陳磊，歐家祥，張秋雁，袁旭峰，胡晟，游菲，石果

（1.貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽　550025；2.貴州電力試驗研究院，貴州貴陽　550005）

電力電子變壓器研究綜述

陳磊1，歐家祥2，張秋雁2，袁旭峰1，胡晟1，游菲1，石果1

（1.貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550025；2.貴州電力試驗研究院，貴州貴陽550005）

電力電子變壓器在兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)電力變壓器的同時，具有優(yōu)化配置各種電源、改善供電質(zhì)量、控制功率潮流和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等功能，是未來配電網(wǎng)實現(xiàn)電力變換與控制的主要載體之一。介紹了電力電子變壓器的工作原理、拓撲結構、控制策略，并結合未來智能配電網(wǎng)對電力變換與控制的需求，對電力電子變壓器的發(fā)展進行了展望。

電力電子變壓器；拓撲結構；控制策略；智能電網(wǎng)

電力電子變壓器（power electronic transformer，PET）概念的提出始于20世紀70年代，美國GE公司的W McMurray提出了高頻鏈接AC/AC變換電路，奠定了PET的發(fā)展基礎；1995年，美國電科院對PET進行了相關研究，試驗樣機為降壓型變換器（buck），因其對輸入諧波電流的抑制能力不足，且變壓器輸入和輸出不隔離，故不具實用性［1］；1996年，日本學者Koosuke Harada把相位調(diào)制技術引入PET，實現(xiàn)了恒壓、恒流和功率因數(shù)校正，智能變壓器（intelligent transformer）由此誕生［2］；20世紀90年代末，美國密蘇里大學研制出10 kV·A、7 200 V/240 V的PET實驗樣機，具備基本的電壓變換功能和控制輸入功率因數(shù)的能力。但是，為減小對開關器件的應力，設計時使多個變流器串聯(lián)工作得到輸入，導致系統(tǒng)的可靠性大大降低，設備中任意一器件發(fā)生故障都會造成工作異常；美國德克薩斯農(nóng)機大學也于20世紀90年代末對電力電子變壓器進行了研究［3-4］。

1　工作原理與優(yōu)點

PET是利用電力電子變換技術和電磁感應原理進行電能傳輸?shù)碾娏υO備，其基本思想是用高頻變壓器替代工頻變壓器［2］。PET的電力電子器件構成包括初、次級功率變換器以及聯(lián)系二者之間的高頻變壓器。其基本工作原理如圖1所示。

圖1　PET工作原理Fig.1　The working principle of PET

輸入工頻交流電經(jīng)過初級變換器調(diào)制為高頻交流電，再通過高頻變壓器一次側繞組、二次側繞組將高頻交流電耦合產(chǎn)生感應電動勢，并經(jīng)過二次側繞組將感應電動勢施加到次級變換器，最后次級變換器將流過的高頻交流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，供給負荷。

相對傳統(tǒng)變壓器，PET具有如下主要優(yōu)點：體積和重量小，無需變壓器油；工作過程中同時兼有直流與交流環(huán)節(jié)，各種小容量分布式電源可經(jīng)PET柔性接入電網(wǎng)；PET即可完成常規(guī)變壓器對電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等功能，還能完成波形、潮流的控制和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能［6］；有效隔離電壓波動、失真以及諧波的傳遞，實現(xiàn)電網(wǎng)側和負載側的解耦［7］。

2　拓撲結構與控制策略

自20世紀70年代電力工作者對PET進行研究開始，PET從直接AC/AC型發(fā)展到現(xiàn)在的AC/DC/AC型，相比于傳統(tǒng)變壓器，在體積、重量、功能和運行等方面都體現(xiàn)出了極強的優(yōu)勢。對PET拓撲結構的分類是按照其在電能變換過程中是否含有直流環(huán)節(jié)劃分的，可分為2大類：交-交-交型PET和交-直-交-直-交型PET。

2.1交-交-交型PET拓撲結構與控制策略

對于交-交-交型電力電子變壓器，其拓撲結構如圖2所示。

圖2　典型交-交-交型PET拓撲結構Fig.2　The typical AC-AC-AC topology of PET

可以看出，該拓撲結構簡單，但是可控性低。文獻［4］提出通過控制移相角的大?。ㄕ髂K與逆變模塊驅(qū)動相角差）來調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，同時采用四步開通策略［5］改善開關特性。由于該拓撲結構的PET自身的不足和功能的有限性，其應用價值較小，所以，電力工作者對它的研究越來越少。

