電力電子變壓器及其在電力系統中的應用

姚圭宇

摘 要 電力電子變壓器是智能的電力變壓器，通過電力電子變換技術實現對電源的靈活控制。傳統的電力變電器存在著會對電力系統的安全帶來威脅的缺點，這使得傳統的電力變電器難以滿足電力系統發展的需求。運用電子技術對傳統電力變壓器進行創新而形成了電力電子變壓器，是當代電力系統發展的必然產物。文章論述了電力電子變壓器的研究背景、概念及其在電力系統中的應用。

關鍵詞 電力電子變壓器；電力系統；應用

中圖分類號：TM41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0111-02

電力變壓器主要作用是電壓升降和系統隔離，是電力系統中最基本的輸變電設備。傳統的電力變電器存在著一定的缺點，會對電力系統的安全帶來威脅，導致傳統的電力變電器難以滿足電力系統發展的需求。運用電子技術對傳統電力變壓器進行創新是當代電力系統發展的必然選擇。本文論述了電力電子變壓器的概念、其在電力系統中的應用，驗證了電力電子變壓器更加適合于當代電力系統。

1 電力電子變壓器在電力系統中的應用的背景

電力系統隨著經濟和社會的飛速發展而有了巨大的變化。大型和超大型的電力系統的出現使得電力系統的規模不斷擴大，打破了地域之間的阻斷，不斷跨區域發展，這種發展也對電力系統的穩定性提出了更高的要求；除了傳統的發電方式之外，風能、太陽能、潮汐能等可再生能源發電也得到了快速的發展，多種發電形式并存的現狀使電力系統出現了并入和轉換的問題；科技技術不斷發展，敏感負荷的接入使得電力系統出現了一些質量問題。電力系統要面對的問題和調整越來越多、越來越艱巨，傳統的電力變壓器在這種背景之下呈現出了不足之處，對電力變壓器進行創新才能夠真正滿足當代電網的新需求。

2 電力電子變壓器概述

電力電子變壓器是利用電力電子變化技術和電磁感應原理將電力特征（電壓、電流的頻率和幅值等）能量從一種轉化為另一種的電力設備。

電力電子變壓器相對于傳統的電力變壓器而言，不同之處在于電力電子變換技術的引入。正是由于這個原因，電力電子變壓器能夠對一、二次側的電壓實現實時控制，使電力系統的電壓、功率和電流等的控制能夠更加靈活。電力電子變壓器不僅具有傳統電力變壓器的功能，而且還增加了一些符合現代電力系統需求的新功能，例如提高穩定性、優化配置各種電源、改善供電質量、控制功率潮流等。

3 電力電子變壓器在電力系統中的應用

雖然在當前的電力系統中電力電子變壓器還沒有大范圍的使用，但是電力電子變壓器固有的特點能夠解決當代電力系統中的新問題，已經在初步的使用中表現出了不凡的成績。

3.1 配電網供電質量改善中電力電子變壓器的應用

配電線路中時常會出現電壓的突升、突降、閃變和波動的電壓擾動問題，通過在配電端架動態電源恢復器是目前解決這些問題的常用方法。這種傳統的動態電壓恢復器消除系統電源擾動的方式是對系統注入一股補償電壓，但是補償電壓是由可調自耦變壓器和隔離變壓器來產生的，這種不連續的調節降低了動態電壓恢復器對于系統的響應速度，會出現不能將電壓波動完全消除的情況。另一方面，由于內部構成的問題，傳統的動態電壓恢復器的體積比較大、成本都比較高。

動態電壓恢復器是在電力電子變壓器的基礎上產生的，能夠極大地提高對動態補償的響應速度。動態電壓恢復器有三個組成部分：輸入級對輸入功率因數和直流輸入電壓實現可控，主要構成是三相工頻PWM整流器；隔離級具有系統隔離和直流電壓變壓的功能，主要構成是高頻隔離變壓器、單相高頻整流、單相高頻逆變；輸出級實現三相輸出電壓獨立控制，主要構成是單相工頻電壓源逆流器。

動態電壓恢復器采用的是符合控制的方式，也就是說動態電壓補償指令有兩個，一個是電網側電壓，主要是利用電壓諧波補償指令來提高穩定性和響應速度；另一個是負載側電壓，主要是針對修整器壓變內阻和漏抗。這種控制方式與之前的方式先比能夠更好的改善電壓的補償效果。

3.2 電力系統動態特征改善中電力電子變壓器的應用

我國國土面積廣的特點使電源點與負荷區的距離較遠，形成了我國的輸電系統具有電壓高、距離遠、容量大的特點。要實現西電東送這樣的遠距離送電必須首先保證輸電系統的穩定。在遠距離輸電系統中，運用電力電子變壓器能夠使發電機勵磁和電力電子變壓器協調控制，能夠保證遠距離輸電系統的穩定性。

在電力系統中電壓、電流、功率的調節需要通過電力電子變壓器來實現，根據電力系統的實際需要，功率要在電力電子變壓器與電力系統之間實現交換和流動，通過提高電力系統的阻尼來抑制電壓擾動造成的震蕩，使其快速回復到穩定的狀態運行，這就在很大程度上提高了電力系統的穩定性。

3.3 分布式電源并網中電力電子變壓器的應用

由于煤、石油等化石資源的不斷減少，對可再生能源的利用越來越受到人們的重視。風力發電和光伏發電將在未來得到廣泛的應用，而這些發電技術的使用將會使得電力系統中接入大量的分布式電源。分布式電源由于其容量小、交直流兼有的特性使得電壓或者頻率波動比較大，如果將這種電源直接接入到電力系統中，會沖擊電力系統的穩定運行。風力發電、小水電、燃燒電池、太陽能等發電產生的分布式電源都需要不同的電力電子變壓器的輸入級，而電力電子變壓器的中間隔離級、輸出級就與一般的配電系統中的電力電子變電器的結構基本一樣。要實現分布式電源并入電網時運行能夠與電力系統實現并聯，而且將這些能源利用高功率因數的方式回饋到電網，這就要求電力電子變壓器輸出級并網電流為與電網電壓同頻率、相位的正弦波。

3.4 柔性交流輸電技術中電力電子變壓器的使用

柔性交流輸電技術中，對電力電子變壓器主要的應用為與其結合起來實現輸電網高壓鍛煉限流器和不間斷供電技術。

在線式不間斷電源能夠向負荷不間斷地供電，是將蓄電池組安裝到電力電子變壓器的直流環節。電網正常工作時，對負荷供電的工作有配電網通過電力電子變壓器來完成，一旦電網發生故障，配電網無法向負荷供電時，電力電子變壓器內部配備的蓄電池組就會代替配電網向負荷進行不間斷的供電，直到配電網供電再次恢復。

4 總結

通過對電力電子變壓器及其在電力系統中的應用，本文得出了電力電子變壓器除了傳統電力變壓器所具備的電壓變換和能力傳遞的功能之外，還具有很多適應了當代電力系統需求的新功能。電力電子變壓器是對傳統電力變壓器從原理到結構上的創新，必將在未來的電力系統中得到更為廣泛的使用，為電力系統作出應有的貢獻。

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