電力電子變壓器

1、 電力電子變壓器的理論及其 應(yīng)用一、電力電子變壓器概述 電力電子變壓器又被稱為固態(tài)變壓器 ( Solid State Transformer SST)、智能通用變壓器( Intelligent Universal Transformer IUT)或電子電力變壓器 ( Electronic Power Transformer EPT)。本文中將統(tǒng)一稱為電力電子變壓器。電力電子變壓器的基本思想是用高頻變壓器替代工頻變壓器。由于變壓器的體積大小是磁心材料飽和磁通密度的函數(shù)，而飽和磁通密度與頻率成反比，因此提高頻率可以提升鐵心材料利用率并減小變壓器的體積。同時在高頻變壓器的原邊和副邊引入電力電子變換技

2、術(shù)，通過適當?shù)目刂苼韺崿F(xiàn)變壓器兩側(cè)電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)型變壓器： 傳統(tǒng)變壓器具有成本低、效率高、可靠性好等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸配電系統(tǒng)中。如今隨著智能電網(wǎng)的不斷開發(fā)和建設(shè)，更多的分布式發(fā)電系統(tǒng)需要有效、可靠地融入電力系統(tǒng)中，用戶對供電的可靠性、靈活性與電網(wǎng)負荷的品質(zhì)也都提出了更高的要求。僅實現(xiàn)電壓變換、隔離和能量傳輸功能的傳統(tǒng)變壓器己經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)的需求，其固有缺點，如飽和、直流偏磁、波形畸變、空載損耗大等，也變得越來越突出。隨著大功率電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，一種基于電力電子變換技術(shù)的新型變壓器電力電子變壓器( Power Electronic Transformer ，PE

3、T)得到了廣泛關(guān)注。 與傳統(tǒng)的變壓器相比，PET不僅具有體積小、重量輕、無污染的優(yōu)點，還可以實現(xiàn)以下功能: (1)系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào)，且電流不受負載電流質(zhì)量影響。 (2)負載側(cè)電壓輸出恒定，不隨負載的改變而變化，并不受系統(tǒng)側(cè)電壓畸變的影響。 (3)可以實現(xiàn)過流保護。二、電力電子變壓器的發(fā)展狀況 PET概念的提出最早可以追溯到1970年，美國GE公司的W McMurray提出了一種具有高頻鏈接的AC/AC變換電路，這種高頻變換的原理成為后來PET發(fā)展的基本思路。1996年，日本學(xué)者Koosuke Harada將相位調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到這種拓撲中，實現(xiàn)了恒壓、恒流和功率因數(shù)校正，稱之為智能變壓器(Int

4、elligent Transformer)。這些研究成果在200V,3kVA的實驗裝置上得到了驗證，開關(guān)頻率達到了16.7kHz，效率約為80%-90%。1980年，美國海軍在一個研究項目中將一種基于Buck電路的AC/AC變換器作為PET的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了降壓的功能。之后的1995年，美國電力科學(xué)研究院(EPRI)對此結(jié)構(gòu)進行了深入研究，研制出了基于AC/AC變換的PET實驗樣機。早期的PET的理論和實驗研究并不成熟，雖研制出了實驗樣機，但功率和高壓側(cè)的電壓等級都低于配電網(wǎng)中的實際應(yīng)用等級，所提出的各種設(shè)計方案未能實用化。隨著大功率電力電子器件和高壓大功率變換技術(shù)的發(fā)展，PET研究領(lǐng)域也取得

5、了突破性的進展。提出了一些適應(yīng)PET特性的拓撲結(jié)構(gòu)，并制造出與配電系統(tǒng)電壓等級相匹配的實驗樣機。三、電力電子變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)及分類 PET的拓撲結(jié)構(gòu)可以根據(jù)電能變換的次數(shù)分為三類:單級型、雙級型和三級型，其中雙級型結(jié)構(gòu)又可分為具有高壓直流環(huán)節(jié)和具有低壓直流環(huán)節(jié)兩種。下文將對每類PET的典型結(jié)構(gòu)進行分析。 1 單級型PET拓撲結(jié)構(gòu):上圖所示的是一種典型的AC/AC單級型PET結(jié)構(gòu)。為了達到減小尺寸、減輕重量、提高效率的目的，該拓撲采用了工作頻率提升至0. 6-1. 2kHz的硅鋼鐵心變壓器，其傳遞能量的能力是工頻變壓器的三倍。此PET先將輸入的工頻正弦波電壓經(jīng)變壓器原邊的變換器調(diào)制成高頻(0.

