混合变压器（Hybrid Transformers, HTs）在电网电压暂降下的电流过载能力分析与优化研究

一、作者与发表信息
本文由Yan Shi、Xiangyu Zhang、Lvyang Chen、Wei Li和Lei Qi共同完成，作者单位为中国华北电力大学（North China Electric Power University）可再生能源电力系统国家重点实验室。研究发表于IEEE Transactions on Industrial Electronics（IEEE工业电子学报）2025年3月刊，DOI编号10.1109/TIE.2024.3433416。

二、学术背景与研究目标
随着电力系统中电力电子设备比例的增加，电网电压波动问题日益突出，传统电磁变压器（electromagnetic transformers）难以满足快速灵活的电压调节需求。混合变压器（HTs）结合了电磁变压器与部分容量变流器的优势，成为未来电网中极具竞争力的解决方案。然而，HTs在补偿电压暂降（grid voltage sag）时，因电磁耦合紧密会导致电流过载（current overload），限制其额定补偿能力的发挥，且过载程度随电压暂降深度增加而加剧。本研究旨在分析HTs的电流过载特性及其影响因素，并提出基于电磁耦合特性的硬件与软件协同优化方法，以提升HTs在低压穿越（low voltage ride through, LVRT）等场景下的性能。

三、研究流程与方法
1. 电流过载特性分析
- 拓扑结构对比：研究对比了两种HTs拓扑（补偿侧位于电网侧或负载侧），建立了四种运行模式（Mode 1-4）的数学模型，分析电压暂降时变流器（GSC和TSC）的电流与功率过载特性。
- 关键参数建模：通过电压比（a）、容量比（b）、电压暂降比（d）等参数，推导了变流器电流过载比与电压暂降深度的关系（如式9、20）。
- 仿真验证：在PSCAD/EMTDC中搭建10 MW风电并网系统模型，模拟30%电压暂降场景，验证拓扑选择对过载的影响。

1. 协同优化方法设计

   • 软件优化（运行模式）：提出主动降容运行模式（actively power-reduction optimized operation mode），通过调节GSC补偿深度（k）使GSC与TSC电流过载均衡化，降低联合过载指数（JCO，式31）。仿真显示，当k=d时，JCO降低59%。
     
   • 硬件优化（模块过载能力）：提出IGBT模块过载增强方法，通过提高栅极驱动电压（15 V→20 V）和降低开关频率（1500 Hz→400 Hz），减少导通与开关损耗（式37-38），实验验证了模块在3倍额定电流下持续800 ms的过载能力。
     

2. 实验验证

   • 硬件在环（HIL）实验：基于RT-Lab平台验证优化运行模式在LVRT过程中的有效性，结果显示电流过载需求从5.57倍降至2.56倍。
     
   • 模块级功率循环实验：搭建主模块与过载模块协同实验平台，通过相位差控制生成3倍过载电流，证实优化方法可将IGBT结温控制在允许范围内。
     

四、主要研究结果
1. 拓扑选择的影响：补偿侧位于负载侧（拓扑A）时，GSC无电流过载，TSC过载比为1.43倍；而电网侧补偿（拓扑B）会导致GSC和TSC分别过载1.43倍和2.04倍（图9）。
2. 运行模式优化效果：在0.3 p.u.电压暂降下，传统全补偿模式导致TSC过载5.57倍，而主动降容模式将GSC与TSC过载均降至2.56倍（图10），JCO降低66%。
3. 硬件优化效果：IGBT模块在20 V栅压和400 Hz开关频率下，3倍过载时结温下降29%，满足LVRT需求（图12）。

五、结论与价值
本研究通过拓扑选择、运行模式优化与硬件增强的协同策略，显著提升了HTs在电压暂降下的电流过载能力。科学价值在于揭示了HTs电磁耦合与过载的定量关系，提出了JCO评价指标；应用价值体现在为高比例电力电子电网中的HTs设计提供了实践指导，支持其在LVRT等严苛场景下的可靠运行。

六、研究亮点
1. 创新性方法：首次提出联合优化软件（运行模式）与硬件（IGBT驱动策略）的HTs过载解决方案。
2. 定量化分析：通过JCO指数量化过载压力，为拓扑选择提供理论依据。
3. 实验验证全面性：结合系统级仿真与模块级实验，覆盖从理论到工程的全链条验证。

七、其他价值
研究还指出，单纯硬件优化受限于高栅压可靠性问题，需与软件优化协同（如主动降容），这一观点对后续HTs保护策略设计具有启示意义。