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

第 3 4卷 第 3期 2 0 1 5年 3月 電 工 電 能 新 技 術(shù) Ad v a n c e d Te c hn o l o g y o f El e c t r i c a l Eng i n e e r i ng a nd En e r g y Vo 1 3 4 No 3 Ma r 2 O1 5 配 電系統(tǒng) 電力 電子變壓器拓 撲結(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 化 學(xué)院 黑龍 江 哈 爾濱 1 5 0 0 0 1 摘 要 電力 電子 變壓 器 P E T 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 堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè) 中有著 巨大的應(yīng)用價值 本 文對國內(nèi)外研 究的配電系統(tǒng)電力電子變壓器熱 點(diǎn)拓 撲結(jié) 構(gòu)做 了分 類 并針 對各 種 實(shí)現(xiàn) 方 案進(jìn) 行 了分 析 和 對 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 尤其是具有直流環(huán)節(jié)的三級 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 關(guān)鍵 問 題 關(guān) 鍵詞 配 電 系統(tǒng) 電力 電子 變壓 器 拓 撲結(jié) 構(gòu) 三級 型 中圖分 類號 T M 4 2 1 文 獻(xiàn)標(biāo) 識碼 A 文章編號 1 0 0 3 3 0 7 6 2 0 1 5 0 3 0 0 4 1 0 8 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 人 電力 系 統(tǒng) 中 用 戶 對 供 電 的 可 靠 性 靈活性與電網(wǎng)對負(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 守載損耗 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 P o w e r E l e c t r o n i c T r a n s f o r m e r P E T 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 S o l i d S t a t e T r a n s f o r me r S S T 智 能 通 用 變 壓 器 I n t e l l i g e n t U n i v e r s a l T r a n s f o r m e r I U T 或 電 子 電 力 變 壓 器 E l e c t r o n i c P o w e r T r a n s f o r n l e r E P T 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 同 時 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)?控 制來 實(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 P E T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 P E T的 主 電路 拓 撲 結(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 撲結(jié)構(gòu) 本 文將 對 近 十 五年 來 國 內(nèi)外 提 出 的 P E T主 電路 拓 撲結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和 比較 并對拓?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 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 2 3 基金項 目 科技部 國際合作項 目 2 0 1 0 D F R 7 0 6 0 0 作者簡介 陳啟超 1 9 8 3 男 黑龍江籍 博 士研 究生 研究方 向為電力 電子變壓器 電能質(zhì)量分析與控制 紀(jì)延超 1 9 6 2 一 男 吉林 籍 教授 博士生導(dǎo)師 研究 方向為 F A C T S 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 4 2 電 工 電 能 新 技 術(shù) 第 3 4卷 2 電力 電子變壓器的發(fā)展?fàn)顩r P E T概 念 的提 出最早可 以追 溯到 1 9 7 0年 美 國 G E公 司 的 W Mc Mu r r a y提 出了 一 種 具 有 高 頻鏈 接 的 A C A C變換 電路 這 種 高 頻 變 換 的原 理 成 為 后來 P E T 發(fā) 展 的 基 本 思 路 1 9 9 6年 日本 學(xué) 者 K o o s u k e H a r a d a將 相 位 調(diào) 制 技 術(shù) 應(yīng) 用 到 這 種 拓 撲 中 實(shí)現(xiàn) 了恒壓 恒流和功率因數(shù)校正 稱之為智能 變壓 器 I n t e l l i g e n t T r a n s f o r m e r 這 些 研 