配电系统电力电子变压器拓扑结构综述.pdf

第 3 4卷 第 3期 2 0 1 5年 3月 电 工 电 能 新 技 术 Ad v a n c e d Te c hn o l o g y o f El e c t r i c a l Eng i n e e r i ng a nd En e r g y Vo 1 3 4 No 3 Ma r 2 O1 5 配 电系统 电力 电子变压器拓 扑结构 综述 陈启超 纪延超 潘延林 王建 赜 哈 尔滨 工业 大 学 电气工程 及 自动 化 学院 黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘 要 电力 电子 变压 器 P E T 是 一 种 结合 电 力 电子 变换 器和 高频 变压 器而 构 成 的 电能 传 输设 备 在 坚强智能电网的建设 中有着 巨大的应用价值 本 文对国内外研 究的配电系统电力电子变压器热 点拓 扑结 构做 了分 类 并针 对各 种 实现 方 案进 行 了分 析 和 对 比 指 出 电力 电子 变压 器在 减 小 自身 体积和重量 电能质量调节等方面具有传统变压器不可比拟的优势 尤其是具有直流环节的三级 型结 构 其 良好 的控 制性 能使 电力 电子 变压 器可 实现 更 多的功 能 也 为分 布 式发 电 系统更好 地 融入 智能 电 网提 供 了通道 是 电力 电子 变压器 未 来的发 展 方 向 最后 就 电力 电 子 变压 器 的 实 际应 用提 出 了 需 要 重 点 研 究 的 几 个 关键 问 题 关 键词 配 电 系统 电力 电子 变压 器 拓 扑结 构 三级 型 中图分 类号 T M 4 2 1 文 献标 识码 A 文章编号 1 0 0 3 3 0 7 6 2 0 1 5 0 3 0 0 4 1 0 8 1 引言 传统变压器具有成本低 效率高 可靠性好等优 点 已广 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 人 电力 系 统 中 用 户 对 供 电 的 可 靠 性 灵活性与电网对负荷的品质也都提 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 统变压器已经不能满足智能 电网的需求 其 固有缺 点 如饱和 直流偏磁 波形畸变 守载损耗 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 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 P E T 得 到 了广 泛关 注 电力 电子变 压器 又 被称 为 固态 变 压 器 S o l i d S t a t e T r a n s f o r me r S S T 智 能 通 用 变 压 器 I n t e l l i g e n t U n i v e r s a l T r a n s f o r m e r I U T 或 电 子 电 力 变 压 器 E l e c t r o n i c P o w e r T r a n s f o r n l e r E P T 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 磁心和绕 组最 大容 许温 升 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 与传统的变压器相 比 P E T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 过 流保 护 国 内外 的学 者 对 P E T的 主 电路 拓 扑 结 构 进 行 了充分 研究 以优化 系统 结 构并 提高 功率 转换 效率 提 高 系统 的可靠 性 提 高输 出 电压 波 形质 量 拓 展应 用范围等为 目标 提 出 了一 系列新式 的拓 扑结构 本 文将 对 近 十 五年 来 国 内外 提 出 的 P E T主 电路 拓 扑结构进行分析和 比较 并对拓扑结构实用化 的可 行 性 和亟待 解决 的 问题加 以探讨 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 2 3 基金项 目 科技部 国际合作项 目 2 0 1 0 D F R 7 0 6 0 0 作者简介 陈启超 1 9 8 3 男 黑龙江籍 博 士研 究生 研究方 向为电力 电子变压器 电能质量分析与控制 纪延超 1 9 6 2 一 男 吉林 籍 教授 博士生导师 研究 方向为 F A C T S 无 功功率补偿及 电力 电子技术在 电力 系统 中的应 用 4 2 电 工 电 能 新 技 术 第 3 4卷 2 电力 电子变压器的发展状况 P E T概 念 的提 出最早可 以追 溯到 1 9 7 0年 美 国 G E公 司 的 W Mc Mu r r a y提 出了 一 种 具 有 高 频链 接 的 A C A C变换 电路 这 种 高 频 变 换 的原 理 成 为 