电力电子变压器原理、现状、应用场合介绍

1、电力电子变压器介绍0、刖言电力电子变压器(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

2、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。输人為频岛频输出(工频交流)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、

3、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勺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

4、输配电系统(10kV以上)的PET勺研究方面进展不大。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 V240 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

5、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 Hz112 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

6、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

7、；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。目前国外研究中最具代表性的电力电子变压器为交一直一交一直一交 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

8、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： 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 ； 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； 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： 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； 可

9、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； 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； 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： 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。 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

10、 器的运行效率会逐渐提高。 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。变换器图5可再生能源

11、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DC/ DC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 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，该结构为交一直一交一直一交型双直流环拓扑。L0-乖f|T波 -器图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

12、型PW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 PWN整流电路可以采用电 压外环、电流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围，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

13、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

14、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 PWN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

15、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

16、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 PW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PW技术

17、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

18、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

19、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。

20、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，B为整流 模块与逆变模块驱动相角差。通过控制移相角B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。51 耳ISS41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。»pr>o 岭 vos<2ai i 【L1 i；; i i； f F ii : j

21、 =%-ri站J:；：!MMi H ：pi*i !； Ii 9zzrm_nrr、：i : :、：ii：1 ; ;: fiiS34B|rr 门L图9 4步开通策略开关驱动波形7交一直一交一直一交型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tn空间矢* UI节器屮电流信号iW制+|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

22、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： 丿 T = / Tssin 叫兀 4(l八羽、丁2 = jii Tssin &T式中：m为调制比。零矢量作用的时间为：To = T. - Tx - T2矢量与参考电压矢量的夹角B要通过求矢量在a, B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

23、的简化快速计算方法，即根据参考电压矢量在a、B坐标轴上分量，直接计算空间矢量在各个扇区的作用时间。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：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； 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