電力電子變壓器簡要介紹

1、電力電子變壓器介紹0、前言電力電子變壓器（Power ElectronicTransformer簡稱PET）（乍為一種新型的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，與傳統(tǒng)的變壓器相比，具有體積小、重量輕、空載損耗 小、不需要絕緣油等優(yōu)點。它是集電力電子、電力系統(tǒng)、計算機、數(shù)字信號 處理以及自動控制理論等領(lǐng)域為一體的電力系統(tǒng)前沿研究課題，通過電力電子器件和電力電子變流技術(shù)，對能量進行轉(zhuǎn)換與控制，以替代傳統(tǒng)的電力變 壓器。1、基本原理PET的設(shè)計思路源于具有高頻連接的 AC/AC變換電路，其基本原理見圖 1,即通過電力電子變換技術(shù)將變壓器原邊的工頻交流輸入信號變換為高頻 信號，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊后，再經(jīng)電力電子變換還原

2、成工頻交流輸 出。因高頻變壓器起隔離和變壓作用，因鐵心式變壓器的體積與頻率成反比 所以高頻變的體積遠小于工頻變壓器，其整體效率高。輸入高頻高頻輸出（工頻交流）1 電力電子變壓器基本原理框圖PET 的具體實現(xiàn)技術(shù)方案分兩種形式 : 一是在變換中不含直流環(huán)節(jié) , 即直接AC/AC變換，其原理是：在高頻變壓器原邊進行高頻調(diào)制，在副邊同 步解調(diào)。二是在變換中存在直流環(huán)節(jié)，通常在變壓器原邊進行AC/AC變換， 再將直流調(diào)制為高頻信號經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊后，在副邊進行DC/A嚷 換。比較兩種技術(shù)方案，后種控制特性良好，通過PW憫制技術(shù)可實現(xiàn)變壓 器原副邊電壓、電流和功率的靈活控制 , 有望成為今后的發(fā)展

3、方向。2、研究現(xiàn)狀自1970年美國GE公司首先發(fā)明了具有高頻連接的 AC/AC變換電路后, 很多科研工作者對各種不同結(jié)構(gòu)的具有高頻連接的 AC/AC 變換器進行了深 入的探討和研究 , 并提出了 PET 的概念。美國海軍和美國電力科學(xué)研究院(EPRI) 的研究小組先后提出了一種固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu), Koo suke Harada 等人也提出了一種智能變壓器, 他們通過對高頻技術(shù)的使用 , 使變壓器體積減小 , 實現(xiàn)恒壓、恒流、功率因數(shù)校正等功能。早期的PET勺理論和實現(xiàn)研究由于受當(dāng)時電力電子器件和功率變換技術(shù) 發(fā)展水平的限制 , 所提出的各種設(shè)計技術(shù)方案均未能實用化 , 特別是在可 用于實際輸配電

4、系統(tǒng)(10kV以上)的PET的研究方面進展不大。進入20世紀(jì) 90 年代 , 國外在這一研究領(lǐng)域中取得了一些新進展, 提出了新的技術(shù)技術(shù)方案 , 并制作了與配電系統(tǒng)電壓等級相當(dāng)?shù)膶嶒炇覙訖C。如美國密蘇里大學(xué)在ABBffi愛默生公司資助下對電力電子變壓器進行了研究，完成了10kVA7200 V 240 V 的實驗樣機，但僅實現(xiàn)了基本的電壓變換功能和對輸入的功率因數(shù)控制。另外，設(shè)計時為減小對開關(guān)器件的應(yīng)力，輸入采用多個變流器串聯(lián)工作，使系統(tǒng)的可靠性大大降低，當(dāng)其中任意一個器件出現(xiàn)故障都會導(dǎo)致工作異常。美國威斯康星一麥迪遜大學(xué)與AB您司合作，德克薩斯農(nóng)機大學(xué)也于 20 世紀(jì) 90 年代末對電力電子變

5、壓器進行了研究， 但以上工作只對其電壓變換的功能進行了分析和研究。另外，美國德州A&M大學(xué)提出了一種基于直接 AC/AC變換的PET的結(jié)構(gòu), 見圖 2。這種 PET 的首要設(shè)計目標(biāo)是減小變壓器體積和重量并提高其整體效率，其工作原理為：工頻信號先被變換為中頻信號(600 Hz112 kHz)后通過中頻隔離變壓器耦合到其副邊, 中頻信號隨后又被同步還原為工頻信號。 為了減小器件開關(guān)過程中由于電流突變造成的過電壓, 該技術(shù)方案采用了一種 4 級開關(guān)控制策略, 可使功率器件在無吸收電路的條件下安全換向。圖 2 中的中頻隔離變壓器采用了常規(guī)的硅鋼鐵心變壓器。實驗表明 , 對于常規(guī)變壓器, 當(dāng)其工

