电力电子变压器原理、现状、应用场合介绍

电力电子变压器介绍

0、前言

电力电子变压器(Power Electronic Transformer 简称PET)作为一种新型的能量转换设备，与传统的变压器相比，具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点。它是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体的电力系统前沿研究课题，通过电力电子器件和电力电子变流技术，对能量进行转换与控制，以替代传统的电力变压器。

1、基本原理

PET 的设计思路源于具有高频连接的AC/AC变换电路, 其基本原理见图1, 即通过电力电子变换技术将变压器原边的工频交流输入信号变换为高频信号, 经高频变压器耦合到副边后, 再经电力电子变换还原成工频交流输出。因高频变压器起隔离和变压作用, 因铁心式变压器的体积与频率成反比, 所以高频变的体积远小于工频变压器, 其整体效率高。

图1 电力电子变压器基本原理框图

PET 的具体实现方案分两种形式: 一是在变换中不含直流环节, 即直接AC/AC变换, 其原理是: 在高频变压器原边进行高频调制, 在副边同步解调; 二是在变换中存在直流环节, 通常在变压器原边进行AC/AC变换, 再将

直流调制为高频信号经高频变压器耦合到副边后, 在副边进行DC/AC变换。比较两种方案, 后种控制特性良好, 通过PWM 调制技术可实现变压器原副边电压、电流和功率的灵活控制, 有望成为今后的发展方向。

2、研究现状

自1970 年美国GE 公司首先发明了具有高频连接的AC/AC 变换电路后, 很多科研工作者对各种不同结构的具有高频连接的AC/AC 变换器进行了深入的探讨和研究, 并提出了PET 的概念。美国海军和美国电力科学研究院(EPRI)的研究小组先后提出了一种固态变压器结构, Koo suke Harada等人也提出了一种智能变压器, 他们通过对高频技术的使用, 使变压器体积减小, 实现恒压、恒流、功率因数校正等功能。

早期的PET的理论和实现研究由于受当时电力电子器件和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实用化, 特别是在可用于实际输配电系统(10kV以上)的PET的研究方面进展不大。进入20 世纪90 年代,国外在这一研究领域中取得了一些新进展, 提出了新的技术方案,并制作了与配电系统电压等级相当的实验室样机。如美国密苏里大学在ABB和爱默生公司资助下对电力电子变压器进行了研究，完成了10kVA，7200 V／240 V的实验样机，但仅实现了基本的电压变换功能和对输入的功率因数控制。另外，设计时为减小对开关器件的应力，输入采用多个变流器串联工作，使系统的可靠性大大降低，当其中任意一个器件出现故障都会导致工作异常。美国威斯康星一麦迪逊大学与ABB公司合作，德克萨斯农机大学也于20世纪90年代末对电力电子变压器进行了研究，但以上工作只对其电压变换的功能进行了分析和研究。

另外，美国德州A&M大学提出了一种基于直接AC/AC 变换的PET 的结构,见图2。这种PET 的首要设计目标是减小变压器体积和重量并提高其整体效率, 其工作原理为: 工频信号先被变换为中频信号(600 Hz～ 112 kHz) 后通过中频隔离变压器耦合到其副边, 中频信号随后又被同步还原为工频信号。为了减小器件开关过程中由于电流突变造成的过电压, 该方案采用了一种4级开关控制策略, 可使功率器件在无吸收电路的条件下安全换向。图2中的中频隔离变压器采用了常规的硅钢铁心变压器。试验表明, 对于常规变压器, 当其工作频率由60 Hz 提高到110 kHz 后, 变压器的输送容量可提高3倍, 效率也有所提高。这种PET的体积比同容量的常规变压器小1/3, 总体效率与常规变压器相当, 其原理和控制较简单, 易于实现。但变压器副边波形基本是对原边波形的还原, 可控性不高。

图2 基于AC/AC 变换的PET（单相）

为简化结构, 降低成本, Man jrekar M.D.和Kieferndorf R等人在buck-boost 变换器的基础上提出一种直接AC/AC 变换结构的PET (见图3)。

图3 基于buck-boost 的PET

这种变压器的工作过程为: 输入三相电源的线电压通过功率开关S1, S2和S3被调制成高频交流加载至高频变压器的原边; 在变压器的副边, 高频交流信号经功率器件S1′, S2′和S3′同步还原为工频交流输出。图中Li, Ci构成了LC 滤波器以减小变换器对电源注入的谐波电流。此方案的特点是结构和控制简单, 功率器件数少, 成本低, 但由于工作过程中电流断续, 会造成器件两端出现尖峰电压, 且输出电压谐波较大。

