配電系統(tǒng)電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述

陳啟超，紀(jì)延超，潘延林，王建賾

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

配電系統(tǒng)電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述

陳啟超，紀(jì)延超，潘延林，王建賾

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

電力電子變壓器(PET)是一種結(jié)合電力電子變換器和高頻變壓器而構(gòu)成的電能傳輸設(shè)備，在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)國內(nèi)外研究的配電系統(tǒng)電力電子變壓器熱點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了分類，并針對(duì)各種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了分析和對(duì)比。指出電力電子變壓器在減小自身體積和重量、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等方面具有傳統(tǒng)變壓器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。尤其是具有直流環(huán)節(jié)的三級(jí)型結(jié)構(gòu)，其良好的控制性能使電力電子變壓器可實(shí)現(xiàn)更多的功能，也為分布式發(fā)電系統(tǒng)更好地融入智能電網(wǎng)提供了通道，是電力電子變壓器未來的發(fā)展方向。最后就電力電子變壓器的實(shí)際應(yīng)用提出了需要重點(diǎn)研究的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

配電系統(tǒng);電力電子變壓器;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);三級(jí)型

1 引言

傳統(tǒng)變壓器具有成本低、效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(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(duì)供電的可靠性、靈活性與電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷的品質(zhì)也都提出了更高的要求。僅實(shí)現(xiàn)電壓變換、隔離和能量傳輸功能的傳統(tǒng)變壓器已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)的需求，其固有缺點(diǎn)，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［1］(Power Electronic Transformer，PET)得到了廣泛關(guān)注。

電力電子變壓器又被稱為固態(tài)變壓器［2］(Solid State Transformer，SST)、智能通用變壓器［3］(Intelligent Universal Transformer，IUT)或電子電力變壓器［4］(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、磁心和繞組最大容許溫升的函數(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［5］。同時(shí)在高頻變壓器的原邊和副邊引入電力電子變換技術(shù)，通過適當(dāng)?shù)目刂苼韺?shí)現(xiàn)變壓器兩側(cè)電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)。

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(diǎn)，還可以實(shí)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(fù)載電流質(zhì)量影響。

(2)負(fù)載側(cè)電壓輸出恒定，不隨負(fù)載的改變而變化，并不受系統(tǒng)側(cè)電壓畸變的影響。

(3)過流保護(hù)。

國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)PET的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分研究，以優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并提高功率轉(zhuǎn)換效率、提高系統(tǒng)的可靠性、提高輸出電壓波形質(zhì)量、拓展應(yīng)用范圍等為目標(biāo)，提出了一系列新式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文將對(duì)近十五年來國內(nèi)外提出的PET主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和比較，并對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)用化的可行性和亟待解決的問題加以探討。

2 電力電子變壓器的發(fā)展?fàn)顩r

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［6］，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?fù)渲?，?shí)現(xiàn)了恒壓、恒流和功率因數(shù)校正，稱之為智能變壓器［7］(Intelligent Transformer)。這些研究成果在200V、3kVA的實(shí)驗(yàn)裝置上得到了驗(yàn)證，開關(guān)頻率達(dá)到了16.7kHz，效率約為80%～90%。

1980年，美國海軍在一個(gè)研究項(xiàng)目中將一種基于Buck電路的AC/AC變換器作為PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［8］，實(shí)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(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，研制出了基于AC/AC變換的PET實(shí)驗(yàn)樣機(jī)［9］。

早期的PET的理論和實(shí)驗(yàn)研究并不成熟，雖研制出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，但功率和高壓側(cè)的電壓等級(jí)都低于配電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用等級(jí)，所提出的各種設(shè)計(jì)方案未能實(shí)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)域也取得了突破性的進(jìn)展。提出了一些適應(yīng)PET特性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并制造出與配電系統(tǒng)電壓等級(jí)相匹配的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