6、作頻率由 60 Hz 提高到 110 kHz 后, 變壓器的輸送容量可提高3倍，效率也有所提高。這種PET的體積比同容量的常規(guī)變壓器小 1/3, 總體效率與常規(guī)變壓器相當(dāng) , 其原理和控制較簡單, 易于實現(xiàn)。但變壓器副邊波形基本是對原邊波形的還原, 可控性不高。圖2基于AC/AC變換的PET （單相）為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，Man jrekar M.D. 和 Kieferndorf R 等人在buck-boost變換器的基礎(chǔ)上提出一種直接 AC/AC變換結(jié)構(gòu)的PET（見圖3）,._jv L ' -圖 3 基于 buck-boost 的 PET這種變壓器的工作過程為：輸入三相電源的線電壓通

7、過功率開關(guān)S1,S2和S3被調(diào)制成高頻交流加載至高頻變壓器的原邊。在變壓器的副邊，高 頻交流信號經(jīng)功率器件 S1' , S2 '和S3'同步還原為工頻交流輸出。圖中Li, Ci構(gòu)成了 LC濾波器以減小變換器對電源注入的諧波電流。此技術(shù)方案的特點是結(jié)構(gòu)和控制簡單，功率器件數(shù)少，成本低，但由于工作過程中電 流斷續(xù)，會造成器件兩端出現(xiàn)尖峰電壓，且輸出電壓諧波較大。目前國內(nèi)外研究中最具代表性的電力電子變壓器為交一直一交一直一交型雙直流環(huán)拓撲，結(jié)構(gòu)如圖4所示3五"四 H6小居圖4三相雙直流環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)電力電子變壓器截止目前，國際上對電力電子變壓器的研究尚處于初級階段，還有

8、許多 相關(guān)的理論和實際問題需要研究。要達到實用化，功能上還需進一步完善。3、PET優(yōu)缺點分析 電力電子變壓器將電力電子技術(shù)應(yīng)用到變壓器的設(shè)計和制造當(dāng)中，它通過電 力電子變換技術(shù)實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞。鑒于電力電子變換 技術(shù)所具備的特點，電力電子變壓器應(yīng)具備以下優(yōu)點:改善供電電能質(zhì)量，實現(xiàn)恒頻、恒壓輸出：始終保證原邊電流和副邊 電壓為正弦波形，并且可實現(xiàn)原邊功率因數(shù)始終接近于I.。；可以高度自動化，配電網(wǎng)絡(luò)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以直接遠程通訊控制電力電子變壓器，實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測和控制;體積小、重量輕。由于在城市中配電變壓器的分布密度相當(dāng)高，因此其體積、重量及易維護性對良好的城市建設(shè)與規(guī)劃

9、非常重要：環(huán)保效果好，可以空氣自然冷卻，省去充油，從而減少污染、維護簡單、安全性好；可以不需要常規(guī)繼電保護裝置；而且兼有斷路器的功能，大功率電力電子器件可以瞬時（微秒級 ）關(guān)斷故障大電流；電力電子變壓器可靈活可靠地將各種分布式電源融入電力系統(tǒng)， 給用戶使用電能也帶來很大的方便；可以改變電力系統(tǒng)中的有功、無功潮流，并對正常運行和故障時電力系統(tǒng)的功率平衡要求予以快速補償。電力電子變壓器也有不足之處：電力電子裝置的使用可能會產(chǎn)生諧波，但通過適當(dāng)?shù)腜W腑制可以減小到最低程度。按理論計算，電力電子變壓器效率高于常規(guī)變壓器，但在目前技術(shù)條件下，實際運行效率可能比常規(guī)變壓器稍低一些。以后隨著電力電子器件發(fā)展

10、水平的提高、控制技術(shù)方案的改進優(yōu)化以及散熱方式的改善等，電力電子變壓器的運行效率會逐漸提高。由于目前電力電子器件較貴， 因此電力電子變壓器價格較常規(guī)變壓器要貴一些，這將直接影響推廣到實際應(yīng)用。4、PET的應(yīng)用4.1 PET 在分布式電源并網(wǎng)中的應(yīng)用近年來，分布式發(fā)電系統(tǒng)已成為重要的能源。分布式電源交直流兼有， 容量小，分布廣，且其電壓或頻率波動性較大。傳統(tǒng)逆變器采用工頻變壓器, 成本高，體積大，逆變效率難以提高，同時需要額外的調(diào)壓、調(diào)頻設(shè)備才能 保證供電質(zhì)量。PET交直流環(huán)節(jié)兼有，可靈活地將各種分布式電源接入電力 系統(tǒng)，另外由于能對整流、逆變部分進行控制，可省去額外的調(diào)壓、調(diào)頻設(shè) 備，降低了成