后来 P E T 发 展 的 基 本 思 路 1 9 9 6年 日本 学 者 K o o s u k e H a r a d a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 I n t e l l i g e n t T r a n s f o r m e r 这 些 研 究 成 果 在 2 0 0 V 3 k V A的实验装置上得到了验证 开关频率 达 到 了 1 6 7 k H z 效率 约为8 0 9 0 1 9 8 0年 美 国海 军在一 个 研 究项 目中将 一种 基 于 B u c k电路 的 A C A C变 换 器 作 为 P E T的拓 扑 结 构 实现 了降压 的功能 之后的 1 9 9 5年 美国电 力科 学 研究 院 E P R I 对此 结 构进 行 了深 入 研究 研 制出 了基 于 A C A C变换 的 P E T实验 样机 早 期 的 P E T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 P E T研究 领 域 也 取得 了突 破 性 的进展 提 出 了一些 适应 P E T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 3 电力 电子变压器 的拓 扑结构及 其分类 P E T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 如 图 1 所示 下文将 对 每 类 P E T的典 型 结构 进 行分 析 3 1 单 级型 P ET拓 扑结构 单 级型 P E T的工 作原 理 为 输入 的工 频 交 流 电 压在高频变压器的原边直接被调制 为高频交流 电 压 耦合到副边后再直 接被还原为工频 交流 电压 只通过一次电能变换实现变压功能 具有变换环节 少 结构简单的特点 图 2所示 的 是文献 5 提 出的一 种 典 型 的 A C A C单 级 型 P E T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 2 k H z的传 统 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 P E T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 2 k H z 电压 后 由 变 压 器 耦 合 到 副 边 再 还 c 具有低压直流环节 的双 级型 P E T 图 1 电力 电子变压器 拓扑结构 的分类 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 针对 此拓 扑在 感性 负载 时存在不能有效工作 的问题 文献 5 中提 出了一 种基于判断输入电压或输出电流的极性的四步控制 策 略 可使功 率器 件 在 无 吸 收 电路 的情 况 下 安全 换 向 并 降低 了开 关损 耗 所 提 的拓 扑 结 构 和 控 制 策 略在一 台 1 0 k V A的 实验样 机上 得 到了验 证 图 2 A C A C单级型 P E T Fi g 2 AC AC s i n g l e s t a g e PET A C A C单级 型 P E T结 构优点 突 出 其 电路 拓扑 简洁 变换效率高 可双向传输功率 后续又有学者 针对此结构的控制策略进行 了研究 使 其实现 了软 开关 但是此 P E T功能单一 网侧不具备功率因 数校正功能 且对原边 与副边开关信号的同步性要 求非常严格 文献 1 2 在 B u c k B o o s t 变换器 的基 础上提 出 了一 种结 构更 为简 化 的直 接 A C A C变 换 的 P E T拓 扑结 构 如 图 3所 示 所 提 的 拓 扑将 B u c k B o o s t 变 换电路中传递能量 的电感替换 为高频耦合 电感 可 通过控制开关的占空比来调节输出电压高低 原边 的电感和电容构成了二阶滤波器以减小变换器对电 源注入的谐波 电流 文献 1 2 对所提 的 P E T结构 第 3期 陈启超 等 配电系统 电力 电子变压器拓扑结构综述 4 3 进行了仿 真验 证 并研 制 出一 台 1 0 k W 开关 频率 5 k H z的实验样 机 图 3 基 于 B u c k B o o s t 变换 器的 P E T F i g 3 PET b as e d o n Buc k Bo o s t c o n v e r t e r 图 3所示 的 P E T拓扑结构简单 经济 三相 的 电力 电子变换器结构 只用 了六个功率器件 但却存 在开关电流断续导致开关器件两端 出现尖峰 电压的 现象 使 得输 出 电压谐 波较 大 因此 这 种结 构 只适 用于低压小功率场合 文献 1 3 基 于推 挽 电 路提 出了一 种 单 级 型 P E T结构 如图 4所示 此结构在高压侧仅使用 了 两个全控型开关器件 且控制也非常简单 只需两个 互补的固定 占空 比为 