配電系統(tǒng)電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的思考

裴慧霞 金光

摘 要：新時(shí)期，電力行業(yè)得到了全面的發(fā)展，配電系統(tǒng)的整體運(yùn)行水平也在不斷的提升，同時(shí)也對(duì)電能傳輸設(shè)備提出更高的要求，因此本文針對(duì)電力帶腦子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。首先簡(jiǎn)單了解配電系統(tǒng)電力電子變壓器的現(xiàn)狀，然后深入分析電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及具體功能，最后有針對(duì)性的提出了幾點(diǎn)電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中還需要進(jìn)一步發(fā)展的方面，以期為電力電子變壓器實(shí)際應(yīng)用提供建議。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；三級(jí)型；雙向流動(dòng)

電力電子變壓器在國(guó)家的配電系統(tǒng)中，發(fā)揮著十分重要的作用，不僅能夠保證配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還能夠輔助電力生產(chǎn)計(jì)劃的落實(shí)實(shí)施，完善配電系統(tǒng)的服務(wù)功能。但是隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行提出了新的要求，因此必須要加強(qiáng)對(duì)電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究分析，深入了解電力電子變壓器的功能特性和應(yīng)用效果，讓電力電子變壓器的作用得到充分發(fā)揮，以此滿足新時(shí)期配電系統(tǒng)運(yùn)行的需求。

1 配電系統(tǒng)電力電子變壓器的發(fā)展?fàn)顩r

電力電子變壓器這一概念最早出現(xiàn)在1970年，由美國(guó)的GE公司提出，以變換電路的形式在配電系統(tǒng)中發(fā)揮作用，在高頻變換原理提出后，電力電子變壓器的發(fā)展速度逐漸加快，到了1980年時(shí)，美國(guó)海軍在設(shè)置電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，引入了AC/AC變換器，讓電力電子變壓器具有了降壓功能，在此基礎(chǔ)上，推動(dòng)電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用價(jià)值得到進(jìn)一步提升。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷地完善，在保障配電系統(tǒng)和電能傳輸設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行中起到了關(guān)鍵性的作用。雖然早期的電力電子變壓器結(jié)論并不成熟，但是在大功率電力電子器件技術(shù)的廣泛應(yīng)用后，也出現(xiàn)了符合電力電子變壓器特性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 配電系統(tǒng)電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)階段，常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種，分別為：?jiǎn)渭?jí)型、雙級(jí)型、三級(jí)型，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)電能變換次數(shù)完成的分類，其中雙級(jí)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步劃分為高壓直流環(huán)節(jié)和低壓直流環(huán)節(jié)兩種，具體內(nèi)容如下。

2.1 單級(jí)型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單級(jí)型的電力電子變壓器的變換環(huán)節(jié)較少，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)以此電能變換就能夠?qū)崿F(xiàn)變壓，在實(shí)際應(yīng)用這種單級(jí)型的電力電子變壓器時(shí)，還需要考慮具體的配電系統(tǒng)運(yùn)行情況，有選擇性的使用[1]。這種單級(jí)型PET的工作原理為輸入到電力電子變壓器中的工頻交流電壓在高頻變壓器的原變種直接被調(diào)制成為高頻交流電壓，而電壓在耦合到副邊后又直接被還原成為工頻交流電壓，下圖為一種典型的AC/AC單級(jí)型PET結(jié)構(gòu)：

在這種單級(jí)型PET結(jié)構(gòu)中可以通過(guò)對(duì)自身重量的控制，提高運(yùn)行效率，進(jìn)而采用科學(xué)的方法調(diào)整工作頻率，能夠讓單級(jí)型PET所傳遞的能力不斷遞增。比如，在單級(jí)型PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入傳統(tǒng)的硅鋼心變壓器后，該P(yáng)ET傳遞能量的能力可以達(dá)到工頻變壓器的三倍。雖然AC/AC單級(jí)型PET結(jié)構(gòu)有點(diǎn)突出，但是這種PET功能較為單一，也不具備功率因數(shù)校正功能，還對(duì)原邊、副邊開(kāi)關(guān)信號(hào)的同步性有著較高的要求。面對(duì)這種情況，可以在PET中引入高頻耦合電感，以此提高工作效率，減少在工作過(guò)程中產(chǎn)生的諧波電流。

2.2 雙級(jí)型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙級(jí)型電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種，分別為：具有高壓直流環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和具有低壓直流環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩種，兩種結(jié)構(gòu)原理較為相同[2]。其中高壓直流環(huán)節(jié)電力電子變壓器是將工頻高壓交流電整流成為高壓直流后，經(jīng)過(guò)隔離型逆變器轉(zhuǎn)換為低壓交流，需要注意的是使用的隔離型逆變器中需要含有高頻降壓變壓器，而低壓直流環(huán)節(jié)的電力電子變壓器只是先通過(guò)隔離型整流器將工頻高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷骱?，在逆變?yōu)榈蛪航涣鳌Ｏ聢D為雙級(jí)型單相電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

需要注意的是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中只有低壓直流環(huán)節(jié)，采用的是DAB整流變換器，因此這種結(jié)構(gòu)的電流波動(dòng)較大，且低壓直流側(cè)的調(diào)節(jié)功能相對(duì)較弱。而在其他的雙級(jí)型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，也只是對(duì)單級(jí)AC/AC結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，在可控性、簡(jiǎn)化性上都無(wú)法和單級(jí)型以及三級(jí)型的電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)向比較，因此雙級(jí)型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不常用。

