1、电力电子变压器的理论及其 应用,一、电力电子变压器概述,电力电子变压器又被称为固态变压器(Solid State Transformer SST)、智能通用变压器(Intelligent Universal Transformer IUT)或电子电力变压器(Electronic Power Transformer EPT)。本文中将统一称为电力电子变压器。电力电子变压器的基本思想是用高频变压器替代工频变压器。由于变压器的体积大小是磁心材料饱和磁通密度的函数，而饱和磁通密度与频率成反比，因此提高频率可以提升铁心材料利用率并减小变压器的体积。同时在高频变压器的原边和副边引入电力电子变换技术，通过适
2、当的控制来实现变压器两侧电压、电流和功率的灵活调节。,传统型变压器：,传统变压器具有成本低、效率高、可靠性好等优点，已经广泛应用于输配电系统中。如今随着智能电网的不断开发和建设，更多的分布式发电系统需要有效、可靠地融入电力系统中，用户对供电的可靠性、灵活性与电网负荷的品质也都提出了更高的要求。仅实现电压变换、隔离和能量传输功能的传统变压器己经不能满足智能电网的需求，其固有缺点，如饱和、直流偏磁、波形畸变、空载损耗大等，也变得越来越突出。随着大功率电力电子技术的不断发展，一种基于电力电子变换技术的新型变压器电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)得到了广
3、泛关注。,与传统的变压器相比，PET不仅具有体积小、重量轻、无污染的优点，还可以实现以下功能:(1)系统侧功率因数可调，且电流不受负载电流质量影响。(2)负载侧电压输出恒定，不随负载的改变而变化，并不受系统侧电压畸变的影响。(3)可以实现过流保护。,二、电力电子变压器的发展状况,PET概念的提出最早可以追溯到1970年，美国GE公司的W McMurray提出了一种具有高频链接的AC/AC变换电路，这种高频变换的原理成为后来PET发展的基本思路。1996年，日本学者Koosuke Harada将相位调制技术应用到这种拓扑中，实现了恒压、恒流和功率因数校正，称之为智能变压器(Intelligent
4、 Transformer)。这些研究成果在200V,3kVA的实验装置上得到了验证，开关频率达到了16.7kHz，效率约为80%-90%。,1980年，美国海军在一个研究项目中将一种基于Buck电路的AC/AC变换器作为PET的拓扑结构，实现了降压的功能。之后的1995年，美国电力科学研究院(EPRI)对此结构进行了深入研究，研制出了基于AC/AC变换的PET实验样机。,早期的PET的理论和实验研究并不成熟，虽研制出了实验样机，但功率和高压侧的电压等级都低于配电网中的实际应用等级，所提出的各种设计方案未能实用化。随着大功率电力电子器件和高压大功率变换技术的发展，PET研究领域也取得了突破性的进
5、展。提出了一些适应PET特性的拓扑结构，并制造出与配电系统电压等级相匹配的实验样机。,三、电力电子变压器的拓扑结构及分类,PET的拓扑结构可以根据电能变换的次数分为三类:单级型、双级型和三级型，其中双级型结构又可分为具有高压直流环节和具有低压直流环节两种。下文将对每类PET的典型结构进行分析。1 单级型PET拓扑结构:,上图所示的是一种典型的AC/AC单级型PET结构。为了达到减小尺寸、减轻重量、提高效率的目的，该拓扑采用了工作频率提升至0.6-1.2kHz的硅钢铁心变压器，其传递能量的能力是工频变压器的三倍。此PET先将输入的工频正弦波电压经变压器原边的变换器调制成高频(0.6 1.2kHz
