配电网电力电子变压器技术综述

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-12-13 10:37 热度：

　　摘要：电力电子变压器旨在代替传统电力变压器，实现电压变换、电能控制、无功补偿和不间断电源等智能化功能，使配电网结构更加精简，运行更加高效。首先对电力电子变压器的发展历程、优势和工作原理进行了论述和分析，然后对电力电子变压器技术中的功率器件、高频变压器、电路拓扑结构、控制技术以及应用等关键问题和研究现状进行了较为全面的阐述，最后指明目前电力电子变压器亟需解决的问题。

　　关键词：电力电子变压器;配电网;功率器件;拓扑结构;多电平变流器

　　电力电子变压器 PET(power electronic trans⁃ former)又称为固态变压器SST(solid-state transform⁃ er)或 智 能 通 用 变 压 器 IUT(intelligent universal transformer)，是一种把电压变换、频率变换、动态无功补偿、电能质量控制和不间断电源等功能集于一身的智能配电设备[1] 。自传统电力变压器出现100 多年来[2] ，电力系统发生了巨大变化，如电网规模日益扩大，分布式发电技术迅速发展，直流配电网研究不断深入[3] ，智能电网受到广泛关注等，面对这些新挑战，传统电力变压器的不足已日益明显，而电力电子变压器的出现有望解决电力系统面临的诸多新问题，已经成为学界的研究热点。

　　本文从电力电子变压器的发展历程、工作原理、器件、拓扑结构、控制技术及应用等几方面进行展开，最后指明目前电力电子变压器亟待解决的问题，为电力电子变压器的研究提供参考。

　　1 电力电子变压器的发展

　　1970 年，美国学者 McMurray 提出了一种高频 AC/AC变换电路，为电力电子变压器的发展奠定了基础[4] 。早期的电力电子变压器旨在通过应用高频变换技术以减小变压器体积，直到 1996 年，日本学者Harada等提出了一种智能变压器，它不仅体积减小，还能实现恒压恒流和功率因数校正等功能，但只适用于低压等级场合[5] 。1999 年，美国学者 Ronan等提出了一种适用于高压大功率场合的电力电子变压器，它是由输入级、隔离级和输出级组成的 3 级结构[6] ，其特点是输入级采用多功率模块串联的结构，致使输入高压均分到每一个模块上，从而提高电压等级。自此以后，应用于高压大功率场合的电力电子变压器技术不断发展。

　　2 电力电子变压器的工作原理

　　目前，电力电子变压器的结构种类繁多，归结起来其主要包含2个基本要素，即电力电子变流器和高频变压器。其工作原理如图1所示，高压侧工频交流通过电力电子变流器一系列变换(交-交变换或交-直-交变换)形成高频交流电，然后通过高频变压器耦合到低压侧，再经过变流器一系列变换形成工频交流电，向负载供电[7] 。其中脉冲宽度调制 PWM(pulse width modulation)技术由控制器实现，从而对两侧变流器进行控制。而整个过程能量是可以双向流动的。变压器的体积大小与其工作频率成反比，频率越高，体积就越小。

　　3 电力电子变压器的核心部件

　　3.1 功率开关器件

　　我国配电系统电压等级分为3种：低压(380 V/ 220 V)、中压(10 kV/6 kV)和高压(35~110 kV)，为了使配电网电力电子变压器能够更高效更可靠更精简，其中起关键作用的功率开关需具备高压、大电流、高频、低损耗的特点。开关器件在配电系统中应用往往要面对相当高的开关电压。面对高压大功率场合，一种可行的方案就是采用模块化结构，或者采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来适用于高电压大功率场合[6，8-9] ，但这将导致装置的故障率和成本大大增加，制约了现代电力电子技术在现代电力系统中的应用[10] 。因此高压功率器件的工艺技术已成为目前制约电力电子变压器发展的主要因素之一。