5 0 的高频控制信号 输 入 侧的三相电压每一相接入一个如图 4所示 的三绕组 高频变压器 并将每相高频 变压器原边相对应的端 子引出 接人一个带有可控 开关 的三相二极管整流 电路 两个 开关 交替 工 作 将 输 人 的工 频 交 流 电压 变换为高频交流电压后再经过变压器变压 输出低 压侧 采用 了矩 阵 变换器 将 高频交 流 电压 还原 为所 需 的工 频 电压 为 负载供 电 图 4 基于 p u s h p u l l 变换器 的 P E T Fi g 4 PET ba s e d o n p us h p ul l c o n v e r t e r 图 4所 示 的 P E T拓 扑 构 造 简 单 控 制 也 不 复 杂 但是 由于输入侧控制死 区及变压器漏感的存在 变压器的原边和副边必须加装钳位 电路才能使开关 器件安全换流 附加的箝位 电路不仅带来 了损耗 输出电流畸变及共模 电压 同时也带来 了单级型结 构原本可以避免使用 的大容量 电解电容 使得这种 简单结构作为 P E T拓扑的优势大大降低 3 2双级 型 P E T拓 扑结构 双级型 P E T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 P E T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 P E T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 文献 1 4 中提到 了如 图 5所 示的双级型单相 P E T拓扑 为一种只含有低压直流环节的结构 隔离 级采用的是 D A B D u a l A c t i v e B r i d g e s 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 文献 1 5 1 6 提出的拓扑符合图 1 b 和 图 1 C 所描述 的双级 型 P E T变 换形 式 但 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 A C A C结 构 的改进 图 5基 于 DAB整 流 器 的 双 级 型 P E T结 构 Fi g 5 Two s t a g e PET b a s e d o n DAB r e c t i f i e r 双级型 P E T在简化结构方面不如单级型 P E T 在 可 控 性方 面不 如 三 级 型 P E T 所 以双 级 型结 构 并 不适合 作 为 P E T拓 扑结 构 3 3三级 型 P E T拓扑 结构 三 级结构 P E T的工 作 原 理 为 工 频 交 流 电 压 经 过 A C D C变换器整流后变为直流 再通过一个含有 高频变压器的 D C D C变换器进行直流变压 最后经 D C A C逆变为所需的交流电压 此类结构的 P E T变 换次数多 结构复杂 但其 良好的控制特性可使 P E T 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 P E T具有的低压直流环节可以整合能 量存储设备来提高 P E T的穿越能力 并能为分布式 发电的接人提供接 口 也可为电动汽车充电 图 6所示 的就是一种典型 的三级型 P E T拓扑 电 工 电 能 新 技 术 第 3 4卷 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 图 6典型的三级型 P E T Fi g 6 Ty p i ca l t h r e e s t a g e PET 针对 P E T高 压 侧 功 率 器 件 的 耐 压 问 题 文 献 1 8 提 出 了一 种 输 入 级 采 用 多级 功 率 模 块 串联 的 三 级结 构 如 图 7所 示 这 是 一 种 单 相 降 压式 P E T 方 案 输入 级 由单位 功率 因数 校正 电路 构成 中间隔 离级 为双 全桥 整流 电路 输 出级 采 用 的是 全 桥 逆 变 电路 输 入 的高 电压被 均分 到每 一个 串联 的输入 级 模块 中 经过隔离级模块降压 得到的低压直流环节 并联 后加 人至 输 出级 模 块 这 种 P E T 的优 点 在 于 具有很强的呵控性 可保证 系统侧和负载侧 都有 良 好 的 电 能 质 量 该 方 案 在 一 个 1 0 k V A 7 2 k V 2 4 0 V 1 2 0 V的样机 上得 到 了实现 强 l岛箍 图 7输入串联输 出并联的三级型 P E T Fi g 7 I n pu t s e r i e s a n d o u t pu t p a r a l l e l t h r e e s t a g e PET 图 7所示 的结构 实现起 来最 困难 的就 是 如何保 持 输入 端不 同模 块之 间 的 电压 平衡 二极 管 整流 电 路 输 出 电压 的 不可控 模 块 间参 数 的不 匹配 都会 引 起模块间电压的不平衡 在模块的输入端添加稳压 