3 電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其分類

PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)電能變換的次數(shù)分為三類［10］:單級(jí)型、雙級(jí)型和三級(jí)型，其中雙級(jí)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，如圖1所示。下文將對(duì)每類PET的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.1 單級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單級(jí)型PET的工作原理為:輸入的工頻交流電壓在高頻變壓器的原邊直接被調(diào)制為高頻交流電壓，耦合到副邊后再直接被還原為工頻交流電壓。只通過一次電能變換實(shí)現(xiàn)變壓功能，具有變換環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

圖2所示的是文獻(xiàn)［5］提出的一種典型的AC/ AC單級(jí)型PET結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到減小尺寸、減輕重量、提高效率的目的，該拓?fù)洳捎昧斯ぷ黝l率提升至0.6～1.2kHz的傳統(tǒng)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(0.6～1.2kHz)電壓，后由變壓器耦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(jìn)行波形變換時(shí)必須保持同步。針對(duì)此拓?fù)湓诟行载?fù)載時(shí)存在不能有效工作的問題，文獻(xiàn)［5］中提出了一種基于判斷輸入電壓或輸出電流的極性的四步控制策略，可使功率器件在無吸收電路的情況下安全換向，并降低了開關(guān)損耗。所提的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略在一臺(tái)10kVA的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上得到了驗(yàn)證。

圖1 電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類Fig．1 Classification of PET topologies

圖2 AC/AC單級(jí)型PETFig．2 AC/AC single-stage PET

AC/AC單級(jí)型PET結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)突出，其電路拓?fù)浜?jiǎn)潔，變換效率高，可雙向傳輸功率。后續(xù)又有學(xué)者針對(duì)此結(jié)構(gòu)的控制策略進(jìn)行了研究，使其實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)［11］。但是此PET功能單一，網(wǎng)側(cè)不具備功率因數(shù)校正功能，且對(duì)原邊與副邊開關(guān)信號(hào)的同步性要求非常嚴(yán)格。

文獻(xiàn)［12］在Buck-Boost變換器的基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化的直接AC/AC變換的PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。所提的拓?fù)鋵uck-Boost變換電路中傳遞能量的電感替換為高頻耦合電感，可通過控制開關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓高低。原邊的電感和電容構(gòu)成了二階濾波器以減小變換器對(duì)電源注入的諧波電流。文獻(xiàn)［12］對(duì)所提的PET結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并研制出一臺(tái)10kW、開關(guān)頻率5kHz的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

圖3 基于Buck-Boost變換器的PETFig．3 PET based on Buck-Boost converter

圖3所示的PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，三相的電力電子變換器結(jié)構(gòu)只用了六個(gè)功率器件，但卻存在開關(guān)電流斷續(xù)導(dǎo)致開關(guān)器件兩端出現(xiàn)尖峰電壓的現(xiàn)象，使得輸出電壓諧波較大。因此，這種結(jié)構(gòu)只適用于低壓小功率場(chǎng)合。

文獻(xiàn)［13］基于推挽電路提出了一種單級(jí)型PET結(jié)構(gòu)，如圖4所示。此結(jié)構(gòu)在高壓側(cè)僅使用了兩個(gè)全控型開關(guān)器件，且控制也非常簡(jiǎn)單，只需兩個(gè)互補(bǔ)的固定占空比為50%的高頻控制信號(hào)。輸入側(cè)的三相電壓每一相接入一個(gè)如圖4所示的三繞組高頻變壓器，并將每相高頻變壓器原邊相對(duì)應(yīng)的端子引出，接入一個(gè)帶有可控開關(guān)的三相二極管整流電路。兩個(gè)開關(guān)交替工作，將輸入的工頻交流電壓變換為高頻交流電壓后再經(jīng)過變壓器變壓。輸出低壓側(cè)采用了矩陣變換器將高頻交流電壓還原為所需的工頻電壓，為負(fù)載供電。

圖4 基于push-pull變換器的PETFig．4 PET based on push-pull converter

圖4所示的PET拓?fù)錁?gòu)造簡(jiǎn)單，控制也不復(fù)雜，但是由于輸入側(cè)控制死區(qū)及變壓器漏感的存在，變壓器的原邊和副邊必須加裝鉗位電路才能使開關(guān)器件安全換流。附加的箝位電路不僅帶來了損耗、輸出電流畸變及共模電壓，同時(shí)也帶來了單級(jí)型結(jié)構(gòu)原本可以避免使用的大容量電解電容，使得這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)作為PET拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)大大降低。

