电力电子变压器研究综述

电力电子变压器研究综述李璟摘要：电力电子变压器(PET)是一种采用电力电子变换器和高频开关变压器的电能传输装置。首先，介绍了电PET的基本工作原理及其研究现状。其次，介绍了发展过程中出现的几种典型拓扑结构。再次，对PET的控制方法进行了总结。最后，对将来PET的应用及发展做出了展望。关键词：电力电子变压器电力系统控制拓扑0引言PET除了具有传统电力变压器电能变换与传输功能外，其突出优点在于体积小、重量轻，通过变压器原、副方电压源变换器对其交流侧电压幅值和相位的实时控制，可以实现变压器原、副方电压、电流和功率的灵活调节，在暂态过程中控制性能良好，本身具有断路器的功能，无需传统的变压器继电保护装置等[1~3]。因此PET具备解决电力系统相关问题的潜力，应用前景广阔。随着电力系统朝着智能电网不断发展，PET也受到越来越多的专家学者的关注。1PET基本工作原理电力电子变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合,实现将一种电力特征的的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备。[4]上述电力特征包括电压或者电流的幅值、相位、相序、波形、频率和相数等。它的主要功能包括变压、变流、电气隔离、能量传递和电能控制。在结构上,电力电子变压器主要包括两个部分:高频变压器和电力电子变换器。电源接到一次侧时,电力电子变换器1将输入的工频交流电变换成高频交流电,高频交流电经高频变压器耦合后与这电力电子变换器2相连接,通过电力电子变换器2输出到负载上。图1电力电子变压器中电力电子变换器的主要功能是实现电压或者电流的频率控制、相位控制和谐波控制；电力电子变压器中的高频变压器主要功能是电压等级的变换和电气隔离。变压器容量S可以表示为下式：mecBAAJfKS22.2(1)式中K为铜导线饱和因数；f为励磁频率（Hz）；cA、eA分别表示为铁芯和绕组导线面积（m2）；J为导体中的电流密度（2/mA）；mB为最大磁通密度(T)。可见在其他条件相同的情况下，f与ecAA成反比，因此高频变压器体积远小于同容量的工频变压器。[5]2国内外研究现状PET是由美国人McMurrayW提出的。在随后的发展过程中，传统AC/AC型、buck变换型、AC/DC/AC变换型等多种拓扑结构被提出并取得一定成果。随着大容量高电压电力电子器件研究的突破，PET在电力系统等工业领域的应用逐渐成为现实。而国内对PET的研究起步较晚，2002年才开始有研究人员涉及这一领域。近年来，对PET的研究主要在于对其拓扑结构及其控制策略的研究和PET在各领域的实际应用问题的研究。3PET的2种典型拓扑结构3.1AC-AC型PET1970年美国通用公司的McMurrayW提出电力电子变压器的概念，介绍了一种AC-AC型PET。图2.a）即是一种直接AC-AC型PET的拓扑结构。电源的工频交流电经一次侧的电力电子变换器转换为高频交流，再经过高频变压器的耦合输送到二次侧的电力电子变换器，从而转换为工频交流输出到负载，电压变换的过程在高频变压器中进行。此类PET由于使用高频变压器使得体积大为减小，但这种结构也有一些不足：不能有效控制两侧的电流电压，不能改善电能质量，谐波也比较大。[7~9,11]图23.2AC-DC-AC型PET与2.1所述PET不同，AC-DC-AC型PET在交流环节之间加入了直流环节，一二次侧的电力电子变换器都有直流环节。如图2.b)，电力电子变换器是由一个全控整流器和一个全桥逆变电路组成。一次侧工频交流电经整流器整流后变为直流，再由一次侧的高频逆变器将直流转化为高频交流方波，在高频交流方波经高频变压器耦合到二次侧后，首先通过整流器转化为直流，再由工频逆变器将其逆变为工频交流。