电路或箝位 电路能解决此问题 但 同时会带来大量 的损耗 降低 P E T的效率 每 个模 块 的 共模 电压 也 会 导致 P E T不 能正 常运行 尽管图 7所示 P E T拓扑存在一定 的问题 但构 建 此 电路结 构 的思想 成 为 电力 电子变 压器后 续研 究 的基 础 譬如 针 对 配 电 网 P E T输 入 端 高 电 压 输 出 端 大 电流 的特点 采用 了输 入 串联输 出并 联 的方式 还有采取了便于拓展 可实现冗余控制的模块化结 构 现今许多较成熟的电力电子变压器设计都是围 绕这种 思 想展 开 多 电平变换 器 作为 高压 大功率 场 合 中较理 想 的 解决 方案 也被 引 入到 了 P E T的研 究 中 文 献 1 9 提 出 了如 图 8所示 的 P E T结构 此 方案 是 一 种 应用 于 中压 系统 的降压 式 P E T 输入级 采 用 了二极 管钳 位的三电平整流电路 中间级 高频变压器的原边是 三 电平 半桥 结构 副 边采 用 了倍 流 整流 电路 输 出级 为两电平逆变电路 倍流整流电路能减小整流后输 出电流的波动 也可用全桥整流电路替代 但两种电 路 的功率 器件 均为 二极 管 即 此 P E T只能单 向传 递 能 量 随着 电压等 级 的提 高 输 入 级 采 用 的多 电平 整流电路的电平数也可增加 整流后的谐 波随之减 少 但相应的控制也更l J 复杂 作者对所提结 构进 行 了参 数设 计 进 行 了仿 真 验 证 并 研 制 了一 台 2 0 k V A 的单 相 P E T样 机 实 验 结 果 表 明 所 提 f 的 P E T不 仅 能 实 现变 压 功 能 同 时实 现 了电能 质 量 调 节功 能 图 8基于二极管钳位多 电平 的二级型 P E T Fi g 8 Th r e e s t a g e PET b a s e d o n d i o de c l a m p i ng muh i l e v e l c o nv e r t e r 与二极 管钳 位等多 电平 结构相 比 级联 多 电平结 构 因为其 易于模 块化 可 拓展 性 相 同 电平数 时 功率 器件应用 最少等优 点得到 了越来越 多的关注 同时也 有学者将 级联多 电平 结构应用 到 P E T的研究 中 其中 文献 2 0 提出了一种具有三相 自平衡能 力的 P E T 如图 9所示 图 9 a 为每一相的拓扑结 构 图 9 b 为 整 个 三 相 自平 衡 P E T的 拓 扑 结 构 自平衡 P E T高压 级 的每 一 相都 由 个 完 全 相 同 的 单 相全 桥 V S C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 个 单相全 桥变换 器 卜 隔离级采用的是双全桥 D C D C变换器 将其拓展为 个输入 3个输 出的结构 相应地采用了一个 输 入 3输 出 的高 频 变 压 器 低 压 级 由三 个 独 立 的 单 第 3期 陈肩超 等 配 电 系统 电力 电子变 压器 拓 扑结 构综述 4 5 a 单 相详细结构 高压级 隔离级 低压级 b 三相结构示意圈 图 9 自平衡式 P E T Fi g 9 Au t o b a l a n c i ng PET 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 P E T结 构 是 针对 系统 或 负 载 侧 出 现 的 不平衡都会耦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 P E T能够 有效地避免系统与负载之间的影响 但是这种 P E T 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 同样 是应 用 了级联 多 电 平结 构 文 献 2 1 提 出 了如图 l 0所示 的 P E T拓扑 并将其作 为新 型智能 电 网 F RE E DM F u t u r e R e n e wa b l e E l e c t r i c D e l i v e r y a n d M a n a g e m e n t 的核 心 设 备 所 提 的 P E T结 构 输 入级 采用 的是 级 联 七 电平 整 流 电路 将 7 2 k V 的交 流 电压 转换 为 三 个 3 8 k V 的直 流 电 压 每 个 级 联 模块后接 D A B D C D C变换器 输出并联后为 4 0 0 V 的直流环节 可给直流负载供电 也可通过逆变生成 1 2 0 2 4 0 V的低压交流为交流负载供 电 这种结构 具有很强的灵活性 可适应不同等级 的系统 电压和 不 同性 质 的负载 F R E E D M 系统研究 中心 不仅 对所 提 的 P E T结构 进行 了仿真 和实验 而 且从 功率 器件 的选 择 高频 图 1 0 F R E E D M研 究中心提 出的 P E T结构 Fi g 1 0 P ET t o po l