究 成 果 在 2 0 0 V 3 k V A的實(shí)驗裝置上得到了驗證 開關(guān)頻率 達(dá) 到 了 1 6 7 k H z 效率 約為8 0 9 0 1 9 8 0年 美 國海 軍在一 個 研 究項 目中將 一種 基 于 B u c k電路 的 A C A C變 換 器 作 為 P E T的拓 撲 結(jié) 構(gòu) 實(shí)現(xiàn) 了降壓 的功能 之后的 1 9 9 5年 美國電 力科 學(xué) 研究 院 E P R I 對此 結(jié) 構(gòu)進(jìn) 行 了深 入 研究 研 制出 了基 于 A C A C變換 的 P E T實(shí)驗 樣機(jī) 早 期 的 P E T的 理論 和實(shí) 驗 研究 并 不 成 熟 雖研 制出了實(shí)驗樣機(jī) 但功率和高壓側(cè) 的電壓等級都低 于配 電 網(wǎng)中 的實(shí)際 應(yīng) 用等 級 所 提 出 的各 種 設(shè) 計 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 P E T研究 領(lǐng) 域 也 取得 了突 破 性 的進(jìn)展 提 出 了一些 適應(yīng) P E T特性 的拓 撲 結(jié) 構(gòu) 并制 造 出與配 電 系統(tǒng) 電壓等 級相 匹配 的實(shí) 驗樣機(jī) 3 電力 電子變壓器 的拓 撲結(jié)構(gòu)及 其分類 P E T的拓?fù)?結(jié)構(gòu) 可 以根據(jù) 電能 變換 的次 數(shù)分 為 三類 單 級型 雙級 型 和三級 型 其 中雙 級 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 每 類 P E T的典 型 結(jié)構(gòu) 進(jìn) 行分 析 3 1 單 級型 P ET拓 撲結(jié)構(gòu) 單 級型 P E T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)簡單的特點(diǎn) 圖 2所示 的 是文獻(xiàn) 5 提 出的一 種 典 型 的 A C A C單 級 型 P E T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?了工作頻率提升至 0 6 1 2 k H z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 P E T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 2 k H z 電壓 后 由 變 壓 器 耦 合 到 副 邊 再 還 c 具有低壓直流環(huán)節(jié) 的雙 級型 P E T 圖 1 電力 電子變壓器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 的分類 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 時必 須保 持 同步 針對 此拓 撲在 感性 負(fù)載 時存在不能有效工作 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 撲 結(jié) 構(gòu) 和 控 制 策 略在一 臺 1 0 k V A的 實(shí)驗樣 機(jī)上 得 到了驗 證 圖 2 A C A C單級型 P E T Fi g 2 AC AC s i n g l e s t a g e PET A C A C單級 型 P E T結(jié) 構(gòu)優(yōu)點(diǎn) 突 出 其 電路 拓?fù)?簡潔 變換效率高 可雙向傳輸功率 后續(xù)又有學(xué)者 針對此結(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) 但是此 P E T功能單一 網(wǎng)側(cè)不具備功率因 數(shù)校正功能 且對原邊 與副邊開關(guān)信號的同步性要 求非常嚴(yán)格 文獻(xiàn) 1 2 在 B u c k B o o s t 變換器 的基 礎(chǔ)上提 出 了一 種結(jié) 構(gòu)更 為簡 化 的直 接 A C A C變 換 的 P E T拓 撲結(jié) 構(gòu) 如 圖 3所 示 所 提 的 拓 撲將 B u c k B o o s t 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電 源注入的諧波 電流 文獻(xiàn) 1 2 對所提 的 P E T結(jié)構(gòu) 第 3期 陳啟超 等 配電系統(tǒng) 電力 電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述 4 3 進(jìn)行了仿 真驗 證 并研 制 出一 臺 1 0 k W 開關(guān) 頻率 5 k H z的實(shí)驗樣 機(jī) 圖 3 基 于 B u c k B o o s t 變換 器的 P E T F i g 3 PET b as e d o n Buc k Bo o s t c o n v e r t e r 圖 3所示 的 P E T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單 經(jīng)濟(jì) 三相 的 電力 電子變換器結(jié)構(gòu) 只用 了六個功率器件 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 用于低壓小功率場合 文獻(xiàn) 1 3 基 于推 挽 電 路提 出了一 種 單 