此类PET的优点在于可控性好，可利用两侧电力电子变换器的控制来调节原边功率因数以及输出电压电流，可以以灵活的控制策略来实现多样的功能；直流环节的存在给分布式能源的接入提供了可能，使PET在新能源并网方面具有巨大优势；而且可以隔离PET两侧的谐波。但由于电力电子器件的电压及容量有限，高电压大功率的器件制造成了影响PET发展最重要的因素之一。[7,8,10,11]4对PET的控制目前国内外对三相电压型变换器常用的控制策略有：预测电流控制法、前馈补偿和反馈补偿控制法、内环为滞环结构的双闭环控制法、非线性控制法、间接电流控制法和双闭环直接电流控制等。[15]4.1基于双PWM变换的电力电子变压器的控制对于电力电子变压器原边的单相逆变电路,在变压器磁芯允许的范围内,逆变器输出频率越高,变压器的体积和重量越小,只须达到高频逆变目的即可,对于变压器副边整流电路,只要能实现高频整流即可,因此,变压器原边逆变电路和副边整流可以用开环控制方式实现。变压器原边的电压型PWM整流电路是电力电子变压器的特点之一,目的是控制电网的功率因数,用解耦的电压、电流双闭环控制,无论变压器的负载是感性还是容性,只要在一定的范围内,都可以通过原边PWM整流电路的控制,使电网的功率因数接近1;为了输出恒压、恒频的交流电压,副边逆变电路用电压闭环控制。提出了如下的关系式：qqddieQieP(2)其中:P为整流器的有功功率；Q为整流器的无功功率。为了实现单位功率因数运行,必须使Q为0,可令0*qi来实现。并通过电压环PI调节器的输出作为电流有功分量di的给定值,来控制电网的有功电流。要实现副边逆变电路输出恒压、恒频的交流电压,可以采用电压闭环控制方法。为了减少控制变量,把输出电压CBAuuu,,经d,q变换为qdvv,,并作为反馈量,再令qv的给定值0*qv,dv的给定值*dv为负载正常工作所须的额定电压。将qdvv,和**,qdvv比较,经PI调节后,输出作为调制信号再与载波信号比较生成PWM信号,来控制开关器件的通断,完成对输出电压的控制。[13]参考文献[14]也指出：在原方,通过控制PWM技术中的调制比M来控制换流器的直流侧电压,通过控制调制角来控制PET吸收的无功；在副方,通过控制调制比M来控制换流器输出的交流电压,通过控制来控制换流器输出有功。4.2非线性控制从非线性控制的角度考虑将多目标非线性控制思想运用在含PET的电力系统的稳定控制，以得到良好的控制效果。对变换器多目标非线性控制程序如下:(1)基于对整个输电系统关键的几个目标量计算跟踪偏差y;(2)采用多目标全息非线性控制，得到非线性控制率1u和2u;(3)由于控制量1u和2u中分别含有1VSL和2VSL的调制比和调制角，即可以从控制量中分别得到11,m和22,m;(4)通过PWM脉宽调制技术，可得到PET输入级和输出级开关管的PWM的占空比，最终通过PWM调制可实现PET的非线性控制，实现控制的目的。[17]参考文献[16]则给出以AC-AD-AC为主要结构的电力电子变压器的各个部分的数学模型，并在模型的基础上采用非线性的控制策略，运用线性化解祸和滑模变结构控制的方法，设训一对变压器输出侧电压的有效控制。最终采用MATLAB软件进行模拟仿真，其结果表明控制方法具有完全自适应能力，对控制口标有非常好的有效性和稳定性。4.3模块级联型PWM整流器的控制参考文献[5]讲述了模块级联型PWM整流器的控制方法。由于釆用了基于单相D-Q变换的控制方法,因此本章首先论述了虚拟轴的构造方法,在此基础上分析了单相D-Q变换的具体方法。建立了模块级联型PWM整流器的小信号模型,给出了基于单相D-Q变换的共同占空比控制方法的控制框图,详细分析了电压环和电流环的设计方法,并为本文中仿真和实验设计了电压环和电流环的n调节器。由于基于单相D-Q变换的共同占空比控制方法不含有均压环节,因此不同模块参数不一致或者负载不一致时将无法把三组模块的电压都稳定在给定值上。给出了一种电压均衡控制方法,这种控制方法是在基于单相D-Q变换的共同占空比控制方法基础上增加一个均压环节实现的。