摘要：电力电子变压器是一种多功能的新型智能变压器，其最大特点是体积小重量轻、 能改善电能质量和具有灵活的输电方式，是建设绿色电网和数字电网的重要设备之一，目前正受到越来越多学者们的关注。首先阐述了电力电子变压器的发展以及研究的必要性；其次，介绍了 AC/DC/AC 型电力电子变压器的工作原理及其拓扑结构；最后进行了总结并分析了今后电力电子变压器发展将要面临的挑战。
关键词：电力电子变压器；配电网；控制策略
0 前 言
随着经济社会的快速发展，电能的应用越来越广泛，这也使电力系统出现了新的特点，比如电力系统大型化、 分布式发电系统出现（风能、太阳能）、用户对供电质量要求趋高等。变压器作为电力系统最基本输变电设备，主要起电压升降和系统隔离作用。传统的变压器存在体积大、变压油污染环境、过负荷时输出电压下降、无法有效隔离故障、易产生谐波危害等方面的不足，因为无法满足日益提高的电力系统需求。本文探讨了新型的电力电子变压器在电力系统中的应用。
1 电力电子变压器
电力电子变压器（PET）是一种基于电力电子变换技术和高频电磁感应原理，将一种电力特征的能量转变成另一种电力特征能量的静止电力设备。电力特征包括电压、频率、相位以及电流的幅值等。其工作原理是：三相工频交流母线高压经过 PWM 整流变成直流，再经过高频逆变电路将直流电压变成高频方波，接着经过高频变压器变压，高频方波电压再经过高频整流电路变成直流电压，最后直流电压经过三相脉冲宽度调制 PWM 逆变成三相工频低压输出，经三相 LC 无源滤波器滤波后给三相负载供电。由于 PET 的体积和重量均与其工作电压的频率成反比，所以高频变压器的使用能极大地减小体积和重量。
PET 的突出特点就是利用电力电子变换技术对其一次侧和二次侧的电压幅值和相位进行实时控制，达到对电力系统电压、电流及功率灵活调节的目的。因此，PET 除了能实现传统变压器的功能外，还具有优化分布式电源配置，提高电力系统的稳定性、输电方式的灵活性，改善供电质量等一些能够满足现代电力系统需求的功能。
2 配电网 PET 系统结构
PET 主要由初、次级功率变换器以及联系这两者之间的高频变压器组成。输入的工频电压经过原边变换器调制为高频交流电压，通过高频变压器耦合至副边，再由副边变换器转换为所需要的电压波形。其具体实现原理分为交-交-交变换和交-直-交-直-交变换两种，后者如图 1 所示。
交-直-交-直-交变换器比交-交-交变换器结构复杂，但控制特性良好。通过 PWM 调制技术可实现变压器输入输出电压、电流和功率的灵活控制。典型的交-直-交-直-交拓扑结构如图 2 所示。
本文针对配电网的 PET，采用如图 3 所示结构，输入级变换器采用三电平整流器拓扑，隔离级采用三电平半桥直直变换器，输出级采用二电平电压型逆变器。由于输入级电压较高，整流电路采用三电平电压型变换器，可以有效降低功率元件一半的耐压值，提高功率元件利用率。而且，由于三电平输出比二电平多一个电平，故可使 du/dt 降低一半，从而使输出电压谐波减小，有利于实现输出电压波形的正弦化，特别适合于高压大容量的电力电子变换系统，如图 3 所示。输出级由于电压低，使用二电平结构可满足要求。
3 PET在电力系统中的应用
电力电子变压器相比传统电力变压器有明显的优势，因此，近年对 PET 在电力系统中的应用研究一直是比较热门研究领域。当前研究主要集中于：PET 在分布式电源并网、改善配电网供电质量、改善电力系统动态特性以及在柔性交流输电系统中的应用等。
3.1 在分布式电源并网中的应用