3.2 雙級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙級(jí)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?/p>

文獻(xiàn)［14］中提到了如圖5所示的雙級(jí)型單相PET拓?fù)?，為一種只含有低壓直流環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，隔離級(jí)采用的是DAB(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(duì)漏感非常敏感，電流波動(dòng)很大，并且對(duì)低壓直流側(cè)的調(diào)節(jié)能力很弱。文獻(xiàn)［15，16］提出的拓?fù)浞蠄D1(b)和圖1(c)所描述的雙級(jí)型PET變換形式，但無論是高壓整流還是低壓整流后未加濾波電容，嚴(yán)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(jí)AC/AC結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

圖5 基于DAB整流器的雙級(jí)型PET結(jié)構(gòu)Fig．5 Two-stage PET based on DAB rectifier

雙級(jí)型PET在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)方面不如單級(jí)型PET，在可控性方面不如三級(jí)型PET，所以雙級(jí)型結(jié)構(gòu)并不適合作為PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.3 三級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三級(jí)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(gè)含有高頻變壓器的DC/DC變換器進(jìn)行直流變壓，最后經(jīng)DC/AC逆變?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(shí)現(xiàn)的功能更多，應(yīng)用的范圍更廣。而且與單級(jí)結(jié)構(gòu)相比，三級(jí)型PET具有的低壓直流環(huán)節(jié)可以整合能量存儲(chǔ)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(dòng)汽車充電。

圖6所示的就是一種典型的三級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［17］，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(chǎng)合，因?yàn)楦邏簜?cè)的功率器件串聯(lián)會(huì)帶來均壓和可靠性問題，使得成本提高，設(shè)計(jì)難度加大。

圖6 典型的三級(jí)型PETFig．6 Typical three-stage PET

針對(duì)PET高壓側(cè)功率器件的耐壓?jiǎn)栴}，文獻(xiàn)［18］提出了一種輸入級(jí)采用多級(jí)功率模塊串聯(lián)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。這是一種單相降壓式PET方案，輸入級(jí)由單位功率因數(shù)校正電路構(gòu)成，中間隔離級(jí)為雙全橋整流電路，輸出級(jí)采用的是全橋逆變電路。輸入的高電壓被均分到每一個(gè)串聯(lián)的輸入級(jí)模塊中，經(jīng)過隔離級(jí)模塊降壓，得到的低壓直流環(huán)節(jié)并聯(lián)后加入至輸出級(jí)模塊。這種PET的優(yōu)點(diǎn)在于具有很強(qiáng)的可控性，可保證系統(tǒng)側(cè)和負(fù)載側(cè)都有良好的電能質(zhì)量。該方案在一個(gè)10kVA、7.2kV～240V/120V的樣機(jī)上得到了實(shí)現(xiàn)。

圖7 輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的三級(jí)型PETFig．7 Input-series and output-parallel three-stage PET

圖7所示的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來最困難的就是如何保持輸入端不同模塊之間的電壓平衡。二極管整流電路輸出電壓的不可控、模塊間參數(shù)的不匹配，都會(huì)引起模塊間電壓的不平衡。在模塊的輸入端添加穩(wěn)壓電路或箝位電路能解決此問題，但同時(shí)會(huì)帶來大量的損耗，降低PET的效率。每個(gè)模塊的共模電壓也會(huì)導(dǎo)致PET不能正常運(yùn)行。

盡管圖7所示PET拓?fù)浯嬖谝欢ǖ膯栴}，但構(gòu)建此電路結(jié)構(gòu)的思想成為電力電子變壓器后續(xù)研究的基礎(chǔ)，譬如針對(duì)配電網(wǎng)PET輸入端高電壓、輸出端大電流的特點(diǎn)，采用了輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的方式，還有采取了便于拓展、可實(shí)現(xiàn)冗余控制的模塊化結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)今許多較成熟的電力電子變壓器設(shè)計(jì)都是圍繞這種思想展開。