　　制造材料直接影响功率开关器件的耐压水平。目前常见的硅(Si)功率器件，如绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(metal-oxidesemi- conductor field- effect transistor)等，在过去 50 年里发展迅速，然而，其功率处理能力及开关频率并没有较大的突破，高压硅功率器件的电压等级一般低于6.5 kV，开关频率通常低于1 kHz。并且，硅功率器件的应用需要昂贵的冷却系统和缓冲器，还需要大量器件进行串并联工作。碳化硅(SiC)材料是宽禁带材料，相比 Si 材料，具有 10 倍的击穿电压，更高的热导率和更低的本征载流子浓度，使得碳化硅器件能够在高电压、高温下工作[10~11] 。

　　文献[12]对应用于智能电网的高压SiC器件，即 10~15 kV SiC MOSFET和IGBT进行了深入分析，结果显示，在室温条件下，对工作频率高于2 kHz的应用场合，10 kV的SiC MOSFET较为适合，而IGBT在低频大电流场合更具优势。考虑电力电子变压器对体积尺寸的要求，在低于 10~15 kV 的场合选择 SiC MOSFET 更合适。而在高于 10~15 kV 的场合上，SiC IGBT 因其低导通损耗、适当的开关时间及较高的高温处理能力等特性显示出其优越性。

　　相比 SiC，氮化镓(GaN)近年来表现出更大的发展潜力。和SiC MOSFET 纵向型元器件相比较， GaN MOSFET是横向型元器件，更容易将外围芯片集成在同一块底板上。在不久的将来，SiC 和 GaN 将会逐步取代硅功率半导体，但形成商业化的产品还需要一定的时间[11] 。

　　可以预见，基于新兴材料制造的高压电力电子器件将有利于电力电子变压器的结构简化及可靠性提升。

　　3.2 高频变压器

　　对于高频变压器的问题主要考虑以下 4 个方面：第一，高功率密度和低损耗是变压器基本要求，因此磁芯材料的选择是关键;第二，变压器绕组结构会影响高频运行效率;第三，在高压大功率系统中的散热设计亦是难点;第四，在无油且精简的要求下，高压环境对绝缘要求格外严格。

　　传统变压器中使用的硅钢片，具有高饱和磁通密度和高磁导率的优点，但在高频场合应用中损耗很大。铁氧体磁芯虽然损耗适中价格也低，但是其低饱和磁通密度会导致较大的磁芯体积。纳米晶体材料虽然各性能相对最优，但其价格也相对较高，不经济。非晶合金平衡了各种优缺点，饱和磁通密度较高，损耗适当且经济[13] 。

　　变压器结构对满足变压器高功率密度和高效率的要求也至关重要。变压器主要有 2 种绕组结构，一种是螺线管式绕组，另一种是共轴绕组 [13] 。螺线管式绕组最常见，其磁通量平行于磁芯轴，电流环绕磁芯轴;而共轴绕组恰好相反，电流平行于磁芯轴而磁通环绕磁芯轴[14] 。后者虽然易于控制和预测漏感，但设计中更多地采用前者，原因在于前者设计更灵活，制造更简单且成本低。

　　相比传统变压器，另两个因素即散热和绝缘设计就显得更加困难。根据不同的应用可以采用不同的散热方式。在大功率密度的设计中最常见的散热方法主要有风扇冷却法和水冷却法等[15] 。对于干式变压器的绝缘问题，需要采用适合的固态绝缘材料，如环氧树脂[15~16] 。另外，高压绝缘线也是一种很好的选择，可以大大简化变压器结构。