級 型 P E T結(jié)構(gòu) 如圖 4所示 此結(jié)構(gòu)在高壓側(cè)僅使用 了 兩個全控型開關(guān)器件 且控制也非常簡單 只需兩個 互補(bǔ)的固定 占空 比為 5 0 的高頻控制信號 輸 入 側(cè)的三相電壓每一相接入一個如圖 4所示 的三繞組 高頻變壓器 并將每相高頻 變壓器原邊相對應(yīng)的端 子引出 接人一個帶有可控 開關(guān) 的三相二極管整流 電路 兩個 開關(guān) 交替 工 作 將 輸 人 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 p u s h p u l l 變換器 的 P E T Fi g 4 PET ba s e d o n p us h p ul l c o n v e r t e r 圖 4所 示 的 P E T拓 撲 構(gòu) 造 簡 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 同時也帶來 了單級型結(jié) 構(gòu)原本可以避免使用 的大容量 電解電容 使得這種 簡單結(jié)構(gòu)作為 P E T拓?fù)涞膬?yōu)勢大大降低 3 2雙級 型 P E T拓 撲結(jié)構(gòu) 雙級型 P E T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) P E T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 P E T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?文獻(xiàn) 1 4 中提到 了如 圖 5所 示的雙級型單相 P E T拓?fù)?為一種只含有低壓直流環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu) 隔離 級采用的是 D A B D u a l A c t i v e B r i d g e s 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漏感非常敏感 電流波動很大 并 且對 低壓 直 流側(cè) 的調(diào) 節(jié)能 力很 弱 文獻(xiàn) 1 5 1 6 提出的拓?fù)浞蠄D 1 b 和 圖 1 C 所描述 的雙級 型 P E T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 A C A C結(jié) 構(gòu) 的改進(jìn) 圖 5基 于 DAB整 流 器 的 雙 級 型 P E T結(jié) 構(gòu) Fi g 5 Two s t a g e PET b a s e d o n DAB r e c t i f i e r 雙級型 P E T在簡化結(jié)構(gòu)方面不如單級型 P E T 在 可 控 性方 面不 如 三 級 型 P E T 所 以雙 級 型結(jié) 構(gòu) 并 不適合 作 為 P E T拓 撲結(jié) 構(gòu) 3 3三級 型 P E T拓?fù)?結(jié)構(gòu) 三 級結(jié)構(gòu) P E T的工 作 原 理 為 工 頻 交 流 電 壓 經(jīng) 過 A C D C變換器整流后變?yōu)橹绷?再通過一個含有 高頻變壓器的 D C D C變換器進(jìn)行直流變壓 最后經(jīng) D C A C逆變?yōu)樗璧慕涣麟妷?此類結(jié)構(gòu)的 P E T變 換次數(shù)多 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 但其 良好的控制特性可使 P E T 實(shí)現(xiàn)的功能更多 應(yīng)用的范圍更廣 而且與單級結(jié)構(gòu) 相 比 三級型 P E T具有的低壓直流環(huán)節(jié)可以整合能 量存儲設(shè)備來提高 P E T的穿越能力 并能為分布式 發(fā)電的接人提供接 口 也可為電動汽車充電 圖 6所示 的就是一種典型 的三級型 P E T拓?fù)?電 工 電 能 新 技 術(shù) 第 3 4卷 結(jié) 構(gòu) 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 大功率場合 因為高壓側(cè)的 功 率器件 串聯(lián)會帶 來 均 壓 和 可 靠 性 問題 使 得成 本 提 高 設(shè) 計難 度加 大 圖 6典型的三級型 P E T Fi g 6 Ty p i ca l t h r e e s t a g e PET 針對 P E T高 壓 側(cè) 功 率 器 件 的 耐 壓 問 題 文 獻(xiàn) 1 8 提 出 了一 種 輸 入 級 采 用 多級 功 率 模 塊 串聯(lián) 的 三 級結(jié) 構(gòu) 如 圖 7所 示 這 是 一 種 單 相 降 壓式 P E T 方 案 輸入 級 由單位 功率 因數(shù) 校正 電路 構(gòu)成 中間隔 離級 為雙 全橋 整流 電路 輸 出級 采 用 的是 全 橋 逆 變 電路 輸 入 的高 電壓被 均分 到每 一個 串聯(lián) 的輸入 級 模塊 中 經(jīng)過隔離級模塊降壓 得到的低壓直流環(huán)節(jié) 并聯(lián) 后加 人至 輸 出級 模 塊 這 種 P E T 的優(yōu) 點(diǎn) 在 于 具有很強(qiáng)的呵控性 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 1 0 k V A 7 2 k V 2 4 0 V 1 2 0 V的樣機(jī) 上得 到 了實(shí)現(xiàn) 強(qiáng) l島箍 圖 7輸入串聯(lián)輸 出并聯(lián)的三級型 P E T Fi g 7 I n pu t s e r i e s a n d o u t pu t p a r a l l e l t h r e e s t a g e 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 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 同時會帶來大量 的損耗 降低 P E T的效率 每 個模 塊 的 共模 電壓 也 會 導(dǎo)致 P E T不 能正 常運(yùn)行 盡管圖 7所示 P E T拓?fù)浯嬖谝欢?