电力电子变压器简介

电力电子变压器简介

编者按：电力电子变压器是一种有发展前途的电力电子设备。它与目前使用的铁芯铜线变压器，有明显的优点，特别是耐高压（15kV）的碳化硅器件的成熟会给电力电子变压器的发展带来新的机遇。它是未来智能电网的得利电力电子设备。作为一种新型的电力变压器，得到了国内外研究人员越来越多的关注。

此外，电力电子变压器能否将电压变换与电能质量调控结合一起解决？如一条轧钢生产线使用的变压器，采用电力电子变压器，可以即变压，又能实现电能质量调控，能否有可能？我公司已开发成功的‘’27.5k V转10k V‘’装置也是一种电力电子变压器。轻型直流输电系统也可兼有电力电子变压器功能。可见，公司已具备生产电力电子变压器的能力。

根据现有资料选编成“电力电子变压器简介”一文。文中内容不一定十分准确，供公司开发新产品参考。

王春岩2010.10.22

1、定义

电力电子变压器，又称为固态变压器——P E T ( P o w e r E l e c t r o n i c T r a n s f o r m e r )，也有称为EPT。

电力电子变压器是一种含有电力电子变换器，且通过高频变压器实现磁耦合的变电装置，它通过电力电子变换技术和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递。

2、电子电力变压器的基本组成和工作原理

2、1 基本组成（以单相为例）

基本组成见图2.1

2、2 直接、AC/AC变换的电力电子变压器（以单为例）

2、3 含直流环节的PET

2、4 单相含直流PET的电路结构

2、5 用于风电、光电和小水电单相并网PET

图2.5用于风电、光电和小水电单相并网PET

3、电力电子变压器优点和缺点：

3、1 优点

1）．体积小，重量轻，无环境污染；

2）．运行时可保持副方输出电压幅值恒定，不随负载变化；

3）．始终保证原、副方电压电流为正弦波形，并且原、副方功率因数任意可调；4）．具有高度可控性，变压器原副方电压、电流的幅值和相位均可控：

5）．兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以瞬时(微秒级)关断故障大电流，也无需常规变压器的复杂继电保护装置。

将电力电子变压器应用到电力系统后，将会给电力系统带来许多新的特点，有助于解决电力系统中所面临的许多新课题，主要表现在如下几个方面：

第一，PET作为一种高度可控的新型输电设备，其原副方电压的幅值和相位均可控，且可关断故障大电流。这一特点应用到电力系统后，将有望大幅度提高系统的稳定性。

第二，PET交直流环节兼有，所以可灵活地将各种分布式电源接入电力系统。第三，PET具有高度的可控性．广泛应用后，将能够在保证系统稳定性的条件下实现对潮流的实时灵活控制。

第四，与PET相联的同步发电机可实现异步化运行。当系统发生故障时，发电机可实现短时异步化运行而不会与系统解列，提高系统的安全稳定性和供电可靠性。

第五，当前电网中如谐波、电压跌落、闪变等电能质量问题日趋严重，将PET 用于配电系统后，将能够起到电能质量调节器的作用。

3、2电力电子变压器不足之处：

(1) 电力电子装置的使用可能会产生谐波，但通过适当的PWM控制可以减小到最低程度。

(2)按理论计算，电力电子变压器效率高于常规变压器，但在目前技术条件下，实际运行效率可能比常规变压器稍低一些。以后随着电力电子器件发展水平的提高、控制方案的改进优化以及散热方式的改善等，电力电子变压器的运行效率会逐渐提高，一定会超过常规变压器。

(3)由于目前电力电子器件较贵，因此电力电子变压器价格较常规变压器要贵一些，这将直接影响推广到实际应用。

4、电子电力变压器的应用场合和前景

电子电力变压器能够应用于电力系统的多个领域。将PET应用于输电系统中，取代发电机——变压器组中的传统变压器后，利用其原副方电压的幅值和相位均

可控，可关断故障大电流的特点能够提高系统稳定性；当将其应用于配电系统中时，由于PET既具有变压器的一般的功能，如电能传输、隔离变换等，又具有抑制谐波双向流动、防止负载侧出现故障影响电源电压、消除电压跌落与升高以及过电压、欠电压等电源侧电压的干扰对负荷的影响，对各种电量进行监测、显示、分析处理来判断各种异常情况，以对其自身和系统进行保护并给出报警信号和故障类型等特点，因此可以通过PET向那些对电能质量敏感负荷供电，如造纸厂、纺织厂、挤塑机、生产精密机械的汽车零件制造、大型泵体锻造企业以及半导体制造业、银行、电信、军事、医疗、化工等领域，进而产生巨大的社会和经济效益。此外，由于PET还具有体积小、重量轻、空载损耗小等优点，它还可以应用在对设备的体积、重量有特殊要求的场合，如航海、航空、航天等领域。

5、PET研究现状

1970年，美国GE公司的W．McMurray首先提出了一种具有高频连接的AC ／AC变换电路，这种高频变换原理已成为后来基于直接AC／AC变换的电力电子变压器发展的基本思路。1980年，美国海军的一个研究项目提出了一种由AC ／AC的降压变换器构成的固态变压器(Solid state transformer)。其后，由美国电力科学研究院

早期的电力电子变压器的理论和实现研究由于受到当时大功率电力电子器

件和高压大功率变换技术发展水平的限制，所提出的各种设计方案均未能进入实用化，特别是在可用于实际输配电系统(10kV以上)的电力电子变压器的研

究方面进展甚微。进入20世纪90年代末，国外在电力电子变压器的研究领域中出现了一些令人鼓舞的进展，特别是在可用于工业配电系统的电力电子变压器的研究方面取得了突破，提出了一些新的技术方案，并制作出了与配电系统电压等级相当的实验室样机。最先是美国德州An大学的Moonshik Kang和Enjeti 提出了一种基于直接AC／AC变换的电力电子变压器的结构。这种电力电子变

压器的首要设计目标是减小变压器的体积和重量并提高其整体效率，其工作原理为：工频信号首先被变换为高频信号(600Hz到1．2kHz)后通过高频隔离变压器耦合到其副方，高频信号随后又被同步还原为工频信号。同W．McMurray所提出的高频变换相似，针对较小功率的应用场合，为简化结构，降低成本M．D．Manjrekar和R．Kieferndorf等人在buck-boost（降压―升压变換器）变换器的基Ronan和Sudnoff于1999年提出了一种由输入级(高压级)、隔离级和输出级(低压级)三级结构组成的电力电子变压器，这是一种降压变压器方案，其特点在于输入级采用多级功率模块串联的结构，高压侧输入电压被均分到每一模块上，从而可减小高压侧单个功率模块上所承受的电压，各模块内部可不必串联。输入级各模块为单位功率因数整流器，但是这些实现方案，由于受当时大功率电力电子器件以及电力电子技术发展水平的限制，而且这方面理论本身不成熟，因而都未能进入实用化。

我国从事电力电子变压器研究、开发生产的单位己有数家，其中有国营、民营和外企业，中国电力科学研究院;中电普瑞科技有限公司、华中科技大学、东南大学等已申请了专利。世界上最大的电子变压器生产厂家美国普思公司和世界上最大的软磁铁氧体生产厂家日本T D K公司都在我国设有生产基地。世界上许多先进的电子变压器技术、生产工艺和产品都在我国汇集在一起。面对这样一个多种化的平台，技术交流是大有可为的。

但是近期耐高压（15kV）的碳化硅器件的成熟会给PET的发展带来新的机遇。