趋势是向分散式场景发展，这导致了许多系统控制解决方案，如图1（a）所示。这些解决方案包括
STACOM、储能、直流配电转换器、区域间连接转换器和注入无功功率的
DG。然而，协调所有这些智能解决方案可能具有挑战性，因为需要广泛、快速的通信基础设施。

图 1a.当前配电系统的配置

图 1b.基于 ST 的配电系统的配置

智能变压器（ST）解决方案（图1（b））是一种基于固态变压器的变压器，引入了更高的电网可控性。它为负载和发电机提供直流连接，同时节省基础设施成本，避免广泛的电网升级［1］。

与当前的配电网场景（图1（a））相比，所有功能，如直流配电、STATCOM/存储集成，使得集成不需要或最小化无功功率集成，并启用区域间连接，都可以集成在意法半导体内部。此外，意法半导体还代表了一种实现电网半分散控制的解决方案，意法半导体从下游电网接收信息，并充当主电网的唯一控制点。这避免了极端分散的弊端，从而避免了管理大数据输入、参与者、控制和决策选项的复杂性。

中压前端级可以使用几种意法半导体架构：低频变压器与AC/DC转换器（T1）相结合;AC/DC转换器与隔离式DC/DC转换器（T2）和隔离式AC/DC转换器（T3）相结合，根据实际电气系统中的DC网络需求进行选择，如图2所示。

图2.意法半导体的详细结构：（T1）低频变压器和背靠背解决方案;（T2）交流/直流转换器和直流/直流级;（T3） 隔离式交流/直流转换器。

智能变压器服务

ST在三个不同的层面上起作用：

在中压网格上

在低压网格上

和直流电网

在这种情况下，为了显示它可以提供的服务的完整扩展［1］，考虑了3阶段拓扑ST。在中压电网中，ST控制交流有功电流，以将电压保持在中压直流母线的标称值。这意味着ST可以独立于有功功率调节无功功率注入，始终遵守转换器载流量限制。

这允许支持中压电网中的电压幅度，并最终减轻主变压器的过载，减少从高压电网输入的无功电流。此外，它可以注入更高频率的电流，包括有功和无功电流，作为中压电网的谐波补偿器。

DC/DC 转换器调节从 MV 到 LV DC 母线的功率流，以控制 LV DC
母线中的电压。直流母线的存在可以用作直流电网基础设施的第一步，其中较大的直流负载（快速充电电动汽车站）和发电机（风电场）可以直接连接到中压直流，小型资源，如家用光伏、直流路灯和慢速充电电动汽车站，可以连接到低压直流母线。

低压侧转换器控制交流电压波形为正弦和平衡。在低压电网中的ST有很大的提供服务的可能性。改变电压幅度和频率的可能性能够塑造馈电负载消耗和发电机生产，从而实现快速负载控制动态。

例如，它可以通过软负载降低控制降低电压来快速降低负载消耗，为在大电力系统扰动期间的牢固减载提供了替代方案。或者，ST可以随频率运行，与本地发电机的下降特性相互作用，以减少（或尽可能增加）其发电量。已经表明，使用低压电网中的频率控制可以避免从低压到中压电网的反向功率流。

ST还可以提供高级保护功能，快速清除故障（《10ms）并继续为不受故障影响的负载供电。例如，在单相故障的情况下，ST可以继续以标称电压为其余两相供电，尽管其中一相被清除。

此外，意法半导体还可以在低压电网中用作主动阻尼器。在存在许多小危险品的情况下，可能会出现共振现象。意法半导体可以主动抑制这些谐振，自行控制，而无需电网中的其他硬件（例如，主动阻尼器）。

意法半导体的商业案例

低压发动机项目

在英国，配电网络已经经历了电动汽车、热泵和光伏发电的日益紧密的联系。这导致现有的网络资产，例如配电变压器，达到其热额定值或在低压网络中遇到违反法定限制的电压。过压和欠压情况可能会在一天中的不同时间出现，具体取决于不同的需求/发电水平。

配电网运营商（DNO）采用的传统方法是加强网络以缓解网络问题，并遵守电网规范对客户供应质量和连续性的要求。传统的加固底座包括用更大的变压器替换变压器（例如，用800kVA变压器替换500kVA），能够满足额外的需求。

此外，低压电缆应更换为更大尺寸的电缆，以将电压保持在法定范围内。虽然这些解决方案将促进负载增长，但它们非常昂贵、耗时，并且由于对公共道路和人行道进行大量昂贵的挖掘，可能会导致中断。

图 3a.LV-ENGINE项目：项目中制定的可能的变电站互连策略

图 3b. LV-ENGINE 项目：英国电网中可预见的 ST 数量。

作为替代方法，英国DNO之一SP能源网络计划在11kV / 0.4二级变电站内试验ST
［2］。该项目名为低压引擎，旨在证明意法半导体可用于克服低压网络中的过载和电压问题。意法半导体在配电网中提供更高的可控性和更多的服务，具有以下几个优点：

降低网络收费成本

意法半导体将通过避免和推迟低压和中压电网所需的昂贵网络加固来降低客户面临的网络收费成本。

促进获得低成本能源

意法半导体由于其电压调节功能和直流电网连接的可用性，充当光伏连接的推动者。

为二级变电站提供可扩展性

意法半导体的模块化特性允许通过增加额外的硬件模块来满足不断增长的需求，从而以有限的成本和对客户的干扰来增加变电站容量。

启用向 DSO 的过渡

意法半导体提高了低压网络的灵活性和适应性。这为 DSO 提供了智能高效地运行配电网所需的工具，并且还延迟了 DSO
与客户交互以消除本地约束所需的时间点。

初步估计显示，在英国配电网络中，ST的部署机会相当可观，到2050年，部署率将达到现有二级变电站的16%左右。这一估计考虑了其他潜在的智能解决方案，这些解决方案可能提供意法半导体的部分或全部功能。最初的成本效益分析表明，通过部署ST，到2030年可以在国家层面节省6200万英镑，到2050年节省52800万英镑。

100kW原型机

一个100kW的原型（图4（a））已经在基尔克里斯蒂安-阿尔布雷希茨大学电力电子学主席的实验室中建造。它由MV侧的组合H桥转换器组成，每相与四重有源桥（QAB）模块连接，如图4（b）所示。

图 4b. 100kW 测试原型配置

LV DC/AC转换器目前不包括在该原型中，因为更关注MV和DC/DC级的挑战。此外，LV
DC/AC转换器技术已经基本上市，因此可以集成到意法半导体中。在这种情况下，每个DC/DC模块的电压为直流母线为0.8kV，MVAC为1.5kV。如果需要更高的电压（10kV或更高），只需在MV侧串联更多QAB模块即可达到。在低压侧，这些模块将并联连接，以满足低压电网的更高功耗（从而更高电流）的需求。

该原型可用于测试高级控制策略，例如用于延长系统寿命的QAB电源路由，用于提高IGBT可靠性的主动热控制，功率反向限制，MVAC电压支持和谐波补偿［3］。