11、本。圖5為可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。變換器風(fēng)力 發(fā)電 小水電電用電 料太發(fā) 燃池能圖5可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖可再生能源有多種形態(tài)，且轉(zhuǎn)化為電能的方式不同，決定了可再生能源在轉(zhuǎn)化為直流電能時有不同的直流側(cè)處理電路，如光伏發(fā)電需使用DCy DC電路，而風(fēng)力發(fā)電則需使用 AC/DC電路。然后經(jīng)過電力電子變壓器的隔離 環(huán)節(jié)，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻交流電。通過高頻變壓器耦合到副邊，再整流成 直流電壓。高頻變壓器主要實現(xiàn)電壓等級變換和分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的電 氣隔離作用。最后通過逆變器實現(xiàn)和公用電網(wǎng)的并網(wǎng)。采用電力電子變壓器實現(xiàn)的風(fēng)力和小水電單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖6所 示，該結(jié)構(gòu)為交一直一交

12、一直一交型雙直流環(huán)拓撲圖6風(fēng)力和小水電單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖輸入環(huán)節(jié)為三相電壓型PW摩流電路，將交流發(fā)電機的交流電變?yōu)橹绷鳎?且實現(xiàn)直流輸出電壓可控、單位功率因數(shù)運行。對 PW慳流電路可以采用電 壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制技術(shù)方案。電壓外環(huán)是為了實現(xiàn)對輸出電壓 的控制，電流內(nèi)環(huán)是為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。為了獲取快速的動態(tài)響 應(yīng)，電流環(huán)可以采用直接電流控制技術(shù)，電壓環(huán)采用常規(guī)的 PI控制。對于并網(wǎng)逆變器的隔離環(huán)節(jié)，高頻變壓器原邊的單相逆變電路，在開關(guān) 損耗允許和變壓器磁芯允許的范圍內(nèi)，逆變器輸出頻率越高，變壓器的體積 和重量越小，只須達到高頻逆變目的即可。對于變壓器副邊整流電路，只要 能實現(xiàn)高

13、頻整流即可。因此，變壓器原邊逆變電路和副邊整流可以用開環(huán)控 制方式實現(xiàn)，將直流調(diào)制成占空比為50%的高頻方波，變壓并耦合到高頻變 壓器的副邊繞組后再同步整流還原成直流。輸出環(huán)節(jié)為單相PW隨變器，逆變器并網(wǎng)運行的目標(biāo)：一是逆變器能夠 與電網(wǎng)穩(wěn)定地并聯(lián)運行，二是能將可再生能源以高功率因數(shù)回饋電網(wǎng)。為了 使系統(tǒng)在并網(wǎng)工作時功率因數(shù)近似為l ,則必須要求逆變器輸出的并網(wǎng)電流 為正弦波，且和電網(wǎng)電壓同頻率、同相位。多數(shù)并網(wǎng)逆變器對輸出電流的控 制是采用瞬時值控制技術(shù)方案。先進的瞬時值控制一般采用閉環(huán)反饋，最典 型的是輸出濾波電感電流反饋構(gòu)成的電流跟隨控制逆變器。比較常見的電流跟隨控制技術(shù)有電流滯環(huán)瞬時值

14、控制技術(shù)和電流正弦脈寬調(diào)制(SPWM瞬時值控制技術(shù)。4.2 PET 在配電網(wǎng)中的應(yīng)用在配電網(wǎng)中，配電線路經(jīng)常會出現(xiàn)各種電壓擾動，如電壓驟升、驟降、閃變、波動等。對于對電壓敏感的負荷，如電腦、通信設(shè)備等，經(jīng)常會造成巨大損失，如珍貴數(shù)據(jù)的丟失、通信的中斷等。傳統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復(fù)器可以解決配電線路電壓擾動的問題， 但是傳統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復(fù)器用一個可調(diào)自耦變壓器和隔離變壓器去對系統(tǒng)注入一個補償電壓， 這種結(jié)構(gòu)不但動態(tài)響應(yīng)比較慢，而且大的工頻變壓器也是其主要缺點，工頻變壓器不僅體積大、成本高，而且變換效率低。在此介紹一種基于電力電子變壓器的動態(tài)電壓恢復(fù)器。 該動態(tài)電壓恢復(fù)器分為三級，輸入級為三相半橋PWMS