2.2交-直-交-直-交型PET拓撲結構和控制策略對于交-直-交-直-交型電力電子變壓器，其典型拓撲結構如圖3所示。

圖3　典型交-直-交-直-交型PET拓撲結構Fig.3　The typical AC-DC-AC-DC-AC topology of PET

該拓撲結構復雜，控制策略完善，實用性較強，因此，對其進行的研究學者較多，而且進行了改進。研究者將該結構劃分成輸入整流模塊、隔離模塊、輸出逆變模塊3個模塊，對其控制策略分別進行研究。文獻［4］對整流模塊采用空間電壓矢量控制；隔離模塊采用全橋整流模式，通過移相控制調(diào)節(jié)占空比，并檢測負載電流變化情況對輸出電壓和開關頻率進行調(diào)節(jié)；逆變模塊在傳統(tǒng)的三相橋式逆變器的基礎上增加1個橋臂，形成中點，采用三維空間矢量調(diào)制，實現(xiàn)具有調(diào)壓功能的三相四線輸出。文獻［3］采用非線性的控制策略，運用線性化解耦和滑模變結構控制方法，解決傳統(tǒng)PI控制參數(shù)難于整定，控制魯棒性弱的缺點，仿真結果表明，控制方法的自適應能力好，而且控制效果穩(wěn)定、有效。文獻［8］對原、副邊基于雙PWM變換的電力電子變壓器，提出PET整流器采用雙閉環(huán)控制策略，PET逆變器分別采用SVPWM和SPWM的控制策略，實現(xiàn)恒壓恒頻交流電壓的輸出。文獻［9］對輸入級和隔離級做了改進，提出基于三電平拓撲的電力電子變壓器，拓撲結構如圖4所示。

圖4　改進的三電平PET拓撲結構Fig.4　The modified three-level topology of PET

PET輸入級是一個通過二極管鉗位的三電平整流器，定義電容C1、C2電壓的增大和減小分別對應于為正、負的小矢量，結合網(wǎng)側電流方向先對小矢量的正負屬性進行判斷，再用變比例因子精確PWM整流器中點電壓控制法，采用雙閉環(huán)控制策略，達到三電平PET各環(huán)節(jié)間的電壓平衡；隔離級采用零電壓開關半橋三電平DC/DC變換器，變壓器次級采用全橋不控整流電路（開關管兩端并聯(lián)電容為自身結電容），設計了一種電壓單閉環(huán)PI調(diào)節(jié)方法，實現(xiàn)隔離級輸出電壓可控和恒定；輸出級無改進，采用在dq坐標系下基于瞬時值反饋的定交流電壓控制。文獻［10］在文獻［9］的基礎上，對中間隔離級做了改進，提出基于LLC諧振變換的三級型降壓式電力電子變壓器，拓撲結構如圖5所示。

PET輸入級與文獻［9］相同；隔離級是一個半橋三電平LLC串聯(lián)諧振型DC/DC變換電路，其每個主開關電壓應力是輸入電壓的一半，并且在全負載范圍內(nèi)工作在軟開關狀態(tài)，既降低了損耗又提高了效率，采取定頻、定占空比為50%的控制策略；輸出級通過解耦把三相四橋臂逆變器轉(zhuǎn)化為3個單輸入單輸出系統(tǒng)，采用雙閉環(huán)策略進行獨立控制。文獻［11］為簡化前級變換器結構和控制難度，并獲得四象限變換能力，提出一類前級為交交變換器、后級為單相PWM整流器的新型四象限電力電子變壓器，拓撲結構如圖6所示。

圖5　基于LLC諧振變換器的PET拓撲結構Fig.5　The topology based on LLC resonant converter of PET

圖6　新型四象限PET拓撲結構Fig.6　The novel four-quadrant topology of PET

該拓撲包括降壓部分和阻性變換部分，前者包括高壓端的LC濾波器與單-單交交變換器M1、高頻開關變壓器T1、低壓端的單-單交交變壓器M2與LC濾波器；后者主要包括阻性PWM整流器。采用的是電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制和連續(xù)導通模式，具有控制容易、換流安全、單位輸入功率因數(shù)、雙向功率流動以及便于級聯(lián)等特征，具有一定的應用價值。此外，文獻［12］對零電壓移相全橋變換器的電力電子變壓器進行了研究，文獻［13-14］對配電網(wǎng)中的電力電子變壓器進行了研究，文獻［2］對文中提出的單極型、雙極型和三級型PET拓撲可實現(xiàn)的功能進行了比較，得出三級型PET結構的可控性較強，具有更大的研究價值。