目前国内外研究中最具代表性的电力电子变压器为交—直—交—直—交型双直流环拓扑,结构如图4所示

图4 三相双直流环拓扑结构电力电子变压器

截止目前，国际上对电力电子变压器的研究尚处于初级阶段，还有许多相关的理论和实际问题需要研究。要达到实用化，功能上还需进一步完善。

3、PET优缺点分析

电力电子变压器将电力电子技术应用到变压器的设计和制造当中，它通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递。鉴于电力电子变换技术所具备的特点，电力电子变压器应具备以下优点：

①改善供电电能质量，实现恒频、恒压输出：始终保证原边电流和副边电压为正弦波形，并且可实现原边功率因数始终接近于1.0；

②可以高度自动化，配电网络的计算机监控系统可以直接远程通讯控制电力电子变压器，实现在线连续监测和控制；

③体积小、重量轻。由于在城市中配电变压器的分布密度相当高，因此其体积、重量及易维护性对良好的城市建设与规划非常重要：

④环保效果好，可以空气自然冷却，省去充油，从而减少污染、维护简

单、安全性好；

⑤可以不需要常规继电保护装置；而且兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以瞬时(微秒级)关断故障大电流；

⑥电力电子变压器可灵活可靠地将各种分布式电源融入电力系统，给用户使用电能也带来很大的方便；

⑦可以改变电力系统中的有功、无功潮流，并对正常运行和故障时电力系统的功率平衡要求予以快速补偿。

电力电子变压器也有不足之处：

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。

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、PET的应用

4.1 PET在分布式电源并网中的应用

近年来，分布式发电系统已成为重要的能源。分布式电源交直流兼有，容量小，分布广，且其电压或频率波动性较大。传统逆变器采用工频变压器，成本高，体积大，逆变效率难以提高，同时需要额外的调压、调频设备才能保证供电质量。PET交直流环节兼有，可灵活地将各种分布式电源接入电力

系统，另外由于能对整流、逆变部分进行控制，可省去额外的调压、调频设备，降低了成本。图5为可再生能源并网发电系统组成结构图。

图5 可再生能源并网发电系统组成结构图

可再生能源有多种形态，且转化为电能的方式不同，决定了可再生能源在转化为直流电能时有不同的直流侧处理电路，如光伏发电需使用DC／DC 电路，而风力发电则需使用AC／DC电路。然后经过电力电子变压器的隔离环节，将直流电转化为高频交流电。通过高频变压器耦合到副边，再整流成直流电压。高频变压器主要实现电压等级变换和分布式发电系统与电网的电气隔离作用。最后通过逆变器实现和公用电网的并网。

采用电力电子变压器实现的风力和小水电单相并网逆变器结构如图6所示，该结构为交—直—交—直—交型双直流环拓扑。

图6 风力和小水电单相并网逆变器结构图

输入环节为三相电压型PWM整流电路，将交流发电机的交流电变为直流，

且实现直流输出电压可控、单位功率因数运行。对PWM整流电路可以采用电压外环、电流内环的双闭环控制方案。电压外环是为了实现对输出电压的控制，电流内环是为了实现单位功率因数控制。为了获取快速的动态响应，电流环可以采用直接电流控制技术，电压环采用常规的PI控制。

对于并网逆变器的隔离环节，高频变压器原边的单相逆变电路，在开关损耗允许和变压器磁芯允许的范围内，逆变器输出频率越高，变压器的体积和重量越小，只须达到高频逆变目的即可。对于变压器副边整流电路，只要能实现高频整流即可。因此，变压器原边逆变电路和副边整流可以用开环控制方式实现，将直流调制成占空比为50％的高频方波，变压并耦合到高频变压器的副边绕组后再同步整流还原成直流。

输出环节为单相PWM逆变器，逆变器并网运行的目标：一是逆变器能够与电网稳定地并联运行，二是能将可再生能源以高功率因数回馈电网。为了使系统在并网工作时功率因数近似为l，则必须要求逆变器输出的并网电流为正弦波，且和电网电压同频率、同相位。多数并网逆变器对输出电流的控制是采用瞬时值控制方案。先进的瞬时值控制一般采用闭环反馈，最典型的是输出滤波电感电流反馈构成的电流跟随控制逆变器。比较常见的电流跟随控制技术有电流滞环瞬时值控制技术和电流正弦脉宽调制(SPWM)瞬时值控制技术。

