配电系统电力电子变压器的探究

配电系统电力电子变压器的研究

作者：佚名转贴自：电力安全论坛点击数：35 更新时间：2008-7-28 配电系统电力电子变压器的研究

方华亮，黄贻煜，范澍，陆继明，毛承雄

(华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074)

摘要: 供电可靠性及电能质量一直是用户和供电部门密切关注的问题。在电网中，变压器是电能转换的最基本的元件，但常规变压器难以对供电可靠性的提高和电能质量的改善作出贡献。本文介绍了一种全新的产品－电力电子变压器，它具有提高供电可靠性、改善电能质量并且体积小、重量轻、环保效果好等一系列优点，可以较好地解决这些问题。在对电力电子变压器现有方案进行分析的基础上，本文提出了一种新的实现方案，计算机仿真结果表明：变压器原方可以实现输入电流波形为正弦和功率因数接近于1，变压器副方可以获得良好的输出电压、电流。

关键词: 电力电子变压器; 高频变压器; 供电可靠性; 电能质量; 脉宽调制

1引言

当今社会经济的快速发展，使得人们对供电可靠性以及改善电能质量提出了越来越高的要求。如果一个供电系统的可靠性不能保证，停电不只是给供电企业带来损失，给用户将造成更大的经济损失。就电能质量而言，一种频率、电压、波形的电能已远远不能满足用户要求，经过变换处理后再供用户使用的电能占全国总发电量的百分比比值的高低，已成为衡量一个国家技术进步的主要标志之一。如在美国，2000年末，发电厂生产的40%以上的电能都是经变换和处理后再供负载使用，预计到21世纪二、三十年代，美国发电站生产的全部电能都将经变换和处理后再供负载使用。

如何更进一步提高供电可靠性和改善电能质量已成为供电部门十分重视和不断努力解决的问题，在供电系统中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的元件之一，对供电可靠性和电能质量有着重大的影响。目前广泛使用的配电系统变压器通常是采用铁芯油浸式，其运行可靠和效率较高；但同时，也存在以下一些不足之处［1］：

·不能维持副方电压恒定；

·铁芯饱和时，会造成电压电流的波形畸变，产生谐波；

·原副方电压、电流紧密耦合，负荷侧的波动会影响到电网侧；

·需装备继电保护装置；

·体积大，笨重；

·矿物油会带来环境问题，且不易维护；

基于以上常规变压器的一些不足之处，如何进一步提高变压器的功能、改善其运行特性以更好的发挥其在供电系统中的作用，从而实现进一步提高供电可靠性、改善电能质量的愿望，是一个十分值得我们深入研究的课题。目前随着电力电子变流技术和大功率电力电子器件的迅速发展，以及在电力系统中的应用日益广泛，所有的这些为我们研制新型变压器奠定了很好的基础。我们要研制的新型变压器主要是采用电力电子技术实现的，我们称之为电力电子变压器。

对电力电子变压器的研究，国内在这方面还基本上未开展，国外在十多年前就已提出了这个概念。首先是美国海军的一个研究计划，提出了一种“交流－交流”的降压变换器构成的电力电子变压器；在这之后，由美国电力科学研究院(EPRI)赞助的一个研究项目

也研制出了一种电力电子变压器。但是这些方案，由于电力电子变压器的理论本身还不是很成熟，并且受当时大功率电力电子器件发展水平的限制，因而都只是停留在研制实验室样机阶段。近几年，有关这方面理论又有了新的发展，再加上电力电子技术及器件迅速发展使得电力电子变压器走向实用化又向前迈进了一大步。

2电力电子变压器原理及优点

电力电子变压器的基本原理为在原方将工频信号通过电力电子装置转化为高频信号，即升频；然后通过高频隔离变压器到副方，再还原成工频信号，即降频。通过采用适当的控制方案来控制电力电子器件的工作，从而将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能。

电力电子变压器，从结构和功能上大大突破了传统变压器，又称为固态变压器（solid state transformer），它的工作原理决定了它是对上述提及问题比较好的一种解决方案。按照我们的研制思路实现的电力电子变压器应具备以下优点：

·可以提高供电可靠性。器件将以模块的形式安装到插槽结构中，使器件之间不再有或者很少的引线连接，从而使用方便,体积缩小，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而提高系统的可靠性。