6、)电压，后由变压器藕合到副边再还原成工频正弦波电压，原边和副边的变换器在进行波形变换时必须保持同步。,双级型PET结构可分为具有高压直流环节和具有低压直流环节两种。其中，具有高压直流环节PET的工作原理是将工频高压交流电整流为高压直流后，经过含有高频降压变压器的隔离型逆变器转换为低压交流。具有低压直流环节的PET工作原理相似，只是先通过隔离型整流器将工频高压交流电转换为低压直流，再逆变为低压交流。,2 双级型PET拓扑结构:,具有高压直流环节的双级型PET:,具有低压直流环节的双级型PET：,上图提所提出的双级型单相PET拓扑，为一种只含有低压直流环节的结构，隔离级采用的是DAB(Dual A
7、ctive Bridges)整流变换器，直接将高压交流整流并降压为低压直流。此结构传递的平均有功功率对漏感非常敏感，电流波动很大，并且对低压直流侧的调节能力很弱。此类拓扑结构无论是高压整流还是低压整流后未加滤波电容，严格意义上讲并不具备可用的直流环节，更可看做是单级AC/AC结构的改进。,双级型PET在简化结构方面不如单级型PET，在可控性方面不如三级型PET，所以双级型结构并不适合作为PET拓扑结构。,3 三级型PET拓扑结构,三级结构PET的工作原理为:工频交流电压经过AC/DC变换器整流后变为直流，再通过一个含有高频变压器的DC/DC变换器进行直流变压，最后经DC/AC逆变为所需的交流电
8、压。此类结构的PET变换次数多，结构复杂，但其良好的控制特性可使PET实现的功能更多，应用的范围更广。而且与单级结构相比，三级型PET具有的低压直流环节可以整合能量存储设备来提高PET的穿越能力，并能为分布式发电的接入提供接口，也可为电动汽车充电。,拓扑结构1：,上图所示的就是一种典型的三级型PET拓扑结构，三相工频交流电压整流后得到的直流电压，在高频变压器的原边被单相全桥逆变电路调制为高频方波，耦合到副边后被还原为直流电压，最后通过逆变得到所需要的三相或单相工频交流电压。此结构并不适用于高压、大功率场合，因为高压侧的功率器件串联会带来均压和可靠性问题，使得成本提高，设计难度加大。,拓扑结构2
9、：,如图所示，结构2的三级型PET是具有三相自平衡能力的PET。其中右图是其中单相的详细结构。,自平衡PET高压级的每一相都由N个完全相同的单相全桥VSC模块级联而成，并通过适当的控制使交流侧高压平均分配在N个单相全桥变换器上。隔离级采用的是双全桥DC-DC变换器，将其拓展为N个输入3个输出的结构，相应地采用了一个N输入、3输出的高频变压器。低压级由三个独立的单相全桥变换器模块组成，再将每个单元形成的三相输出对应并联在一起。,自平衡PET结构是针对系统或负载侧出现的不平衡都会藕合到另一侧这一问题而提出的。因为配电系统中不对称负荷会非常频繁地出现，三相系统电压不平衡也时常发生，所提的自平衡PET
10、能够有效地避免系统与负载之间的影响。但是这种PET结构也存在一定问题，其隔离级中大功率的多端口输入、多端口输出高频变压器设计起来非常困难，并且模块间会有环流。,四、电力电子变压器三类结构可实现功能的比较,由于将电力电子变换技术引入到了变压器中，使得PET可以通过适当的控制而具备新的特性。但对于不同的PET拓扑结构，其功能拓展能力也会有强弱。下表中对三类PET拓扑可实现的功能进行了比较。,通过对上述的PET拓扑结构的分析和比较可见，三级型结构具有较强的可控性更适合作为PET拓扑结构，相应的控制策略也在逐步完善。但是，要使电力电子变压器在实际应用中替代传统变压器，实现产品化还有许多关键技术需要解决。,五、总结,本文阐述和分析了电力电子变压器的基本理论和发展状况，对典型的电力电子变压器拓扑结构进行了论述和对比。随着电力电子变换技术的发展和电力电子器件技术的进步，电力电子变压器造价会逐渐降低，效率会不断提升，可靠性会逐步提高，使之取代传统变压器成为可能，而控制灵活，功能强大的特点也使得电力电子变压器具有更广阔的应用前景。,