6、6 1. 2kHz)電壓，后由變壓器藕合到副邊再還原成工頻正弦波電壓，原邊和副邊的變換器在進行波形變換時必須保持同步。 雙級型PET結(jié)構(gòu)可分為具有高壓直流環(huán)節(jié)和具有低壓直流環(huán)節(jié)兩種。其中，具有高壓直流環(huán)節(jié)PET的工作原理是將工頻高壓交流電整流為高壓直流后，經(jīng)過含有高頻降壓變壓器的隔離型逆變器轉(zhuǎn)換為低壓交流。具有低壓直流環(huán)節(jié)的PET工作原理相似，只是先通過隔離型整流器將工頻高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流，再逆變?yōu)榈蛪航涣鳌? 雙級型PET拓撲結(jié)構(gòu): 具有高壓直流環(huán)節(jié)的雙級型PET:具有低壓直流環(huán)節(jié)的雙級型PET： 上圖提所提出的雙級型單相PET拓撲，為一種只含有低壓直流環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，隔離級采用的是DAB

7、 (Dual Active Bridges)整流變換器，直接將高壓交流整流并降壓為低壓直流。此結(jié)構(gòu)傳遞的平均有功功率對漏感非常敏感，電流波動很大，并且對低壓直流側(cè)的調(diào)節(jié)能力很弱。此類拓撲結(jié)構(gòu)無論是高壓整流還是低壓整流后未加濾波電容，嚴格意義上講并不具備可用的直流環(huán)節(jié)，更可看做是單級AC/AC結(jié)構(gòu)的改進。 雙級型PET在簡化結(jié)構(gòu)方面不如單級型PET，在可控性方面不如三級型PET，所以雙級型結(jié)構(gòu)并不適合作為PET拓撲結(jié)構(gòu)。 3 三級型PET拓撲結(jié)構(gòu) 三級結(jié)構(gòu)PET的工作原理為:工頻交流電壓經(jīng)過AC/DC變換器整流后變?yōu)橹绷?，再通過一個含有高頻變壓器的DC/DC變換器進行直流變壓，最后經(jīng)DC/AC逆

8、變?yōu)樗璧慕涣麟妷?。此類結(jié)構(gòu)的PET變換次數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其良好的控制特性可使PET實現(xiàn)的功能更多，應(yīng)用的范圍更廣。而且與單級結(jié)構(gòu)相比，三級型PET具有的低壓直流環(huán)節(jié)可以整合能量存儲設(shè)備來提高PET的穿越能力，并能為分布式發(fā)電的接入提供接口，也可為電動汽車充電。拓撲結(jié)構(gòu)1： 上圖所示的就是一種典型的三級型PET拓撲結(jié)構(gòu)，三相工頻交流電壓整流后得到的直流電壓，在高頻變壓器的原邊被單相全橋逆變電路調(diào)制為高頻方波，耦合到副邊后被還原為直流電壓，最后通過逆變得到所需要的三相或單相工頻交流電壓。此結(jié)構(gòu)并不適用于高壓、大功率場合，因為高壓側(cè)的功率器件串聯(lián)會帶來均壓和可靠性問題，使得成本提高，設(shè)計難度加大

9、。拓撲結(jié)構(gòu)2： 如圖所示，結(jié)構(gòu)2的三級型PET是具有三相自平衡能力的PET。其中右圖是其中單相的詳細結(jié)構(gòu)。 自平衡PET高壓級的每一相都由N個完全相同的單相全橋VSC模塊級聯(lián)而成，并通過適當?shù)目刂剖菇涣鱾?cè)高壓平均分配在N個單相全橋變換器上。隔離級采用的是雙全橋DC-DC變換器，將其拓展為N個輸入3個輸出的結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地采用了一個N輸入、3輸出的高頻變壓器。低壓級由三個獨立的單相全橋變換器模塊組成，再將每個單元形成的三相輸出對應(yīng)并聯(lián)在一起。 自平衡PET結(jié)構(gòu)是針對系統(tǒng)或負載側(cè)出現(xiàn)的不平衡都會藕合到另一側(cè)這一問題而提出的。因為配電系統(tǒng)中不對稱負荷會非常頻繁地出現(xiàn)，三相系統(tǒng)電壓不平衡也時常發(fā)生，所提的

10、自平衡PET能夠有效地避免系統(tǒng)與負載之間的影響。但是這種PET結(jié)構(gòu)也存在一定問題，其隔離級中大功率的多端口輸入、多端口輸出高頻變壓器設(shè)計起來非常困難，并且模塊間會有環(huán)流。四、電力電子變壓器三類結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)功能的比較 由于將電力電子變換技術(shù)引入到了變壓器中，使得PET可以通過適當?shù)目刂贫邆湫碌奶匦浴５珜τ诓煌腜ET拓撲結(jié)構(gòu)，其功能拓展能力也會有強弱。下表中對三類PET拓撲可實現(xiàn)的功能進行了比較。通過對上述的PET拓撲結(jié)構(gòu)的分析和比較可見，三級型結(jié)構(gòu)具有較強的可控性更適合作為PET拓撲結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的控制策略也在逐步完善。但是，要使電力電子變壓器在實際應(yīng)用中替代傳統(tǒng)變壓器，實現(xiàn)產(chǎn)品化還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。五、總結(jié) 本文闡述和分析了電力電子變壓器的基本理論和發(fā)展狀況，對典型的電力電子變壓器拓撲結(jié)構(gòu)進行了論述和對比。隨著電力電子變換技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件技術(shù)的進步，電力電子變壓器造價會逐漸降低，效率會不斷提升，可靠性會逐步提高，使之取代傳統(tǒng)變壓器成為可能，而控制靈活，功能強大的特點也使得電力電子變壓器具有更廣闊的應(yīng)用前景。