4.2 PET在配电网中的应用

在配电网中，配电线路经常会出现各种电压扰动，如电压骤升、骤降、闪变、波动等。对于对电压敏感的负荷，如电脑、通信设备等，经常会造成巨大损失，如珍贵数据的丢失、通信的中断等。传统的动态电压恢复器可以

解决配电线路电压扰动的问题，但是传统的动态电压恢复器用一个可调自耦变压器和隔离变压器去对系统注入一个补偿电压，这种结构不但动态响应比较慢，而且大的工频变压器也是其主要缺点，工频变压器不仅体积大、成本高，而且变换效率低。

在此介绍一种基于电力电子变压器的动态电压恢复器。该动态电压恢复器分为三级，输入级为三相半桥PWM整流器，可以从电网中获取能量，从而实现可连续运行，可以使得整流器电网侧电流正弦化，大大降低低次谐波，实现单位功率因数运行。隔离级采用高频变压器来实现隔离、变压和能量传递，高频变压器原边的电压源变换器将直流电调制为交流电，通过高频变压器耦合到副边，然后通过副边的电压源变换器进行同步解调，还原为直流电。输出级采用二个单相电压源逆变器并联的模式，每个单相逆变器连接LC滤波器，通过电容器将补偿电压耦合到各相中去，实现对各相电压的调节。这种基于电力电子变压器的动态电压恢复器的工作原理为利用传感器、检测电路检测出电源侧电压；通过控制电路产生补偿给定信号；由SPWM形成PWM 信号：再由驱动电路去控制电压型逆变器的功率开关；最后通过滤波器滤除高次电压谐波，在串联电容器上产生与畸变分量相反的补偿电压，从而提高负载侧的电能质量，使电能质量敏感负荷免受电压跌落、不对称、闪变、波动及谐波的影响。

该动态电压恢复器的输入级的三相半桥PWM整流器用于实现三相高频整流，在理论上，不但可以实现输入电流正弦，且可以实现原方输入功率因数可控、直流输出电压可控。输入级高频整流一般需要采用双环控制，即直流电压外环和交流电流内环，这和分布式电源并网逆变器结构中输入级PWM整

流器的控制方式是一样的。

隔离级作用是将输入级的高压直流调制成中频方波信号，经中频变压器变压并耦合到副边后再转换成低压直流。这一级实现隔离及直流降压功能。采用开环控制，由PWM技术调制直流电压成高频方波，耦合到中频变压器副边后再同步解调成直流。

输出级的三个单相电压源逆变器通过电容器将补偿电压耦合到各相线路中去。可以采取复合控制方式，同时检测电网侧和负载侧电压作为电压补偿指令。

5、PET与柔性交流输电技术的结合应用

5.1 输电网高压短路限流器

随着电力系统的发展以及负荷的增大,系统的互联就会使短路电流水平不断提高,传统的限流保护措施都显露了较大的局限性。因此,发展新型的故障限流保护装置(FCL) 势在必行。

电力电子型FCL 与电力电子变压器技术相结合就可实现综合型多功能FACTS器件,具有非常好的发展前景。在此介绍一种电力电子变压器型FCL ,其基本原理如图7所示。

图7 带串补功能的电力电子变压器型FCL模块FCL 模块被串联在电力电子变压器输入模块前端,控制器通过检测其输

出端电流以及输入端电流对FCL 模块中的开关进行控制。当系统正常工作时,开关断开电流通过串补电容变流,这样既实现了串补功能,又实现了开关的零损耗。当故障时,检测的电流达到临界电流值,开关迅速闭合,电容和电感谐振实现高导通阻抗,就实现了短路电流的限制。

5.2 不间断供电技术

应用在配电网中的电力电子变压器可在直流环节加上蓄电池组，组成在线式不间断电源(UPS)。由于在线式UPS总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，并通过监控输入电压的状态对蓄电池组进行投切。当电网正常时，市电通过电力电子变压器对负载供电，对电网的畸变和干扰有很好的抑制作用。当电网掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不问断供电。如果逆变器发生故障，UPS通过静态开关切换到旁路，由旁路供电。当故障消失后，UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。因此可以更好的保证供电质量。当电力电子变压器应用在分布式能源发电系统时，也可以把蓄电池组接入直流环节，作为中间储能环节。利用蓄电池和分布式能源构成独立的供电系统来向负载提供电能，当分布式能源输出电能不能满足负载要求时，由蓄电池来进行补充，而当其输出的功率超出负载需求时，将电能储存在蓄电池中。

6 AC/AC型PET的控制策略

以图2 中的整流模块为例,其开关驱动波形如图8所示。其中,θ为整流模块与逆变模块驱动相角差。通过控制移相角θ的大小来进行输出电压幅值调节,同时,变压器起到隔离和变压的作用。