·改善供电电能质量，实现恒频、恒压输出；

·无大铁芯，不产生励磁涌流；

·有望解决副方负荷不平衡造成电网不对称问题，特别是民用负荷；

·检测装置电压、电流互感器变得更简单；

·装置采用数字化控制，具有智能化特点，当出现故障时能采取适当、灵活的处理方法，从而进一步提高可靠性。

·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；

·可以不需要常规继电保护装置；

·体积小,重量轻，对大城市供电网络建设带来很大方便；

·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。

如果在电力系统装备电力电子变压器，并进行实时、适当的控制，就可以改变电力系统中节点电压的大小和相位，补偿电力网路的阻抗，减小甚至消除电力系统中的谐波，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。这将能显著提高输电系统的极限传输功率能力，改善电力系统的运行特性［2］。

当今世界环境保护问题日趋严重，在电力电子变压器中应用了高频电力电子技术，使得设备重量减轻，体积变小，节省大量铜、钢等原材料；在电力电子变压器中不需要使用变压器油，从而减少环境污染，维护也变得更方便。在电力系统中广泛采用电力电子技术实现的电力电子变压器以后，可以节省大量的电力，这就可以节约大量资源和一次能源，从而改善人类的生活环境。

3基本实现方案分析

电力电子变压器主要由电力电子装置部分、控制部分、高频变压器部分以及其它的一些辅助设备等组成。其中主要部分是电力电子装置部分，这部分实现信号频率、幅值转换，可采用IGBT或IGCT等高频大功率电力电子器件组成。控制部分发出门极控制信号来开通或关断IGBT或IGCT来控制电力电子装置部分的正常工作。高频变压器部分起隔离及变压作用。现介绍一下国内外比较常见的几种方案：

（1）“交流－交流”变换结构［3］［4］如图1，在这种变换中，上下连接的两个器件为背对背连接，这种连接可实现低频交流信号（50Hz）变换成为高频交流信号（通常是1kHz左右），然后加载到高频隔离变压器的原方，耦合到副方后高频交流信号又转换成低频交流信号（50Hz）。这一变换的实现要求原副方的功率器件同步工作，功率器件的开关函数为一占空比为50%的方波，通过方波宽度的调制可以控制高频电压、频率。

（2）斩波变换结构［5］

如图2，这种结构和直流斩波有些相似，当原方开关器件开通时能量储存在原方绕组中，然后耦合到副方绕组，当副方开关器件开通时聚集的能量释放。由于斩波可能产生很大的谐波，因此，原副方都使用了较大的滤波器。

（3）串联模块化结构［6］［7］

如图3，整个系统分为三大部分：输入部分、隔离部分、输出部分。输入部分由若干模块串联而成，这样均分到每一模块上电压比较低，采用低压器件即可满足要求。在每一输入模块上电压被整成直流，输出的直流电压就加在相应的隔离模块上，然后直流电压被逆变成高频交流后加载至高频隔离变压器的原方，再耦合至副方，降压后的高频交流又被整流成为直流。隔离模块的输出送到输出模块，在输出部分直流被逆变成交流输出。虽然目前电力电子器件发展十分迅速，电压、功率等级不断升高，但离实际电力系统中的高压、大功率的等级水平还有很大的差距。因此，要构成实际应用的高压、大功率必须把器件串、并联使用。另外目前的高压、大功率器件价格较贵，我们可以采用低压、小功率器件就可以构成高压、大功率装置。本方案的变换过程较多，在每个过程都可以对电能进行控制，可以对电能的各个参数进行有效的调节控制，当然控制方案实现也很复杂，这是一个缺点。总的说来，本方案是一种比较经济、实用、可行性较高的方案。

除了以上介绍的几种方案以外，还有其它的一些方案，无论哪种方案，在电力电子变压器中，对电能质量的调节都是由电力电子装置部分完成的。采取适当的电力电子变流技术和PWM算法，可以获得良好的电压、波形、频率。现以方案（1）中交流到交流的变换为例，分析一下电力电子变压器一些新的性质［8］。