多電平變換器作為高壓大功率場(chǎng)合中較理想的解決方案，也被引入到了PET的研究中。文獻(xiàn)［19］提出了如圖8所示的PET結(jié)構(gòu)，此方案是一種應(yīng)用于中壓系統(tǒng)的降壓式PET。輸入級(jí)采用了二極管鉗位的三電平整流電路，中間級(jí)高頻變壓器的原邊是三電平半橋結(jié)構(gòu)，副邊采用了倍流整流電路，輸出級(jí)為兩電平逆變電路。倍流整流電路能減小整流后輸出電流的波動(dòng)，也可用全橋整流電路替代，但兩種電路的功率器件均為二極管，即此PET只能單向傳遞能量。隨著電壓等級(jí)的提高，輸入級(jí)采用的多電平整流電路的電平數(shù)也可增加，整流后的諧波隨之減少，但相應(yīng)的控制也更加復(fù)雜。作者對(duì)所提結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并研制了一臺(tái)20 kVA的單相PET樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的PET不僅能實(shí)現(xiàn)變壓功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能。

圖8 基于二極管鉗位多電平的三級(jí)型PETFig．8 Three-stage PET based on diode-clamping multilevel converter

與二極管鉗位等多電平結(jié)構(gòu)相比，級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)因?yàn)槠湟子谀K化、可拓展性、相同電平數(shù)時(shí)功率器件應(yīng)用最少等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越多的關(guān)注，同時(shí)也有學(xué)者將級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)應(yīng)用到PET的研究中。

其中，文獻(xiàn)［20］提出了一種具有三相自平衡能力的PET，如圖9所示。圖9(a)為每一相的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖9(b)為整個(gè)三相自平衡PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。自平衡PET高壓級(jí)的每一相都由N個(gè)完全相同的單相全橋VSC模塊級(jí)聯(lián)而成，并通過適當(dāng)?shù)目刂剖菇涣鱾?cè)高壓平均分配在N個(gè)單相全橋變換器上。隔離級(jí)采用的是雙全橋DC-DC變換器，將其拓展為N個(gè)輸入3個(gè)輸出的結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地采用了一個(gè)N輸入、3輸出的高頻變壓器。低壓級(jí)由三個(gè)獨(dú)立的單相全橋變換器模塊組成，再將每個(gè)單元形成的三相輸出對(duì)應(yīng)并聯(lián)在一起。

圖9 自平衡式PETFig．9 Auto-balancing PET

自平衡PET結(jié)構(gòu)是針對(duì)系統(tǒng)或負(fù)載側(cè)出現(xiàn)的不平衡都會(huì)耦合到另一側(cè)這一問題而提出的。因?yàn)榕潆娤到y(tǒng)中不對(duì)稱負(fù)荷會(huì)非常頻繁地出現(xiàn)，三相系統(tǒng)電壓不平衡也時(shí)常發(fā)生，所提的自平衡PET能夠有效地避免系統(tǒng)與負(fù)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(jí)中大功率的多端口輸入、多端口輸出高頻變壓器設(shè)計(jì)起來非常困難，并且模塊間會(huì)有環(huán)流。

同樣是應(yīng)用了級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)［21］提出了如圖10所示的PET拓?fù)洌⑵渥鳛樾滦椭悄茈娋W(wǎng)FREEDM(Future Renewable Electric Delivery and Management)的核心設(shè)備。所提的PET結(jié)構(gòu)輸入級(jí)采用的是級(jí)聯(lián)七電平整流電路，將7.2kV的交流電壓轉(zhuǎn)換為三個(gè)3.8kV的直流電壓。每個(gè)級(jí)聯(lián)模塊后接DAB DC/DC變換器，輸出并聯(lián)后為400V的直流環(huán)節(jié)，可給直流負(fù)載供電，也可通過逆變生成120/240V的低壓交流為交流負(fù)載供電。這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靈活性，可適應(yīng)不同等級(jí)的系統(tǒng)電壓和不同性質(zhì)的負(fù)載。

