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摘 要：电力电子变压器（power electronic transformer，PET）是一种新型结构的变压器，其实现了电力电子技术在电能变换的场合的应用，与传统变压器相比，提高了系统智能化水平。除了可以像常规电力变压器那样实现电压等级变换、隔离，以及能量传输等功能之外，PET能有效隔离电压波动及谐波传递，对潮流进行控制并调节电能质量，实现电网侧和负载侧解耦。PET兼具交直流端口，各种小容量分布式电源可经PET并网。除此之外，PET还具有体积重量小，无需变压器油等优点。
关键词：电力电子；变压器；优化；运行；控制
1 电力电子变压器概述
1.1 电力电子变压器结构
图1所示的为电力电子变压器整体结构图，包括三部分:连接高压电路的AC/DC变换器；中间的隔离电路；后级的DC/AC逆变电路。
由于硅型器件耐压特性的约束，前级AC/DC电路多采用模块化的多电平结构，如级联H桥电路。本文提出了基于碳化硅型的电力电子变压器，碳化硅器件突破了硅器件的技术壁垒，其具有耐高温、耐高压、高开关频率的特点。目前，CＲEE公司封装的碳化硅型MOSFET耐压等级可达12kV，碳化硅型器件应用于电力电子变压器中，其前级AC/DC变换器可采用两电平结构。
1.2 电力电子变压器的工作原理
从20世纪70年代至今，国内外专家学者对电力电子变压器进行了深入的探索研究，但在早期的研究阶段，由于当时大功率电力电子器件和高频条件下的电力电子变换技术发展缓慢，提出的许多工作原理和拓扑结构的设计方案都不足以应用到实际的电力系统以及生活场合中。但近年来，大功率电力电子器件和电力电子技术得到快速发展，再加上社会经济的发展，对电能质量，以及用电设备的安全性、经济性提出了新的要求，一种利用大功率电力电子器件和高频变压器的新型变压器——电力电子变压器逐渐引起人们的关注，其工作原理图如图2所示。
电力电子变压器的工作过程:输入级电力电子整流器将输入的工频交流电压信号整流为直流电，随后直流电由逆变器变换成高频交流电压信号，与之同时经过高频变压器的原边将调制成的高频交流电压信号耦合到副边，再经过一个电力电子整流器，整流成直流电压信号，最后由输出级的逆变器输出所需要的交流电压。即由一个AC-DC-AC过程来将工频信号调制成高频方波，经过高频变压器变换隔离后，再通过一个AC-DC-AC的过程实现降低为工频，形成用户需要的电压。因此，这种通过两个AC-DC-AC变换来实现功能的电力电子变压器通常称为AC-DC-AC型变压器，这也是目前稳定性、功能性、可控性最佳的电力电子变压器，是今后电力电子变压器发展的主流。
1.3 电力电子变压器的优势
电力电子变压器主要由电力电子变换技术和高频变压器两个部分来实现功能。电力电子变换技术主要依靠整流技术和逆变技术来实现能量转换；通过高频变压器代替传统的工频变压器来实现电气隔离和能量传递。采用大功率电力电子器件，可使整流环节和逆变环节具有高度的可控性，变压器原副边的电能智能得到保障；而使用高频变压器可以克服传统变压器诸如体积、质量大、绝缘油带来的安全隐患等问题。
这种新型变压器不仅能为负载提供高质量的电能，对电能和功率进行控制，还能对其各个环节的电压进行灵活相位调整、幅值控制，对谐波抑制、环境污染、电压失真等方面也有大幅度改善。变压器是输电配电环节不可或缺的设备，而电力电子变压器在克服普通变压器种种缺陷的同时，既具备解决可能出现新问题的发展能力，又拥有在未来的电力系统中取代普通变压器的潜力。
2 优化运行控制策略
针对电容电压的波动可以采用传统的抑制方式，即在输入级MMC的控制中，加入电容电压均衡控制与电容电压平衡控制，来维持电容电压恒定。该方式虽然能够取得一定的效果，但其根本原理是通过MMC子模块的投切，限制交流功率在子模块电容上的充放电，其抑制效果有限，而且也增加了输入级MMC控制系统的运算量。
PET子模块由MMC功率单元和DC/DC变换器模块组成，等效电路如图2所示，MMC功率单元和DC/DC变换器均可等效为电流源。
影响子模块电容电压波动的不仅有输入部分的MMC半桥，还有DC/DC变换器。传统控制方法是调整第一个电流源的输出，改进方法可以调整第二个电流源也就是DC/DC变换器的输出来抑制电容电压的波动。
DC/DC变换器采用单环控制的桥间移相控制，每个全桥均输出一个频率固定、占空比为50%的高频方波，但同一变换器中的原副边两个全桥方波错开一定的相位角，传统的移相控制的移相角限制在-π/4到π/4之间以实现能量正常传输的控制，在实际应用中，移相角很小，远达不到π/4。图4是DC/DC变换器控制框图。DC/DC变换器输出电压实际值Ul与参考值Ulref进行比较，通过PI调节器得到输出电流参考值iref。系统中共有6n个输出并联的DC/DC变换器，故电流参考值除以6n后，再经过PI调节器，便得到每个DC/DC变换器原副边之间的移相角。
结束语
总而言之，电力电子变压器中间隔离级的高频变压器不但实现了传统变压器的基本功能，而且在外形上体积更小，质量更轻，在功能上对电能质量调整灵活，对波形相位可以实时控制。这就是说，电力电子变压器具有解决现代电力系统在输配电可能出现的问题的潜力，并且随着电力电子变压器技术的成熟及其性能的提高，电力电子变压器将会在更多领域得到应用。
参考文献
[1]宋立业，王兴电.基于下垂控制的电力电子变压器并联运行策略[J].测控技术，2017，36(09):80-85.
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论文作者:杨炜
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/10
标签：变换器论文; 电力论文; 电压论文; 电子变压器论文; 变压器论文; 电能论文; 电容论文; 《工程管理前沿》2019年第14期论文;