的問題 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 配 電 網(wǎng) P E T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) 現(xiàn)今許多較成熟的電力電子變壓器設(shè)計都是圍 繞這種 思 想展 開 多 電平變換 器 作為 高壓 大功率 場 合 中較理 想 的 解決 方案 也被 引 入到 了 P E T的研 究 中 文 獻(xiàn) 1 9 提 出 了如 圖 8所示 的 P E T結(jié)構(gòu) 此 方案 是 一 種 應(yīng)用 于 中壓 系統(tǒng) 的降壓 式 P E T 輸入級 采 用 了二極 管鉗 位的三電平整流電路 中間級 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 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 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 P E T只能單 向傳 遞 能 量 隨著 電壓等 級 的提 高 輸 入 級 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l J 復(fù)雜 作者對所提結(jié) 構(gòu)進(jìn) 行 了參 數(shù)設(shè) 計 進(jìn) 行 了仿 真 驗 證 并 研 制 了一 臺 2 0 k V A 的單 相 P E T樣 機(jī) 實(shí) 驗 結(jié) 果 表 明 所 提 f 的 P E T不 僅 能 實(shí) 現(xiàn)變 壓 功 能 同 時實(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 的二級型 P E T Fi g 8 Th r e e s t a g e PET b a s e d o n d i o de c l a m p i ng muh i l e v e l c o nv e r t e r 與二極 管鉗 位等多 電平 結(jié)構(gòu)相 比 級聯(lián) 多 電平結(jié) 構(gòu) 因為其 易于模 塊化 可 拓展 性 相 同 電平數(shù) 時 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 同時也 有學(xué)者將 級聯(lián)多 電平 結(jié)構(gòu)應(yīng)用 到 P E T的研究 中 其中 文獻(xiàn) 2 0 提出了一種具有三相 自平衡能 力的 P E T 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 三 相 自平 衡 P E T的 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 自平衡 P E T高壓 級 的每 一 相都 由 個 完 全 相 同 的 單 相全 橋 V S C模塊 級聯(lián) 而成 并 通 過適 當(dāng) 的控 制使 交流側(cè)高壓平 均分配 在 個 單相全 橋變換 器 卜 隔離級采用的是雙全橋 D C D C變換器 將其拓展為 個輸入 3個輸 出的結(jié)構(gòu) 相應(yīng)地采用了一個 輸 入 3輸 出 的高 頻 變 壓 器 低 壓 級 由三 個 獨(dú) 立 的 單 第 3期 陳肩超 等 配 電 系統(tǒng) 電力 電子變 壓器 拓 撲結(jié) 構(gòu)綜述 4 5 a 單 相詳細(xì)結(jié)構(gòu) 高壓級 隔離級 低壓級 b 三相結(jié)構(gòu)示意圈 圖 9 自平衡式 P E T Fi g 9 Au t o b a l a n c i ng PET 相全橋變換器模塊組成 再將 每個單元形成 的三相 輸 出對應(yīng) 并聯(lián) 在 一起 自平 衡 P E T結(jié) 構(gòu) 是 針對 系統(tǒng) 或 負(fù) 載 側(cè) 出 現(xiàn) 的 不平衡都會耦合到另一側(cè)這一問題而提出的 因為 配電系統(tǒng) 中不對稱負(fù)荷會非常頻繁地出現(xiàn) 三相系 統(tǒng)電壓不平衡也時常發(fā)生 所提 的自平衡 P E T能夠 有效地避免系統(tǒng)與負(fù)載之間的影響 但是這種 P E T 結(jié)構(gòu)也存在一定問題 其隔離級 中大功率 的多端 口 輸入 多 端 口輸 出高頻 變壓 器設(shè) 計起 來 非常 困難 并 且模 塊 間會有 環(huán) 流 同樣 是應(yīng) 用 了級聯(lián) 多 電 平結(jié) 構(gòu) 文 獻(xiàn) 2 1 提 出 了如圖 l 0所示 的 P E T拓?fù)?