图8 AC/AC型开关驱动波形

由于开关将开通、关断较大电流,因而其电压电流应力都很大。可以采用4 步开通策略改善开关特性,其开关管控制顺序如图9所示。该策略能够减小开关损耗,并可将开关管的吸收回路去掉而不影响其正常工作,但控制较复杂,输入功率因数仍然不能得到调节。

图9 4步开通策略开关驱动波形

7 交—直—交—直—交型PET的控制策略

以图4 所示的双直流环节为例进行研究,对输入整流模块、隔离模块、输出逆变模块分别进行讨论,提出控制方法。

7.1输入整流模块控制策略

输入整流模块实现输出电压调节。若不考虑功率的双向流动,可对输入

整流模块进行简化,拓扑结构和控制策略如图10所示。

图10 整流模块拓扑结构和控制流程

三相全桥采用空间电压矢量控制可以实现三相输入电压完全解耦,达到很高的控制性能。空间电压矢量控制用三相电压矢量去逼近矢量电压圆,输入端会得到等效三相正弦电流波形。开关矢量由8个矢量组成,包括2个零矢量,如图11所示。

图11 电压空间矢量分布

如果将电压圆分成N 等份,采样周期为Ts ,则任一空间矢量Vr可由其相邻两个开关矢量来等效,相应导通时间为:

式中: m 为调制比。

零矢量作用的时间为:

矢量与参考电压矢量的夹角θ要通过求矢量在α,β坐标轴上投影分量之比的反正切来求得,然后查正弦表求得矢量作用时间T1 和T2 ,因而计算比较复杂。可以采用一种改进的简化快速计算方法,即根据参考电压矢量在α、β坐标轴上分量,直接计算空间矢量在各个扇区内的作用时间。即定义时间算子:

容易证明合成电压矢量在各个扇区内的作用时间都是上述时间算子的线性组合,从而去除了三角函数查表的问题,简化了控制过程,提高了控制电路的信号处理能力。

7.2 隔离模块控制策略

隔离模块采用全桥整流模式,其拓扑及其控制策略如图12所示。全桥变换器通过移相控制产生高频方波并通过高频变压器进行能量传递,同时,高

频变压器起到隔离和调压作用。控制策略由两部分组成: ①通过调节占空比控制加在变压器原边绕组上的矩形波的电压幅值Vp,进而调节输出电压；②检测负载电流的变化情况,调节开关频率f,以保证隔离模块在满载和轻载时都有较高的效率。

图12 隔离模块拓扑及其控制流程

全桥变换器在实现零电压开关(ZVS) 时,超前臂依靠滤波电感和漏感实现ZVS 较容易,而滞后桥臂只能依靠漏感实现ZVS ,实现起来比较困难。可以在变压器原边加入饱和电感Ls来改善滞后桥臂的ZVS,同时,谐振电感饱和特性又不会带来占空比丢失,这将会很好地改善隔离模块的性能。

7.3 输出逆变模块控制策略

电力电子变压器三相负载通常处于不平衡状态,这就要求逆变器为具有输出共地端的三相四线输出逆变模块。

通常,实现方案是将直流电容分解成2个串联电容,其电容间的连接点作为三相输出的共地端,但该方法直流利用率明显偏低。可以在传统的三相桥式逆变器的基础上增加1个桥臂用来形成中点,其拓扑如图13所示。

图13 输出逆变模块拓扑

对于4 桥臂三相变换器,由于输出负载不对称,因而将三相空间坐标转换到三维坐标系,共产生16个空间矢量。然后,将任意时刻的空间矢量由其相邻的3个开关矢量合成。三维空间矢量的矢量运动轨迹是一个根据负载变化而在上述14个矢量构成的空间六棱柱中变化的圆或椭圆。最后由空间合成电压矢量计算出各矢量控制时间,最终生成四相开关控制信号。其控制采取三维空间矢量调制,系统可以方便地实现具有调压功能的三相四线输出,并且具有较小的直流纹波和较好的直流利用率。

8、结束语

电力电子变压器具有广阔的使用前景，一方面，可以使用在对能量转换装置的体积、重量有特殊要求的场合，如航海、航空、航天等领域；另一方面，可以为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、化工领域等。因此，电力电子变压器是建设“绿色电网”“数字电网”“智能电网”的关键设备之一，对其进行研制和使用可以取得巨大的经济和社会效益。

随着技术的成熟，电力电子器件性能的提高、成本的降低以及研究的深

入，在5～10年内电力电子变压器必将在多个领域内得到极为广泛的应用。