最后分析了电压均衡控制方法的局限性,给出了实现电压均衡控制需要满足的要求。5PET的应用尽管电力电子变压器到目前为止还没有大范围的应用于电力系统,但其相对于传统变压器的优点已经引起力系统科研工作者极大的兴趣。5.1输电网高压短路限流器电力电子型FCL与电力电子变压器技术相结合就可实现综合型多功能FACTS器件。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。[11]5.2基于带储能模块PET的不间断供电技术在PET的直流环节加入蓄电池组或超级电容等储能模块，组成在线式不间断电源(UPS)。由于在线式UPS总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，并通过监控输入电压的状态对蓄电池组进行投切。当电网掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。[11]5.3利用PET改善电力系统动态特性参考文献[2]给出的上仿真结果可以看出，应用了PET的系统在扰动后，发电机功角、电压以及PET与系统之间的交换功率振荡幅度很小，能够迅速恢复稳定。因为PET能够实现对电压、电流和功率的灵活调节，通过发电机励磁和PET的最优协调控制，可根据系统的需要，实现PET与系统之间功率的迅速交换和双向流动，提高了系统阻尼，有效抑制了扰动下系统的振荡，使其迅速恢复到稳定运行状态，从而大幅度提高电力系统暂态稳定性。5.4用于分布式发电的并网由于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。分布式风电水电机组和分布式太阳能发电可分别通过AC-DC变换和DC-DC变换后接入PET的直流环节从而接入电网。这种方式不仅省去了相关设备的成本，而且可以有效减少分布式能源对电网的冲击以及谐波影响，还能对各个模块进行灵活、有效的控制。5结语本文从基本原理、拓补结构、控制策略及其应用等方面对电力电子变压器进行了综述，并介绍了电力电子变压器研究的发展与现状。电力电子变压器相对于传统变压器具有许多方面优势，随着对电力电子变压器的研究不断深入，电力电子变压器一定会更加成熟、实用、多功能化。相信在不久的将来，电力电子变压器可以替代传统变压器应用与各个工业领域，发挥传统变压器所不具备的优势，取得巨大的经济和社会效益。参考文献[1]毛承雄，范澍，黄贻煜，陆继明.电力电子变压器的理论及其应用(II)[J].高电压技术，2003，29(12)：1~3[2]曹解围，毛承雄，陆继明，范澍.电力电子变压器在改善电力系统动态特性中的应用[J].电力自动化设备，2005，25(4)：65~68[3]张方军.电力电子变压器的应用现状及发展前景[J].电气时代，2006(7)：118~120[6]McMurrayW.Powerconvertercircuitshavingahigh-frequencylink[P].U.S.Patent3517300，1970[4]毛承雄，范澍，王丹，方华亮，黄贻煜.电力电子变压器的理论及其应用(I)[J].高电压技术，2003，29(10)：4~6[5]张涛.新型电力电子变压器拓扑与控制策略研究[D].山东：山东大学，2014[7]廖国虎，邱国跃，袁旭峰.电力电子变压器研究综述[J].电测与仪表，2014，57(16)：5~10[8]邓卫华，张波，胡宗波.电力电子变压器电路拓扑与控制策略研究[J].电力系统自动化，2003，27(20)：40~44[9]KangM，EnjetiPN，PitelIJ.AnalysisandDesignofElectronicTransformersforElectricPowerDistributionSystem[J].IEEETransactiononPowe