FREEDM系統(tǒng)研究中心不僅對(duì)所提的PET結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，而且從功率器件的選擇［22］、高頻變壓器的設(shè)計(jì)［23］、各環(huán)節(jié)的控制策略［24］等多個(gè)方面進(jìn)行了深入地探討。此PET的功能很強(qiáng)大，但相應(yīng)的控制也非常復(fù)雜，不僅需要在串聯(lián)側(cè)進(jìn)行電壓平衡控制，還要對(duì)并聯(lián)側(cè)進(jìn)行均流控制，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能。其中級(jí)聯(lián)電容電壓平衡控制尤為重要，因?yàn)檫@關(guān)系到PET能否穩(wěn)定運(yùn)行。而且相比較模塊間參數(shù)差異引起的電壓不平衡，某一模塊故障或損壞引起的不平衡情況更為復(fù)雜，控制起來也更為困難。文獻(xiàn)［25］提出了一種3-D空間調(diào)制技術(shù)，很好地平衡了三個(gè)級(jí)聯(lián)模塊的電容電壓，實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)控制，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的有效性。

圖10 FREEDM研究中心提出的PET結(jié)構(gòu)Fig．10 PET topology purposed by FREEDM System Center

4 電力電子變壓器三類結(jié)構(gòu)可實(shí)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(dāng)?shù)目刂贫邆湫碌奶匦?。但?duì)于不同的PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其功能拓展能力也會(huì)有強(qiáng)弱。表1對(duì)三類PET拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了比較。

表1 三類PET實(shí)現(xiàn)功能比較Tab．1 Functional capabilities comparison among three kinds of PET topologies

通過對(duì)上述的PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析和比較可見，三級(jí)型結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的可控性更適合作為PET拓?fù)浣Y(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(shí)際應(yīng)用中替代傳統(tǒng)變壓器，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。

5 電力電子變壓器亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

盡管研究人員對(duì)PET進(jìn)行了大量研究，但現(xiàn)有的PET技術(shù)還不是很成熟，距離實(shí)際應(yīng)用還有非常大的差距，亟需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行完善與改進(jìn):

(1)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性

在惡劣的環(huán)境下仍可穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行是傳統(tǒng)變壓器成為應(yīng)用最廣泛的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的根本原因。PET作為產(chǎn)品來取代傳統(tǒng)變壓器，必須具備較高的穩(wěn)定性和可靠性。但是，傳統(tǒng)變壓器也是在材料不斷更新、結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)、設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化的過程中，性能得到了逐步改善。同樣對(duì)于PET來說，其性能的提升也有賴于電感、電容、開關(guān)管等器件的發(fā)展。例如15kV SiC IGBT［26］的問世，對(duì)PET的優(yōu)化和設(shè)計(jì)產(chǎn)生了革命性的影響，在減少高壓側(cè)開關(guān)數(shù)量的同時(shí)，其高可靠的開關(guān)能力和強(qiáng)耐溫能力將大大提高PET運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。因此，將一些新材料、新技術(shù)引入到PET的研究中，對(duì)PET的發(fā)展有著重要意義。

(2)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，提高轉(zhuǎn)換效率

PET的優(yōu)點(diǎn)很多，但效率低下一直使其飽受詬病，是制約PET實(shí)用化的主要障礙。研究人員在改善PET結(jié)構(gòu)、提高效率方面做了大量的、積極的嘗試，尤其是針對(duì)開關(guān)頻率很高(可達(dá)10～20kHz)的隔離環(huán)節(jié)［27］，軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)可降低開關(guān)損耗，提高PET的效率。相對(duì)于隔離級(jí)來說，輸入級(jí)和輸出級(jí)的開關(guān)頻率不是很高，但輸入高壓側(cè)開關(guān)的電壓應(yīng)力、輸出低壓側(cè)開關(guān)的導(dǎo)通電流都較大，如果高壓側(cè)的開關(guān)能實(shí)現(xiàn)ZVS(Zero Voltage Switching)，低壓側(cè)的開關(guān)能實(shí)現(xiàn)ZCS(Zero Current Switching)，也將大大降低開關(guān)損耗。

