电力电子变压器原理、现状、应用场合介绍

电力电子变压器介绍

0、前言

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。

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、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的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输配电系统(10kV以上)的PET的研究方面进展不大。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 V／240 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 Hz～ 112 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 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; 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—直—交—直—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：

①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；

②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；

③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：

④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