　　4 拓扑结构及实例

　　4.1 拓扑结构

　　文献[17]分类总结了电力电子变压器的几种拓扑结构，分别如图2所示。图2(a)是直接AC/AC变换的单级结构，从高压交流HVAC(high-voltage AC)降到低压交流LVAC(low-voltage AC);图2(b)和(c)都是基于AC/DC/AC 变换的双级结构，区别在于前者直流环节在低压侧LVDC(low-voltage DC)，后者直流环节在高压侧HVDC(high-voltage DC)，事实上后者并不适合分布式能源和分布式储能系统的接入;图2(d)是基于背靠背变流器的3级结构，即输入级、中间隔离级和输出级。从图 2 的拓扑结构来看，可以分为两大类：变换过程中含有直流环节和不含直流环节。为了实现能量双向流动，都需采用 4 象限功率器件。其中，不含直流环节的方案变换环节少，结构简单，通过使用高频技术可以较大幅度减小变压器的体积和重量，但由于没有直流环节，无法进行无功补偿，而且一侧的扰动也可以干扰到另一侧，无隔离作用。总体而言，可控性不强。而含直流环节的方案虽然变换环节增多，器件也增加，但此类变压器具有良好的可控性，尤其是最后一种图2(d)应用最广泛，不仅可以实现无功补偿和电压跌落补偿，还可以实现可再生能源和能量储存设备的接入等期望的功能。

　　然而，这样的结构由于受电力电子器件和磁芯材料的限制，并不适合于高压大功率场合。因此，需要将图2的拓扑结构进行串联或并联，串联可提高电压等级，并联可提高电流等级，如图 3 所示。第 1 种为输入串联输出并联 ISOP(input series out⁃ put parallel)，第 2 种为输入输出都并联 IPOP(input parallel output parallel)，第 3 种是输入输出都串联 ISOS(input series output series)，其中ISOP应用最广。

　　对于以3级结构为基本单元的ISOP拓扑结构，即输入高压级、中间隔离级和输出低压级，其高压级主要有3类基本的拓扑结构，如图4所示。其中，图 4(a)为二极管钳位型多电平拓扑，该结构电平数越多，电压谐波就越少，但是所需的钳位二极管也就越多，并且存在电容电压不平衡问题;图4(b)为飞跨电容型多电平拓扑，同样需要大量的钳位电容，并存在飞跨电容电压不平衡问题;图4(c)为H桥，以H桥为基本单元组成的级联多电平结构，相较前两种结构所需器件最少，便于封装，易于模块化，且不存在电容电压不平衡问题。

　　4.2 拓扑结构实例图5~图10给出了国内外先进的科研团队提出的几种配电网电力电子变压器的拓扑结构。图 5 所示是北卡罗来纳州立大学提出的未来可再生电能传输和管理 FREEDM(future renewable electric energy delivery and management)中的 SST[18- 20] ，其容量是 20 kVA，高压级采用的是 7 电平级联 H 桥，其中 H 桥采用的是 6.5 kV/25 A 的 IGBT 模块，中间隔离级(双主动桥)工作频率为3 kHz。该SST原边为 7.2 kV交流电，副边可接120 V/240 V的交流，也可以接400 V直流，用于分布式电源和储能系统的接入。

　　图6是欧盟的通用灵活电能管理UNIFLEX-PM (universal and flexible power management)项目中提出的应用于智能电网的电力电子变压器拓扑结构[8] 。它采用 3 级结构，高压侧由级联多电平变流器组成，高频变压器是油式变压器，磁芯材料是非晶合金，工作频率为2 kHz。它有3个连至公共耦合点的端口，端口1和端口2链接中压电网，端口3连接能量存储系统或低压电网。

　　图7是美国电力研究院EPRI(electric power re⁃ search institute)提出的应用于快速直流充电站的 IUT拓扑结构[21] 。其高压级及隔离级一次侧是二极管钳位型多电平变流器，采用18 kV/60 A的多电平 IGBT 模块，而隔离级二次侧是普通的二极管整流桥，因此能量只能单向流动。高频变压器采用的是铁氧体磁芯，工作频率为20 kHz。

　　图8是通用电气GE(General Electric)公司采用的应用于变电站变压器的基本单元电路拓扑结构[22] ，高压侧采用的是 10 kV/120 A SiC 半 H 桥模块，开关频率为 20 kHz，变压器磁芯材料是纳米晶。该单元仅仅能实现电压变换和隔离作用，因此不适用于智能电网。