近年风力发电和太阳能发电等可再生能源的应用越来越多，未来随着化石能源的逐渐减少，可再生能源发电所占的比重还将继续升高。这些分布式发电方式的特点是：电源容量小，兼有交流、直流电流，电压和频率的波动性大。如果直接接入电力系统，会对其稳定性和安全运行带来冲击。 为了保证并网电能质量，传统的并网逆变器需要采用工频变压器与电网相连，体积大、质量重，并且还需配备额外的调压、调频措施，整体成本高。
电力电子变压器中含有直流环节，可以灵活地控制输入、输出电压，可以方便地将各种分布式电源接入到电力系统中。另外由于能分别对整流、逆变部分进行控制，可以省去额外的调压、调频设备，降低了成本。
3.2 在配电网中的应用
配电网中常出现电压波动、骤升、骤降、闪变等扰动，传统的方法是通过在配电端加动态电压恢复器来解决。但是，动态电压恢复器的工作原理的注入一个补偿电压来消除电压扰动，这种方式响应速度慢，有时不能完全消除电压扰动。并且动态电压恢复器体积大、效率低、成本高。基于 PET 的动态电压恢复器可以极大地改善动态补偿响应速度，能够改善电压补偿效果，提高配电系统的稳定性。
PET 还可以用于配电网故障的控制，通过对传统的 PI 控制器，加入复数积分和微分环节，能够减小稳态误差，并能提高动态响应速度。这种策略能用于单相接地故障的控制。针对中高压配电网，将 MMC 与 PET 结合的一种新型拓扑，可以减少高频变压器的使用数量，并能提高直流输出电压的质量。
3.3 在改善电力系统动态特性中的应用
我国地域广，主要集中在中西部的发电区与主要集中于东部沿海的用电区域距离很远，因此需要远距离高压输电系统，如西电东送工程。系统的稳定性是远距离输电的前提。PET能够实现对电压、电流和功率的灵活调节，可以根据需要，实现 PET 和系统间的功率迅速交换和双向流动，能有效提高系统阻尼，抑制扰动下系统的振荡，从而提高其稳定性。 因此，将 PET 应用于远距离输电系统，实现发电机励磁与 PET 的协调控制，能够提高远距离输电系统的稳定性。
3.4 与柔性交流输电技术的结合应用
电力电子变压器与柔性交流输电技术的结合应用，主要有两种形式：一是与输电网高压短路限流器（FCL）相结合，二是不间断供电技术。FCL 与 PET 技术相结合，FCL 模块被串联在电力电子变压器输入模块前端，控制器通过检测其输出端电流以及输入端电流对 FCL模块中的开关进行控制。当系统正常工作时，开关断开电流通过串补电容变流，这样既实现了串补功能，又实现了开关零损耗。 当故障时，检测的电流达到临界电流值，开关迅速闭合，电容和电感谐振实现高导通阻抗，就实现了短路电流的限制。
在 PET 的直流环节加上蓄电池组，可以组成不间断电源（UPS）。当电网正常运行时，通过 PET 向负载供电，对电网的畸变和干扰都能有很好的抑制；当电网出现故障时，蓄电池组可以向逆变器供电，保证负载的不间断供电。若逆变器发生故障，UPS 可以通过静态开关切换到旁路，由其供电，故障消失后，恢复到逆变器供电，这样很好地保证了供电质量。
3.5 其他应用
四象限 PET 由高频交变电压、低压工频电压、并且能够获得低压直流电压输出和单位输入功率因数等组成。四象限 PET 具有较好的动态控制效果，能够满足铁道单相供电牵引系统的运行要求。
4 总结
电力电子变压器有传统变压器无可比拟的优势，因此具有广泛的应用前景。随着对其研究的逐步深入，今后将用于实际电力系统，并逐步替代传统铁心电力变压器。
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论文作者:卢锦均
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/29
标签：电压论文; 变换器论文; 电力论文; 电子变压器论文; 电力系统论文; 电平论文; 电流论文; 《基层建设》2016年9期论文;