o g y p ur p o s e d b y F REEDM S y s t e m Ce n t e r 变压器的设计 各环节的控制策略 等多个方面 进行 了深入 地 探 讨 此 P E T的 功 能很 强 大 但 相 应 的控制也非常复杂 不仅需要在串联侧进行电压平衡 控制 还要对并联侧进行均流控制 同时还要 实现 电 能质量调节 功 能 其 中级联 电容 电 压平 衡控 制尤 为 重要 因为这 关 系 到 P E T能 否 稳 定运 行 而 且 相 比 较模块间参数差异引起的电压不平衡 某一模块故障 或损坏引起的不平衡情况更为复杂 控制起来也更为 困难 文献 2 5 提出了一种 3 D空间调制技术 很好 地平衡 了三 个 级 联 模 块 的 电 容 电压 实 现 了容 错 控 制 并 通过实 验验证 了此 方法 的有 效性 4 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 P E T可 以通过 适 当的控制 而具 备新 的特性 但 对 于不 同 的 P E T拓 扑结 构 其 功 能拓 展 能 力 也会 有强 弱 表 1对 三 类 P E T拓 扑 可 实 现 的功 能进 行 了 比较 表 1 三 类 P ET 实现 功 能 比 较 Ta b 1 Fun c t i o n a l c a pa b i l i t i e s c o mp a r i s o n amo n g t h r e e k i n ds o f PET t o p o l o g i e s 注 不 能实现 可 以实现 0可以实现且效果非常好 4 6 电 工 电 能 新 技 术 第 3 4卷 通 过 对 上 述 的 P E T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 P E T 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 5 电力电子变压器亟待解决的关键技术问题 尽管研究人员对 P E T进行了大量研究 但现有 的 P E T技术 还不 是很 成熟 距 离 实 际应 用 还 有 非 常 大的差 距 亟需在 以下几个 方 面进行 完善 与改 进 1 运行的稳定性和可靠性 在恶劣的环境下仍可稳定 可靠地运行是传统 变压器成为应用最广泛 的能量转换设备 的根 本原 因 P E T作为产品来取代传统变压器 必须具备较 高的稳定性和可靠性 但是 传统变压器也是在材 料 不断更 新 结 构 不 断 改 进 设 计 不 断优 化 的 过 程 中 性能得到 了逐步改善 同样对于 P E T来说 其 性能的提升也有赖于电感 电容 开关管等器件的发 展 例如 1 5 k V S i C I G B T 的问世 对 P E T的优化 和设计产生了革命性的影响 在减少高压侧开关数 量 的同时 其高可靠 的开关能力和强耐温能力将大 大提 高 P E T运 行 的稳定 性 和 可靠 性 因此 将 一 些 新 材料 新技 术 引 入 到 P E T的研 究 中 对 P E T的发 展 有着 重要 意义 2 实现软开关 提高转换效率 P E T的优点很多 但效率低下一直使其饱 受诟 病 是 制约 P E T实用 化 的主 要 障 碍 研 究人 员 在 改 善 P E T结构 提 高效率方面做 了大量 的 积极 的尝 试 尤 其是 针对 开 关 频率 很 高 可 达 1 O 2 0 k Hz 的 隔离环节心 软开关的实现可降低开关损耗 提高 P E T的效率 相 对 于 隔 离级 来 说 输 入 级 和 输 出级 的开关频率不是很高 但输入高压侧开关的电压应 力 输出低压侧开关的导通 电流都较大 如果高压侧 的开关能实现 Z V S Z e r o V o l t a g e S w i t c h i n g 低压侧 的开关 能实 现 Z C S Z e r o C u r r e n t S w i t c h i n g 也将 大 大降低开关损耗 实现 软开关 的同时也 会带 来一 定 问题 因为 软 开关 的实 现大都 基 于谐 振 原理 而 P E T是 串联 在 系 统 中 谐振 电路 的引入会 引起 系统 怎样 的暂 态过 程 对系统的稳定性会带来怎样的影 响 都有待学者们 进 行更 深 一步 的研究 3 实现 功率 的双 向流动 P E T要想完全取代传统变压器 除了实现隔离 变压功能外 必须具备能量双 向传输功能 上述的 P E T结 构 大 部 分具 有 双 向传 输 能 量 的能 力 但 都 并 未 真正 实现 能量 的双 向流 动 只是 为 负 载 提供 稳 定 的电源 功能上类似于 U P S 当 P E T的功率传输方 向改变 时 输 入级 的整流器 变 为逆变 器 输 出级 的逆 变器变为整流器 这时就需要 两套完全不同的控制 方案 控制策略中需要检测 的电压量 电流量要相 应改变 两种控制方案切换的判断过程和衔接过程 也要考虑 这就要求 P E T的控制系统不仅能处理大 量的数据 同时具备快速响应 因此 