　　图9是ABB(asea brown boveri)公司应用于铁路电网(15 kV)的电力电子牵引变压器的拓扑结构[23] 。高压级同样采用的是级联 H 桥多电平变流器，其中H桥模块选择的也是6.5 kV的IGBT。中间隔离级为LLC振荡DC/DC变流器，起到隔离和软开关的作用以减小损耗从而提高效率，其中高频变压器的磁芯材料为纳米晶。对于中间级的控制采用简单的开环控制，即施以固定占空比为50%的PWM。

　　国内华中科技大学提出了三相自平衡电子电力变压器 A-EPT(auto-balancing electronic power transformer)的概念[24] ，其最大特点是能够在变压器一侧系统出现不平衡时，保证另一侧系统仍然能够维持三相电流或电压平衡。其自平衡原理是：当实现从高压侧向低压侧传递能量时，一次侧的每一相电能经过高压级整流成N个直流电，通过隔离级调制成高频方波并耦合到二次侧，整流成 3 或 3M 个直流电，然后传输到低压级，并分配到a、b、c三相。图 10为其提出的三相A-EPT拓扑结构。

　　5 电力电子变压器的控制和应用

　　5.1 PET 控制

　　PET控制主要是对输入高压级、中间隔离级和输出低压级的控制，其中，对高压级的控制可以看作是对多电平变流器的控制。由于多电平变流器的结构多种多样，因此其控制方法根据电路结构的不同而不同。归纳其控制方法主要有：空间矢量脉宽 调 制 SVPWM(space vector pulse width modula⁃ tion)方法[25-27] 、消谐波脉宽调制SHPWM(subharmon⁃ ic PWM)方法[28] 、开关频率优化脉宽调制 SFOPWM (switching frequency optimal PWM)方法[29] 、载波带频率变换的PWM方法[30] 、混合载波PWM方法[31] 、载波 相 移 脉 宽 调 制 CPSPWM(carrier phase- shifted PWM)方法[32- 33] 和载波交叠式脉宽调制 COPWM (carrier-overlapping PWM)方法[34] 等。

　　其低压级主要是传统的单相或三相逆变器，其控制可分为基于abc静止坐标系控制算法、基于αβ 静止坐标系控制算法和基于dq旋转坐标系控制算法等。以上控制方法已有相关研究文献，不再赘述。中间隔离级的控制一般采用开环控制，即以固定占空比的高频方波控制。而北卡FREEDM研究中心还对中间隔离级(双主动桥)的闭环控制进行了研究，文献[20]介绍了功率平衡控制法，文献[35] 介绍了无电流传感器的功率平衡控制法，然而，对中间隔离级进行闭环控制大大增加了控制难度和控制系统复杂性。

　　5.2 PET 的应用

　　随着太阳能、风能和潮汐能等新能源高度渗透，电力电子变压器以其突出的优点，如实现无功补偿、滤波等功能，还能提供故障隔离保护，并保证不间断供电等，将取代传统变压器直接把分布式电源并入配电网，使配电网系统大大精简且效率提高。如美国电力研究院 EPRI 开发了一个 2.4 kV、 45 kVA的基于电力电子变压器的电动汽车直流快速充电站，不仅重量大大减轻，还可以将效率从 90%~92%提高到96%~97%以上[36] 。又如ABB公司世界上第 1 台应用于火车牵引的电力电子变压器已于2012年投入使用，同样不仅体积变小、重量减轻，效率也从原来的90%~92%提高到96%[37] 。电力电子变压器也可应用于其他电力系统，如在输电系统中，与柔性交流输电系统FACTS(flexible alterna⁃ tive current transmission systems)技术相结合，可以解决远距离输电稳定问题，以提高输电系统暂稳水平的能力[38] ;又如在电网发生不对称故障时，可以利用电力电子变压器改善控制效果[39] 。——论文作者：卢子广，赵 刚，杨达亮，曾宪金

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