变压器输入电压

高频信号转换函数展开成傅立叶级数

其中：n为奇数，ωS=k·ωi为转换的开关频率。

其中：ωi为工频50Hz，改变k可以改变高频交流电压的频率，一般取k＝20。

由上式可以看出v p(ωt)基波分量频率为19ωi t=950Hz和21ωi t=1050Hz。由此可见频率为1kHz左右电压幅值最大。

应用高频电力电子技术使得变压器结构性质发生较大变化，电力电子变压器体积、重量大为减小。在电力电子变压器中容量S与尺寸结构参数及电磁变量之间的关系式如下：

其中：S为变压器容量，K为铜导线饱和因数，f为励磁频率，A c为铁芯面积，A e为绕组线面积，J为导体中的电流密度，B m为最大磁通密度。

由式（5）可以看出变压器的尺寸主要取决于

一般情况下B m、J变化不是很大，而f可以

升高很多，因此变压器的尺寸的减小主要取决于频率f。然而频率的升高引起铁芯损耗的增加，为了减小损耗必须减小磁通密度B m。因此，为了达到最佳效率，必须适当地确定f 和B m、J之间的比例关系，一般f可以选用1kHz左右。

4仿真系统方案［9］

对上述几种方案，认为：方案（1）的原理和结构比较简单，转换过程为低频AC －高频AC－高频AC－低频AC。这种方案性能比较稳定，实现起来比较容易。但功能有限，对电能质量的调节能力较差，基本上是原方是什么样的波形，副方就是什么样的波形。方案（2）结构非常简单，变换过程为斩波AC－斩波AC。这种方案对电能质量的调节能力也较差，电压、波形、频率质量效果都不是很好，且只适合在小容量方案中应用。方案（3）实现起来比较简单，每一模块上所加的电压和电流较小，所用器件均为低压器件，其成本较低。但转换过程较复杂，使用器件较多，性能不稳定。

我们正在进行电力电子变压器的实验室样机的研制，方案的主回路如图4所示。变换过程为AC－DC－AC－AC－DC－AC。在变压器原方采用合适的PWM算法可使原方电压、电流同相位，实现功率因数接近1；在副方通过控制逆变器可以获得良好的输出电压电流。

5仿真结果［9］

仿真系统如图4所示，输入为三相，线电压U l＝500V，输出为三个单相，相电压U o＝220V，系统容量S＝10kVA，负载为纯电阻，输入和输出都加上适当的滤波装置，在上述条件下用MATLAB 6.1进行动态仿真，所得结果如下：

仿真系统中，原方加上LC滤波器（L＝2.4mH，C＝70μF），三相全控整流桥的整流频率f＝8kHz，原方输入电压电流波形如图5所示，输入电压与电流相位基本一致,功率

因数cosφ≥0.98。通过改变整流部分的PWM算法可以控制功率因数和电流波形。在副方，高频方波经整流滤波后再逆变成交流正弦波，逆变部分频率f＝2kHz，滤波部分L＝0.6mH，C＝200μF。可获得良好的输出电压波形如图6所示。

6结论

提出了电力电子变压器的一种新的实现方案，本方案在计算机仿真中取得了较好的结果，我们的电力电子变压器实验室样机的研制正在进行。在本方案中，变压器原副方都可控，这种技术方案可以较好的改善电能质量、提高供电可靠性，并且适合大功率传输。我们研制的实验室样机为小容量的，而实际应用中容量较大，可以采取串联多重化结构实现。

电力电子变压器的研制是一项全新的技术，但目前其理论上还不够完善、有待进一步研究，在具体实现上也有一些困难，如果研制成功并推广应用到电力系统中将产生重大的影响和深远的意义。因此，这是一个非常值得我们深入研究的理论课题和实践课题。

7参考文献

1变压器制造技术丛书编审委员会.变压器绕组制造工艺.北京：机械工业出版社，1998

2商国才.电力系统自动化.天津：天津大学出版社，1999

3Moonshik Kang,Prasad N Enjeti,Ira J Pitel.Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system.IEEE Transactions on Power Electronics,1999,14(6):1131~1141

4赵良炳.现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，1995

5Madhav D Manjrekar,Rick Kidrerndorf,Giri Venkataramanan.Power electronic transformers for utility applications.Industry Applications

Conference,Conference Record of the IEEE,2000,4:2496~2502

6Moonshik Kang,Prasad N Enjeti,Ira J Pitel.Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system.IEEE Industry Application Society Annual Meeting,New Orleans,Lousina,1997,2:1689~1694

7Moonshik Kang,Byeong Ok Woo,Prasad N Enjeti,Ira J Pitel.Auto connected electronic transformer (ACET) based multi pulse rectifiers for utility interface

of power electronic systems.IEEE ISA 98 Conf.Proc,1998,2:1554~1561 8陈坚.电力电子学.北京：高等教育出版社，2002

9云舟工作室.MATLAB数学建模基础教程.北京：人民邮电出版社，2001