相应完善的控 制方案还有待开发 4 P E T的并 联技术 配电网 P E T在产 品化 的过程 中 常常会 出现 P E T与 传 统 变 压 器 并 联 以 及 多 台 P E T并联 运 行 的 情况 并联运行在提高供电可靠性 提高运行效率 及减少总的备用容量方面有着积极意义 但是也存 在诸多问题 如同步 均流 并列 保护等问题 文献 1 7 从控制策 略上对 P E T并联 的均流 问题进行 了 探索 却未针对配电网中频繁 出现 的不平衡负 载和 非线性负载等情况进行深入研究 同时实现电能质 量 调节 的 P E T并 联 控 制 策 略 仍 是 未 来 研 究 的一 个 难 点 通过 上述 分析 不 难 看 出 拓 扑结 构 的不 断 改 进 只是 P E T实用化的第一步 真正作为设备来实际运 行还有很多问题需要解决 相应的控制策 略还需要 不 断完善 随 着 相 关 研 究 人 员 的 增 多 和研 究 的 深 入 这些技术难题势必会被逐个突破 6 结 论 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 参 考 文献 R e f e r e n c e s 1 1 I m a n E i n i H F a r h a n g i S S c h a n e n J e t a t A mo d u l a r p o we r e l e c t r on i c t r a n s f o r me r b a s e d o n a c a s c a d e d H b r i d g e m u l t i l e v e l c o n v e r t e r J E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s R e s e a r c h 2 0 0 9 7 9 1 2 1 6 2 5 1 6 3 7 2 Q i n H S K i m b a l l J W S o l i d s t a t e t r a n s f o r m e r a r c h i t e c 第 3期 陈启超 等 配电系统电力 电子变压器拓扑结构综述 4 7 3 4 5 6 7 8 9 1 O 1 1 1 2 1 3 1 4 t u r e u s i n g A C A C d u a l a c t i v e b ri d g e c o n v e r t e r J I EEE Tr a n s a c t i o ns o n I n d us t r i a l El e c t r o ni c s 2 01 2 60 9 3 7 2 0 3 7 3 0 L i u C S u n P W L a i J S e t a 1 C a s c a d e d u a l b o o s t b uc k a c t i v e fro n t e n d c o n v e r t e r f o r i nt e l l i g e n t u ni v e r s a l t r a n s f o r me r J 1 I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s 2 0 1 2 5 9 1 2 4 6 7 1 4 6 8 0 W a n g D Ma o C X Lu J M Co o r d i n a t e d co nt r o l o fEP T a n d g e n e r a t o r e x c i t a t i o n s y s t e m f o r muhi do u b l e c i r c ui t t r a n s m i s s i o n l i n e s s y s t e m J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o we r De l i v e r y 2 0 0 8 2 3 1 3 7 1 3 7 9 K a n g M E n j e t i P N P i t e l I J A n a l y s i s a n d d e s i g n o f e l e c t r o ni c t r a ns f o r me r s f o r e l e c t r i c po we r di s t ribu t i o n s y s t e m J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s 1 9 9 9 1 4 6 1 1 3 3 1 1 4 1 McMur r a y W Po we r co nv e r t e r c i r c u i t s h a v i n g a hi g h f r e q u e n c y l i n k P U S P a t e n t 3 5 1 7 3 0 0 1 9 7 0 Ha r a d a K Ana n F Ya