并將其作 為新 型智能 電 網(wǎng) F RE E DM F u t u r e R e n e wa b l e E l e c t r i c D e l i v e r y a n d M a n a g e m e n t 的核 心 設(shè) 備 所 提 的 P E T結(jié) 構(gòu) 輸 入級 采用 的是 級 聯(lián) 七 電平 整 流 電路 將 7 2 k V 的交 流 電壓 轉(zhuǎn)換 為 三 個 3 8 k V 的直 流 電 壓 每 個 級 聯(lián) 模塊后接 D A B D C D C變換器 輸出并聯(lián)后為 4 0 0 V 的直流環(huán)節(jié) 可給直流負(fù)載供電 也可通過逆變生成 1 2 0 2 4 0 V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 的系統(tǒng) 電壓和 不 同性 質(zhì) 的負(fù)載 F R E E D M 系統(tǒng)研究 中心 不僅 對所 提 的 P E T結(jié)構(gòu) 進(jìn)行 了仿真 和實(shí)驗 而 且從 功率 器件 的選 擇 高頻 圖 1 0 F R E E D M研 究中心提 出的 P E T結(jié)構(gòu) Fi g 1 0 P ET t o po l o g y p ur p o s e d b y F REEDM S y s t e m Ce n t e r 變壓器的設(shè)計 各環(huán)節(jié)的控制策略 等多個方面 進(jìn)行 了深入 地 探 討 此 P E T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 還要對并聯(lián)側(cè)進(jìn)行均流控制 同時還要 實(shí)現(xiàn) 電 能質(zhì)量調(diào)節(jié) 功 能 其 中級聯(lián) 電容 電 壓平 衡控 制尤 為 重要 因為這 關(guān) 系 到 P E T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) 2 5 提出了一種 3 D空間調(diào)制技術(shù) 很好 地平衡 了三 個 級 聯(lián) 模 塊 的 電 容 電壓 實(shí) 現(xiàn) 了容 錯 控 制 并 通過實(shí) 驗驗證 了此 方法 的有 效性 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 P E T可 以通過 適 當(dāng)?shù)目刂?而具 備新 的特性 但 對 于不 同 的 P E T拓 撲結(jié) 構(gòu) 其 功 能拓 展 能 力 也會 有強(qiáng) 弱 表 1對 三 類 P E T拓 撲 可 實(shí) 現(xiàn) 的功 能進(jìn) 行 了 比較 表 1 三 類 P ET 實(shí)現(xiàn) 功 能 比 較 Ta b 1 Fun c t i o n a l c a pa b i l i t i e s c o mp a r i s o n amo n g t h r e e k i n ds o f PET t o p o l o g i e s 注 不 能實(shí)現(xiàn) 可 以實(shí)現(xiàn) 0可以實(shí)現(xiàn)且效果非常好 4 6 電 工 電 能 新 技 術(shù) 第 3 4卷 通 過 對 上 述 的 P E T拓 撲 結(jié) 構(gòu) 的分 析 和 比較 可 見 三級 型 結(jié) 構(gòu)具 有 較 強(qiáng) 的可 控 性更 適 合作 為 P E T 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 P E T進(jìn)行了大量研究 但現(xiàn)有 的 P E T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 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 P E T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 不 斷優(yōu) 化 的 過 程 中 性能得到 了逐步改善 同樣對于 P E T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 1 5 k V S i C I G B T 的問世 對 P E T的優(yōu)化 和設(shè)計產(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 其高可靠 的開關(guān)能力和強(qiáng)耐溫能力將大 大提 高 P E T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 P E T的研 究 中 對 P E T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 P E T的優(yōu)點(diǎn)很多 但效率低下一直使其飽 受詬 病 是 制約 P E T實(shí)用 化 的主 要 障 礙 研 究人 員 在 改 善 P E T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 開 關(guān) 頻率 很 高 可 達(dá) 1 O 2 0 k Hz 的 隔離環(huán)節(jié)心 軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)可降低開關(guān)損耗 提高 P E T的效率 相 對 于 隔 離級 來 說 輸 入 級 和 輸 出級 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) Z