3　展望

鑒于PET相較于傳統(tǒng)變壓器的突出優(yōu)勢，研究者對其寄予厚望，認為PET可以滿足未來電力系統(tǒng)很多新的要求，包括：整合各種交直流分布式電源，更高的穩(wěn)定性，更加靈活的輸電方式，實現(xiàn)與電網(wǎng)的并聯(lián)運行，與直流配電網(wǎng)的結合，實現(xiàn)電力市場下對功率潮流的實時控制等。但現(xiàn)有的PET技術還不是很成熟，距離實際應用還有非常大的差距，亟需在以下幾個方面進行完善與改進。

3.1運行的穩(wěn)定性與可靠性

傳統(tǒng)變壓器成熟的技術使其能夠在惡劣工作環(huán)境下仍能夠穩(wěn)定、可靠地運行，得到廣泛的應用。PET不僅要憑其已知的優(yōu)勢取代傳統(tǒng)變壓器，更重要的是必須保證在惡劣環(huán)境和故障情況下的穩(wěn)定性和可靠性。文獻［15-16］針對故障情況下PET的運行進行了研究；文獻［17］對PET在重負荷切換下的穩(wěn)定性進行了研究。對于PET來說，其性能的提升也有賴于電感、電容、開關管等器件的發(fā)展。將一些新材料、新技術引入到PET的研究中，對PET的發(fā)展有著重要意義。

3.2PET的并聯(lián)技術

配電網(wǎng)PET并聯(lián)運行在提高供電可靠性、提高運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、保護等問題。文獻［13］從控制策略上對PET之間的并聯(lián)運行進行了研究，文獻［18-19］針對PET與常規(guī)電力變壓器的并聯(lián)，提出將常規(guī)電力變壓器的副方電壓作為EPT輸出電壓的參考電壓，以減少PET與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)時所產(chǎn)生的環(huán)流，但兩者未針對配電網(wǎng)中頻繁出現(xiàn)的不平衡負載和非線性負載等情況進行深入研究。

3.3發(fā)電機和PET的綜合協(xié)調(diào)控制

電力電子變壓器最終要作為產(chǎn)品應用到電力網(wǎng)中才具有真正的意義和價值，這就需要PET與網(wǎng)絡具有良好的協(xié)調(diào)能力，對兩者的協(xié)調(diào)控制策略的研究必不可少。目前，PET的相關技術有待完善，文獻［20］給出了電力電子變壓器在輸電系統(tǒng)中的一種控制策略；文獻［21］設計了2套換流變壓器直流出線裝置，為PET在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應用提供了技術參考；文獻［22］針對同步發(fā)電機-電力電子變壓器組在受到大、小擾動時的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制進行了研究，仿真結果表明，相比于傳統(tǒng)發(fā)變機組。文獻［22］中的協(xié)調(diào)控制器有效地提高了擾動條件下的系統(tǒng)阻尼性能，改善了系統(tǒng)的電壓性能，為PET接入電力系統(tǒng)提供了一種可行的控制方法。

3.4PET與直流配電網(wǎng)技術

相較于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)可以靈活地接入各類電源和負載，并且它具有供電容量大、線路損耗小、電能質(zhì)量好、無需無功補償?shù)葍?yōu)點［23-24］。而PET恰好具備直流環(huán)節(jié)，因此，文獻［25］對直流配電網(wǎng)研究中的系統(tǒng)架構、控制技術、保護技術等關鍵問題進行了全面的闡述。文獻［13］基于模塊化多電平變流器，提出了面向中高壓智能配電網(wǎng)PET的一種新型拓撲和相應控制策略，在體積和重量方面體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。文獻［26］提出了一種基于PET的多級直流配電系統(tǒng)，并以配電網(wǎng)末端的家用配電為例，給出了一個具體的低壓直流配電系統(tǒng)設計案例，仿真結果表明，該案例可以對潮流進行靈活控制。但是，文獻［26］只是對直流配電方式進行了初步探索，對PET的控制策略、保護技術等有待進一步完善。文獻［27］提出了一種基于OCT的變壓器保護方案，為PET在故障后的保護措施提供了參考。