mas a k i K e t a 1 I n t e l l i g e n t t r a n s f o r m e r A P r o c e e d i n g s o f 2 7 t h A n n u a l I E E E P o we r E l e c t r o n i c s S p e c i a l i s t s C o n f e r e n c e P E S C1 9 9 6 C Ma g g i o r e I t a l y 1 9 9 6 1 3 3 7 1 4 4 1 Br o o k s J L S o l i d s t a t e t r a ns f o r me r c o nc e pt de v e l o p me n t R C a l i f o r n i a N a v a l Ma t e ri a l C o m m a n d C i v i l E n g i n e e r i n g L a bo r a t o r y Na v a l Con s t r u c t i o n Ba t t a l i o n Ce n t e r 1 98 0 Re i s c hi P Pr o o f o f t h e p r i n c i pl e o f t he s ol i d s t a t e t r a ns f o r m e r t h e A C A C s w i t c h mo d e r e g u l a t o r R C a l i f o r n i a Sa n J o s e St a t e Uni v e r s i t y 1 9 95 He i ne ma n n L Ma ut he G Th e u ni v e r s a l p o we r e l e c t r o n i c s b as e d di s t r i bu t i o n t r a ns f o r me r a n u ni f i e d a pp r o a c h A P r o c e e d i n g s o f I E E E 3 2 n d A n n u a l P o w e r E l e c t r o n i c s S p e c i a l i s t s C o n f e r e n c e P E S C 2 0 0 1 C V a n c o u v e r Ca n a da 2 001 5 04 5 09 Q i n H S K i mb a l l J W AC AC d u a l a c t i v e b r i d g e c o n v e r t e r fo r s o l i d s t a t e t r a n s f o r m e r A I E E E E n e r g y C o n v e r s i o n C o n g r e s s a n d E x p o s i t i o n E C C E 2 0 0 9 C S a n J o s e US A 2 0 0 9 3 0 3 9 3 0 4 4 Ma n j r e k a r M D Ki e f e r n d o r f R Ve n k a t a r a ma n a n G Po we r e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r s for ut i l i t y a pp l i c a t i o n s A 3 5 t h I A S A n n u a l Me e t i n g a n d Wo r l d C o n f e r e n c e o n I n d u s t r i a l A p p l i c a t i o n s o f E l e c t ri c a l E n e r g y C R o m e I t a l y 20 0 0 24 9 6 2 5 02 Gu p t a R K Mo h a pa t r a K K Mo h a n N No v e l t o po l o g i e s o f po we r e l e c t r o ni c t r a ns f o rm er s wi t h r e d uc e d s wi t c h c o un t A G r a n d C h a l l e n g e s i n Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n G C MS 2 0 0 9 C I s t a n b u l T u r k e y 2 0 0 9 1 6 Fa l c o ne s S Ma o X L Ay y a n a r R To p o l o g y c o mpa ris o n fo r s o l i d s t a t e t r a n s f o r me r i m p