电力电子变压器

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 Active 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。
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)得到了广泛关 注。
2 双级型PET拓扑结构:
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。
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。
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。
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。
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)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。
拓扑结构2：
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。
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。
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 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%。
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。