V S Z e r o V o l t a g e S w i t c h i n g 低壓側(cè) 的開關(guān) 能實(shí) 現(xiàn) Z C S Z e r o C u r r e n t S w i t c h i n g 也將 大 大降低開關(guān)損耗 實(shí)現(xiàn) 軟開關(guān) 的同時也 會帶 來一 定 問題 因為 軟 開關(guān) 的實(shí) 現(xiàn)大都 基 于諧 振 原理 而 P E T是 串聯(lián) 在 系 統(tǒng) 中 諧振 電路 的引入會 引起 系統(tǒng) 怎樣 的暫 態(tài)過 程 對系統(tǒng)的穩(wěn)定性會帶來怎樣的影 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 P E T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 P E T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 只是 為 負(fù) 載 提供 穩(wěn) 定 的電源 功能上類似于 U P S 當(dāng) P E T的功率傳輸方 向改變 時 輸 入級 的整流器 變 為逆變 器 輸 出級 的逆 變器變?yōu)檎髌?這時就需要 兩套完全不同的控制 方案 控制策略中需要檢測 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 P E T的控制系統(tǒng)不僅能處理大 量的數(shù)據(jù) 同時具備快速響應(yīng) 因此 相應(yīng)完善的控 制方案還有待開發(fā) 4 P E T的并 聯(lián)技術(shù) 配電網(wǎng) P E T在產(chǎn) 品化 的過程 中 常常會 出現(xiàn) P E T與 傳 統(tǒng) 變 壓 器 并 聯(lián) 以 及 多 臺 P E T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) 1 7 從控制策 略上對 P E T并聯(lián) 的均流 問題進(jìn)行 了 探索 卻未針對配電網(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 同時實(shí)現(xiàn)電能質(zhì) 量 調(diào)節(jié) 的 P E T并 聯(lián) 控 制 策 略 仍 是 未 來 研 究 的一 個 難 點(diǎn) 通過 上述 分析 不 難 看 出 拓 撲結(jié) 構(gòu) 的不 斷 改 進(jìn) 只是 P E T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)難題勢必會被逐個突破 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 狀況 對 典型 的 電力 電 子變 壓 器 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 了論 述 和對 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會 逐漸降低 效率會不斷提 升 可靠性會逐步提高 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 參 考 文獻(xiàn) R e f e r e n c e s 1 1 I m a n E i n i H F a r h a n g i S S c h a n e n J e t a t A mo d u l a r p o we r e l e c t r on i c t r a n s f o r me r b a s e d o n a c a s c a d e d H b r i d g e m u l t i l e v e l c o n v e r t e r J E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s R e s e a r c h 2 0 0 9 7 9 1 2 1 6 2 5 1 6 3 7 2 Q i n H S K i m b a l l J W S o l i d s t a t e t r a n s f o r m e r a r c h i t e c 第 3期 陳啟超 等 配電系統(tǒng)電力 電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述 4 7 3 4 5 6 7 8 9 1 O 1 1 1 2 1 3 1 4 t u r e u s i n g A C A C d u a l a c t i v e b ri d g e c o n v e r t e r J I EEE Tr a n s a c t i o ns o n I n d us t r i a l El e c t r o ni c s 2 01 2 60 9 3 7 2 0 3 7 3 0 L i u C S u n P W L a i J S e t a 1 C a s c a d e d u a l b o o s t b uc k a c t i v e fro n t e n d c o n v e r t e r f o r i nt e l l i g e n t u ni v e r s a l t r a n s f o r me r J 1 I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s 2 0 1 2 5 9 1 2 4 