15、流器，可以從電網(wǎng)中獲取能量，從而實現(xiàn)可連續(xù)運行，可以使得整流器電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，大大降低低次諧波，實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。隔離級采用高頻變壓器來實現(xiàn)隔離、變壓和能量傳遞，高頻變壓器原邊的電壓源變換器將直流電調(diào)制為交流電，通過高頻變壓器耦合到副邊， 然后通過副邊的電壓源變換器進行同步解調(diào)， 還原為直流電。輸出級采用二個單相電壓源逆變器并聯(lián)的模式，每個單相逆變器連接LC濾波器，通過電容器將補償電壓耦合到各相中去，實現(xiàn)對各相電壓的調(diào)節(jié)。這種基于電力電子變壓器的動態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理為利用傳感器、 檢測電路檢測出電源側(cè)電壓；通過控制電路產(chǎn)生補償給定信號；由SPW期成PWM信號：再由驅(qū)動電路去控制電壓型

16、逆變器的功率開關(guān)；最后通過濾波器濾除高次電壓諧波，在串聯(lián)電容器上產(chǎn)生與畸變分量相反的補償電壓，從而提高負載側(cè)的電能質(zhì)量，使電能質(zhì)量敏感負荷免受電壓跌落、不對稱、閃變、波動及諧波的影響。該動態(tài)電壓恢復(fù)器的輸入級的三相半橋PWMI流器用于實現(xiàn)三相高頻整流，在理論上，不但可以實現(xiàn)輸入電流正弦，且可以實現(xiàn)原方輸入功率因數(shù)可控、直流輸出電壓可控。輸入級高頻整流一般需要采用雙環(huán)控制，即直流電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)，這和分布式電源并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)中輸入級PWMS流器的控制方式是一樣的。隔離級作用是將輸入級的高壓直流調(diào)制成中頻方波信號，經(jīng)中頻變壓器變壓并耦合到副邊后再轉(zhuǎn)換成低壓直流。這一級實現(xiàn)隔離及直流降壓功能。

17、采用開環(huán)控制，由PWMfc術(shù)調(diào)制直流電壓成高頻方波，耦合到中頻變壓器副邊后再同步解調(diào)成直流。輸出級的三個單相電壓源逆變器通過電容器將補償電壓耦合到各相線路中去?？梢圆扇?fù)合控制方式，同時檢測電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)電壓作為電壓補償指令。5、PET與柔性交流輸電技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用5.1 輸電網(wǎng)高壓短路限流器隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及負荷的增大, 系統(tǒng)的互聯(lián)就會使短路電流水平不斷提高 , 傳統(tǒng)的限流保護措施都顯露了較大的局限性。 因此 , 發(fā)展新型的故障限流保護裝置(FCL) 勢在必行。電力電子型FCL 與電力電子變壓器技術(shù)相結(jié)合就可實現(xiàn)綜合型多功能FACT舜件,具有非常好的發(fā)展前景。在此介紹一種電力電子變壓器型F

18、CL,其基本原理如圖 7 所示。圖7帶串補功能的電力電子變壓器型 FCL模塊FCL模塊被串聯(lián)在電力電子變壓器輸入模塊前端 ，控制器通過檢測其輸 出端電流以及輸入端電流對 FCL模塊中的開關(guān)進行控制。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時 開關(guān)斷開電流通過串補電容變流，這樣既實現(xiàn)了串補功能，又實現(xiàn)了開關(guān)的 零損耗。當(dāng)故障時，檢測的電流達到臨界電流值，開關(guān)迅速閉合，電容和電感 諧振實現(xiàn)高導(dǎo)通阻抗，就實現(xiàn)了短路電流的限制。5.2 不間斷供電技術(shù)應(yīng)用在配電網(wǎng)中的電力電子變壓器可在直流環(huán)節(jié)加上蓄電池組，組成在線式不間斷電源（UPS）。由于在線式UPS總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸 出電壓動態(tài)響應(yīng)特性好，波形畸變小，并通過監(jiān)控