3.5PET與分布式電源的柔性接入技術

分布式電源可以讓用戶對電能進行自行控制，不會發(fā)生大規(guī)模停電事故，所以安全可靠性比較高，可以彌補電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足，在意外災害發(fā)生時可繼續(xù)供電［28］。PET憑借自身優(yōu)勢，可以與風力、光伏等發(fā)電技術良好結合，形成區(qū)域性電力網(wǎng)絡。文獻［29］根據(jù)某科技產(chǎn)業(yè)園的負荷和電能質(zhì)量需求，以PET為電能變換和傳遞的載體，提出了一種交直流混合微網(wǎng)方案，但是，相關技術不完善；文獻［30］針對電氣化鐵路存在的電能質(zhì)量問題，利用TCT型SVC提高了功率因數(shù)，減免罰款，提高了電能質(zhì)量，為PET在投入電網(wǎng)系統(tǒng)后的無功補償方面提供了一定的參考依據(jù)；文獻［31］對智能電站的概念、系統(tǒng)結構和各功能層主要智能技術進行了描述，PET以其突出的優(yōu)勢，將在其中得到極大的應用；文獻［32］提到PET的綜合功能，通過PET將風力、光伏發(fā)電與儲能裝置、電動汽車充電站、負荷整合到一起，實現(xiàn)電能的按需供應，同時提到該技術只是近幾年在國外展開研究，并指出PET是一項具有開拓性的新技術，是智能電網(wǎng)建設的關鍵設備。

3.6PET的插件結構（可擴展性）

鑒于PET在分布式發(fā)電、直流配電和微網(wǎng)等技術上受到極大的青睞，同時考慮到環(huán)保的需求，未來電網(wǎng)的發(fā)展在充分利用可再生能源的同時，將側重用戶自給自足式電力供應，而且可以實現(xiàn)在電能充裕的情況下，向電網(wǎng)輸送能量的功能。在設計PET時考慮可擴展性，對PET預留適應于分布式發(fā)電（比如風電、光伏發(fā)電等）、儲能裝置、不同負荷等可以即插即用的插件結構接口將使PET的功能更加完善，并且使PET更便于應用。文獻［33］為了滿足微網(wǎng)內(nèi)的設備即插即用，研究出一種分布式電源和微網(wǎng)互聯(lián)的通用接口單元，為PET插件結構的實現(xiàn)提供了一種思路。鑒于PET體積、重量、電力等方面的優(yōu)勢，尤其對于現(xiàn)代智能配電網(wǎng)具有極強的適應性，所以，有必要就PET可擴展性進行研究。而目前關于這方面的研究極少。

4　結論

PET集電力電子、電力系統(tǒng)、計算機、數(shù)字信號處理以及自動控制理論等領域為一體，不僅具備常規(guī)變壓器的功能，而且體積小、重量輕，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)靈活，對波形、潮流可控，提高電網(wǎng)運行效率，具有電氣隔離等特點，更易滿足現(xiàn)代微電網(wǎng)、分布式發(fā)電等智能電網(wǎng)和電力用戶的需求。隨著技術的成熟，PET性能的提高、成本的降低，在幾年內(nèi)將會在多個領域得到廣泛的應用。

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（編輯馮露）

A Review of Studies on Power Electronic Transformers

CHEN Lei1，OU Jiaxiang2，ZHANG Qiuyan2，YUAN Xufeng1，HU Sheng1，YOU Fei1，SHI Guo1
（1.College of Electric Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China；2.Guizhou Electric Power Test& Research Institute，Guiyang 550005，Guizhou，China）

While having the functions of the conventional power transformer，the power electronic transformer（PET）can perform optimal configurations of various power supply，improve power quality，control power flow，and enhance the stability of the system，etc.Thus，it will be one of the main equipment for power conversion and control of the distribution network in the future.This paper introduces the working principle，topology structure and control strategy of the power electronic transformer.Finally，the future development of power electronic transformers is prospected based on the needs of power conversion and control for the smart distribution network.

power electronic transformer（PET）；topology structure；control strategy；smart grid

1674-3814（2015）12-0036-07

TM422

A

2015-05-22。

陳磊（1989—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制；

歐家祥（1979—），男，工學碩士，工程師，主要從事電能計量、電網(wǎng)技術降損相關工作；

張秋雁（1965—），男，高級工程師，長期從事電能計量技術研究和管理；

袁旭峰（1976—），男，博士后，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制，及FACTS技術在電力系統(tǒng)中的應用；

胡晟（1992—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動控制技術；

游菲（1989—），男，碩士研究生，研究方向為功率變換技術；

石果（1988—），女，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動控制技術。

國家自然科學基金項目（51067001）；中國南方電網(wǎng)公司科技項目（K-GZ2012-120）。

ProjectFund：NationalNatural Science Foundation of China（NSFC）（51067001）；the Technology Project of China Southern Power Grid Corporation（K-GZ2012-120）.