6 7 1 4 6 8 0 W a n g D Ma o C X Lu J M Co o r d i n a t e d co nt r o l o fEP T a n d g e n e r a t o r e x c i t a t i o n s y s t e m f o r muhi do u b l e c i r c ui t t r a n s m i s s i o n l i n e s s y s t e m J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o we r De l i v e r y 2 0 0 8 2 3 1 3 7 1 3 7 9 K a n g M E n j e t i P N P i t e l I J A n a l y s i s a n d d e s i g n o f e l e c t r o ni c t r a ns f o r me r s f o r e l e c t r i c po we r di s t ribu t i o n s y s t e m J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s 1 9 9 9 1 4 6 1 1 3 3 1 1 4 1 McMur r a y W Po we r co nv e r t e r c i r c u i t s h a v i n g a hi g h f r e q u e n c y l i n k P U S P a t e n t 3 5 1 7 3 0 0 1 9 7 0 Ha r a d a K Ana n F Ya mas a k i K e t a 1 I n t e l l i g e n t t r a n s f o r m e r A P r o c e e d i n g s o f 2 7 t h A n n u a l I E E E P o we r E l e c t r o n i c s S p e c i a l i s t s C o n f e r e n c e P E S C1 9 9 6 C Ma g g i o r e I t a l y 1 9 9 6 1 3 3 7 1 4 4 1 Br o o k s J L S o l i d s t a t e t r a ns f o r me r c o nc e pt de v e l o p me n t R C a l i f o r n i a N a v a l Ma t e ri a l C o m m a n d C i v i l E n g i n e e r i n g L a bo r a t o r y Na v a l Con s t r u c t i o n Ba t t a l i o n Ce n t e r 1 98 0 Re i s c hi P Pr o o f o f t h e p r i n c i pl e o f t he s ol i d s t a t e t r a ns f o r m e r t h e A C A C s w i t c h mo d e r e g u l a t o r R C a l i f o r n i a Sa n J o s e St a t e Uni v e r s i t y 1 9 95 He i ne ma n n L Ma ut he G Th e u ni v e r s a l p o we r e l e c t r o n i c s b as e d di s t r i bu t i o n t r a ns f o r me r a n u ni f i e d a pp r o a c h A P r o c e e d i n g s o f I E E E 3 2 n d A n n u a l P o w e r E l e c t r o n i c s S p e c i a l i s t s C o n f e r e n c e P E S C 2 0 0 1 C V a n c o u v e r Ca n a da 2 001 5 04 5 09 Q i n H S K i mb a l l J W AC AC d u a l a c t i v e b r i d g e c o n v e r t e r fo r s o l i d s t a t e t r a n s f o r m e r A I E E E E n e r g y C o n v e r s i o n C o n g r e s s a n d E x p o s i t i o n E C C E 2 0 0 9 C S a n J o s e US A 2 0 0 9 3 0 3 9 3 0 4 4 Ma n j r e k a r M D Ki e f e r n d o r f R Ve n k a t a r a ma n a n G Po we r e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r s for ut i l i t y a pp l i c a t i o n s A 3 5 t h I A S A n n u a l Me e t i n g a n d Wo r l d C o n f e r e n c e o n I n d u s t r i a l A p p l i c a t i o n s o f E l e c t ri c a l E n e r g y C R o m e I t a l y 20 0 0 24 9 6 2 5 02 Gu p t a R K Mo h a pa t r a K K Mo h a