2.3 三級(jí)型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，電力電子變壓器的工作原理為：通過(guò)AC/DC變換器后的工頻交流電壓成為直流電壓，在經(jīng)過(guò)DC/DC變換器，進(jìn)行直流變壓，最后還需要經(jīng)過(guò)DC/AC逆變器，形成所需要的交流電壓，和二級(jí)型相似，在DC/DC變換器中需要具有高頻變壓器。和前兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，三級(jí)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換次數(shù)較多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是其本身的控制特性較為優(yōu)越，能夠讓PET得到更加廣泛的應(yīng)用。且三級(jí)型PET中的低壓直流環(huán)節(jié)，能夠有效整合能量存儲(chǔ)設(shè)備，提高PET的穿越能力，因此這種三級(jí)型PET也被應(yīng)用在為電動(dòng)汽車充電的環(huán)節(jié)中。下圖為一種典型的三級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

目前，三級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在配電網(wǎng)中也得到了一定的應(yīng)用，比如，針對(duì)配電網(wǎng)使用的電力電子變壓器輸入端和輸出端的特點(diǎn)，在三級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用了輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的方式，并且采取模塊化的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了冗余控制。

2.4 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的功能分析

由上可知，將電力電子的變換技術(shù)合理的應(yīng)用到變壓器中，就能夠讓電力電子變壓器在適當(dāng)?shù)目刂葡滦纬扇碌奶攸c(diǎn)，但是不同的PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的功能能力各不相同。其中在單級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)的功能有功率雙向流動(dòng)、調(diào)節(jié)輸出電壓，而雙級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)的功能有功率雙向流動(dòng)、調(diào)節(jié)無(wú)功功率和輸出電壓和輸入電流、輸入電壓跌落穿越、直流電壓輸出、接入能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)，過(guò)流保護(hù)、諧波消除，但是以上功能中并沒(méi)有效果較好的功能，最后是三級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，和雙級(jí)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，其中功率雙向流動(dòng)、過(guò)流保護(hù)、諧波消除的功能可以實(shí)現(xiàn)，而其他的功能是在實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，以更加優(yōu)秀的效果實(shí)現(xiàn)。

3 電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3.1 運(yùn)行穩(wěn)定可靠性

PET之所以能夠取代傳統(tǒng)變壓器成為引用最廣泛的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備是因?yàn)槠浔旧砭哂械母叻€(wěn)定性和可靠性，但是隨著傳統(tǒng)變壓器的發(fā)展和改善，對(duì)PET也造成一定的沖擊，因此未來(lái)PET的優(yōu)化設(shè)計(jì)中必須要進(jìn)一步強(qiáng)化其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，減少高壓側(cè)開(kāi)關(guān)的數(shù)量，將新材料和新技術(shù)引入其中，推動(dòng)PET得到全面的發(fā)展。

3.2 轉(zhuǎn)換效率的提升

PET本身的優(yōu)點(diǎn)較多，但是工作效率相對(duì)較低，同時(shí)這也制約PET實(shí)用化發(fā)展的主要原因，因此在PET的設(shè)計(jì)研究工作中，還需要提高PET的工作效率，尤其是針對(duì)開(kāi)關(guān)頻率較高的隔離環(huán)節(jié)，常見(jiàn)的PET結(jié)構(gòu)中開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到1020kHz[3]。比如，可以將PET中的開(kāi)關(guān)換成軟開(kāi)關(guān)，以此降低開(kāi)關(guān)的損耗率，提高PET的工作效率。但是對(duì)于隔離級(jí)而言，開(kāi)關(guān)頻率并不是身高，反而是輸入側(cè)和輸出側(cè)的導(dǎo)通電流較大，因此在隔離級(jí)中，高壓側(cè)的開(kāi)關(guān)需要實(shí)現(xiàn)ZVS，低壓側(cè)的開(kāi)關(guān)則需要實(shí)現(xiàn)ZCS，這種方法也可以有效降低開(kāi)關(guān)的損耗。

3.3 功率的雙向流動(dòng)

想要讓PET完全取代傳統(tǒng)變壓器，就要在實(shí)現(xiàn)PET隔離變壓功能之外，必須要具備能量雙向傳輸功能，而本文的三種PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中都能夠?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸能量，但是都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。因此還需要進(jìn)一步完善PET的控制方案，要求PET的控制系統(tǒng)不僅能夠處理大量的數(shù)據(jù)，還需要快速響應(yīng)。

3.4 PET的并聯(lián)技術(shù)

PET在產(chǎn)品化的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)PET和傳統(tǒng)變壓器并聯(lián)的情況，或者是多臺(tái)PET并聯(lián)運(yùn)行的情況。這是因?yàn)椴⒙?lián)技術(shù)的使用能夠有效提高配電系統(tǒng)的可靠性，提高運(yùn)行效率，減少總體的備用容量，但是在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)中，也存在一定的問(wèn)題，比如，同步、保護(hù)、均流等?？v觀國(guó)內(nèi)外關(guān)于PET的研究后發(fā)現(xiàn)，關(guān)于PET并聯(lián)引發(fā)的不平衡負(fù)載、以及非線性負(fù)載情況的研究相對(duì)較少，因此還需要進(jìn)一步對(duì)PET的并聯(lián)技術(shù)進(jìn)行分析，找到科學(xué)合理的PET并聯(lián)控制策略。

4 總結(jié)

綜上所述，想要保證配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，就要在配電系統(tǒng)中配置一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)良好的電力電子變壓器，通過(guò)電力電子變壓器提高配電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)生產(chǎn)效率最大化。根據(jù)實(shí)際的行業(yè)發(fā)展情況，深入分析電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的良好性，為國(guó)家配電系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行提供必要支持，提高國(guó)家電能輸送水平，讓電力行業(yè)以飽滿的狀態(tài)面對(duì)新時(shí)期的形勢(shì)變化。

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作者簡(jiǎn)介：裴慧霞（1981），女，河南許昌人，碩士，講師，研究方向：電工技術(shù)。