19、輸入電壓的狀態(tài)對蓄電池 組進行投切。當(dāng)電網(wǎng)正常時，市電通過電力電子變壓器對負載供電，對電網(wǎng) 的畸變和干擾有很好的抑制作用。當(dāng)電網(wǎng)掉電時，由蓄電池組向逆變器供電， 以保證負載不問斷供電。如果逆變器發(fā)生故障，UPS通過靜態(tài)開關(guān)切換到旁路，由旁路供電。當(dāng)故障消失后，UPS又重新切換到由逆變器向負載供電。 因此可以更好的保證供電質(zhì)量。當(dāng)電力電子變壓器應(yīng)用在分布式能源發(fā)電系 統(tǒng)時，也可以把蓄電池組接入直流環(huán)節(jié)，作為中間儲能環(huán)節(jié)。利用蓄電池和分布式能源構(gòu)成獨立的供電系統(tǒng)來向負載提供電能， 當(dāng)分布式能源輸出電能 不能滿足負載要求時，由蓄電池來進行補充，而當(dāng)其輸出的功率超出負載需求時，將電能儲存在蓄電池中6

20、AC/AC型PET的控制策略以圖2中的整流模塊為例，其開關(guān)驅(qū)動波形如圖8所示。其中，0為整流 模塊與逆變模塊驅(qū)動相角差。通過控制移相角0的大小來進行輸出電壓幅值 調(diào)節(jié)，同時，變壓器起到隔離和變壓的作用。圖8 AC/AC型開關(guān)驅(qū)動波形由于開關(guān)將開通、關(guān)斷較大電流，因而其電壓電流應(yīng)力都很大?？梢圆捎?步開通策略改善開關(guān)特性，具開關(guān)管控制順序如圖9所示。該策略能夠減小開關(guān)損耗，并可將開關(guān)管的吸收回路去掉而不影響其正常工作，但控制 較復(fù)雜,輸入功率因數(shù)仍然不能得到調(diào)節(jié)圖9 4步開通策略開關(guān)驅(qū)動波形7交一直一交一直一交型PET的控制策略以圖4所示的雙直流環(huán)節(jié)為例進行研究，對輸入整流模塊、隔離模塊、 輸出

21、逆變模塊分別進行討論，提出控制方法。7.1 輸入整流模塊控制策略輸入整流模塊實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。若不考慮功率的雙向流動，可對輸入整流模塊進行簡化，拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略如圖10所示。in悻惇蟀A空間矢量* “節(jié)酷T電流信號，制+1圖10整流模塊拓撲結(jié)構(gòu)和控制流程三相全橋采用空間電壓矢量控制可以實現(xiàn)三相輸入電壓完全解耦 ，達到 很高的控制性能?？臻g電壓矢量控制用三相電壓矢量去逼近矢量電壓圓 ，輸 入端會得到等效三相正弦電流波形。開關(guān)矢量由 8個矢量組成，包括2個零 矢量，如圖11所示。圖11電壓空間矢量分布如果將電壓圓分成N等份，采樣周期為Ts，則任一空間矢量Vr可由其 相鄰兩個開關(guān)矢量來等效，相應(yīng)導(dǎo)

22、通時間為：T =7".sin 77T2 - Tssin 8T式中：m為調(diào)制比。零矢量作用的時間為：丁0 = 7；” T2矢量與參考電壓矢量的夾角0要通過求矢量在口,(3坐標(biāo)軸上投影分量之比的反正切來求得，然后查正弦表求得矢量作用時間 T1和T2 ,因而計算 比較復(fù)雜?？梢圆捎靡环N改進的簡化快速計算方法 ，即根據(jù)參考電壓矢量在 %、(3坐標(biāo)軸上分量，直接計算空間矢量在各個扇區(qū)內(nèi)的作用時間。即定義 時間算子:容易證明合成電壓矢量在各個扇區(qū)內(nèi)的作用時間都是上述時間算子的線性組合，從而去除了三角函數(shù)查表的問題，簡化了控制過程，提高了控制電 路的信號處理能力。7.2 隔離模塊控制策略隔離模塊采用全橋整流模式，其拓撲及其控制策略如圖12所示。全橋變 換器通過移相控制產(chǎn)生高頻方波并通過高頻變壓器進行能量傳遞，同時，高頻變壓器起到隔離和調(diào)壓作用?？刂撇呗杂蓛刹糠纸M成：通過調(diào)節(jié)占空比 控制加在變壓器原邊繞組上的矩形波的電壓幅值 Vp,進而調(diào)節(jié)輸出電壓； 檢測負載電流的變化情況，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率f,以保證隔離模塊在滿載和輕載時 都有較高的效率。廢率調(diào)制圖12隔離模塊拓撲及其控制流程全橋變換器在實現(xiàn)零電壓開關(guān) （ZVS）時，超前臂依靠濾波電感和漏感實現(xiàn)ZVS較容易，而滯后橋臂只能