n N No v e l t o po l o g i e s o f po we r e l e c t r o ni c t r a ns f o rm er s wi t h r e d uc e d s wi t c h c o un t A G r a n d C h a l l e n g e s i n Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n G C MS 2 0 0 9 C I s t a n b u l T u r k e y 2 0 0 9 1 6 Fa l c o ne s S Ma o X L Ay y a n a r R To p o l o g y c o mpa ris o n fo r s o l i d s t a t e t r a n s f o r me r i m p l e m e n t a t i o n A I E E E P o w e r a n d E n e r g y S o c i e t y Ge n e r a l Me e t i n g P ES 2 0 1 0 c M i n n e a p o l i s U S A 2 0 1 0 1 8 1 5 A b e d i n i A L i p o T A n o v e l t o p o l o g y o f s o l i d s t a t e t r a n s f o r me r f A 1 s t P o we r El e c t r o n i c D riv e S y s t e ms T e c h n o l o g i e s C o n f e r e n c e P E D S T C 2 0 1 0 c T e h r a n I r a n 2 01 0 1 O1 1 05 1 6 J i n A J L i H T L i s L A n e w h i g h f r e q u e n c y A C l i n k t h r e e p h a s e f o u r w i r e p o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r A 1 s t I EEE Co n f e r e n c e o n I n du s t r i a l El e c t r o n i c s a n d Ap pl i c a t i o n s I C I E A 2 0 0 6 C S i n g a p o r e 2 0 0 6 1 6 1 7 毛承雄 Ma o C h e n g x i o n g 電子 電力 變 壓器 E l e c t r o n i c p o w e r t r a n s f o r m e r M 北京 中國 電力 出版 社 B e i j i n g Ch i n a E l e c t r i c P o w e r P r e s s 2 01 0 1 8 R o n a n E R S u d h o ff S D G l o v e r S F e t a 1 A p o w e r e l e c t r o n i c b a s e d d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r D e l i v e ry 2 0 0 2 1 7 2 5 3 7 5 4 3 1 9 L a i J S Ma i t r a A Ma n s o o r A e t a 1 Mu l t i l e v e l i n t e l l i g e n t u n i v e r s a l t r a n s f o rm e r for me d i u m v o l t a g e a p p l i c a t i o n s A I n d u s t ry A p p l i c a t i o n s C o n f e r e n c e 4 0 t h I A S A n n u a l Me e t i n g C Ho n g K o n g C h i n a 2 0 0 5 1 8 9 3 1 8 99 2 O 王丹 毛承雄 陸繼 明 Wa n g D a n Ma o C h e n g x i o n g L u J i mi n g 自平衡 電子 電力變 壓 器 A u t o b a l a n c i n g e l e c t r o n i c p o w e r t r a n s f o rm e r J 中國 電機(jī) 工程學(xué) 報 P r o c e e d i n g s o f t h e C S E E 2 0 0 7 2 7 6 7 7 8 3 2 1 Z h a o T F Z e n g J B h a t t a c h a rya S e t a 1 A n a v e r a g e mo de l o f s o l i d s t a t e t r a n s f o r me r f o r d yn a mi c s y s t e m s i mu l a t i o n A I E E E P o w e r a n d E n e r g y S o c i e t y G e n e r a l Me e t i n g P E S 2 0 0 9 C C a l g a r y C a n a d a 2 0 0 9 1 8 2 2 Wa n g G Y H u a n g X Wa n g J e t a 1 C o mp a ri s o n s o f 6 5 kV 2 5A Si I GBT a n d 1 0 k V S i C MOS FET i n s o l i d s t a