l e m e n t a t i o n A I E E E P o w e r a n d E n e r g y S o c i e t y Ge n e r a l Me e t i n g P ES 2 0 1 0 c M i n n e a p o l i s U S A 2 0 1 0 1 8 1 5 A b e d i n i A L i p o T A n o v e l t o p o l o g y o f s o l i d s t a t e t r a n s f o r me r f A 1 s t P o we r El e c t r o n i c D riv e S y s t e ms T e c h n o l o g i e s C o n f e r e n c e P E D S T C 2 0 1 0 c T e h r a n I r a n 2 01 0 1 O1 1 05 1 6 J i n A J L i H T L i s L A n e w h i g h f r e q u e n c y A C l i n k t h r e e p h a s e f o u r w i r e p o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r A 1 s t I EEE Co n f e r e n c e o n I n du s t r i a l El e c t r o n i c s a n d Ap pl i c a t i o n s I C I E A 2 0 0 6 C S i n g a p o r e 2 0 0 6 1 6 1 7 毛承雄 Ma o C h e n g x i o n g 电子 电力 变 压器 E l e c t r o n i c p o w e r t r a n s f o r m e r M 北京 中国 电力 出版 社 B e i j i n g Ch i n a E l e c t r i c P o w e r P r e s s 2 01 0 1 8 R o n a n E R S u d h o ff S D G l o v e r S F e t a 1 A p o w e r e l e c t r o n i c b a s e d d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e l i v e ry 2 0 0 2 1 7 2 5 3 7 5 4 3 1 9 L a i J S Ma i t r a A Ma n s o o r A e t a 1 Mu l t i l e v e l i n t e l l i g e n t u n i v e r s a l t r a n s f o rm e r for me d i u m v o l t a g e a p p l i c a t i o n s A I n d u s t ry A p p l i c a t i o n s C o n f e r e n c e 4 0 t h I A S A n n u a l Me e t i n g C Ho n g K o n g C h i n a 2 0 0 5 1 8 9 3 1 8 99 2 O 王丹 毛承雄 陆继 明 Wa n g D a n Ma o C h e n g x i o n g L u J i mi n g 自平衡 电子 电力变 压 器 A u t o b a l a n c i n g e l e c t r o n i c p o w e r t r a n s f o rm e r J 中国 电机 工程学 报 P r o c e e d i n g s o f t h e C S E E 2 0 0 7 2 7 6 7 7 8 3 2 1 Z h a o T F Z e n g J B h a t t a c h a rya S e t a 1 A n a v e r a g e mo de l o f s o l i d s t a t e t r a n s f o r me r f o r d yn a mi c s y s t e m s i mu l a t i o n A I E E E P o w e r a n d E n e r g y S o c i e t y G e n e r a l Me e t i n g P E S 2 0 0 9 C C a l g a r y C a n a d a 2 0 0 9 1 8 2 2 Wa n g G Y H u a n g X Wa n g J e t a 1 C o mp a ri s o n s o f 6 5 kV 2 5A Si I GBT a n d 1 0 k V S i C MOS FET i n s o l i d s 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