實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的同時(shí)也會(huì)帶來一定問題。因?yàn)檐涢_關(guān)的實(shí)現(xiàn)大都基于諧振原理，而PET是串聯(lián)在系統(tǒng)中，諧振電路的引入會(huì)引起系統(tǒng)怎樣的暫態(tài)過程，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)帶來怎樣的影響，都有待學(xué)者們進(jìn)行更深一步的研究。

(3)實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)

PET要想完全取代傳統(tǒng)變壓器，除了實(shí)現(xiàn)隔離、變壓功能外，必須具備能量雙向傳輸功能。上述的PET結(jié)構(gòu)大部分具有雙向傳輸能量的能力，但都并未真正實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，只是為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，功能上類似于UPS。當(dāng)PET的功率傳輸方向改變時(shí)，輸入級(jí)的整流器變?yōu)槟孀兤?，輸出?jí)的逆變器變?yōu)檎髌?，這時(shí)就需要兩套完全不同的控制方案?？刂撇呗灾行枰獧z測(cè)的電壓量、電流量要相應(yīng)改變，兩種控制方案切換的判斷過程和銜接過程也要考慮，這就要求PET的控制系統(tǒng)不僅能處理大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)具備快速響應(yīng)。因此，相應(yīng)完善的控制方案還有待開發(fā)。

(4)PET的并聯(lián)技術(shù)

配電網(wǎng)PET在產(chǎn)品化的過程中，常常會(huì)出現(xiàn)PET與傳統(tǒng)變壓器并聯(lián)以及多臺(tái)PET并聯(lián)運(yùn)行的情況。并聯(lián)運(yùn)行在提高供電可靠性、提高運(yùn)行效率及減少總的備用容量方面有著積極意義，但是也存在諸多問題，如同步、均流、并列、保護(hù)等問題。文獻(xiàn)［17］從控制策略上對(duì)PET并聯(lián)的均流問題進(jìn)行了探索，卻未針對(duì)配電網(wǎng)中頻繁出現(xiàn)的不平衡負(fù)載和非線性負(fù)載等情況進(jìn)行深入研究。同時(shí)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的PET并聯(lián)控制策略仍是未來研究的一個(gè)難點(diǎn)。

通過上述分析不難看出，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)只是PET實(shí)用化的第一步，真正作為設(shè)備來實(shí)際運(yùn)行還有很多問題需要解決，相應(yīng)的控制策略還需要不斷完善。隨著相關(guān)研究人員的增多和研究的深入，這些技術(shù)難題勢(shì)必會(huì)被逐個(gè)突破。

6 結(jié)論

本文闡述和分析了電力電子變壓器的基本理論和發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)典型的電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述和對(duì)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(jìn)步，電力電子變壓器造價(jià)會(huì)逐漸降低，效率會(huì)不斷提升，可靠性會(huì)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(qiáng)大的特點(diǎn)也使得電力電子變壓器具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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Review of power electronic transformer topologies applied to distribution system

CHEN Qi-chao，JIYan-chao，PAN Yan-lin，WANG Jian-ze
(School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Power electronic transformer(PET)is a kind of power transmission equipment combined by power electronic converters and high-frequency transformer，which has great application value in the building of Strong Smart Grid．Hot PET topologies applied to distribution system are classified and their implementations are analyzed and compared in this paper．It has been indicated that PET has great advantages in reducing its own size and weight，and power quality regulation，compared with traditional transformer．Especially for the three-stage topologies with DC link，their good controllability can make power electronic transformer achievemore functionality and also provide a channel for the integration of distributed power generation systems，which is the future development direction of PET．Finally，several key issues in practical application of PET are proposed．

distribution system;power electronic transformer;topology;three-stage

TM 421

A

1003-3076(2015)03-0041-08

2014-05-23

科技部國際合作項(xiàng)目(2010DFR70600)

陳啟超(1983-)，男，黑龍江籍，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儔浩?、電能質(zhì)量分析與控制;紀(jì)延超(1962-)，男，吉林籍，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镕ACTS、無功功率補(bǔ)償及電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。