大功率電力電子變壓器概述

周永超，于 飛

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢430033）

0 引言

隨著目前電力設備智能化的不斷發展，電力設備對輸入電能質量的各項指標的要求也越來越高，因此采用電力電子變換技術來實現電能變換傳遞的新型變壓器——電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET），因其優良的控制特性也得到了越來越多的關注[1]。

相對于傳統變壓器而言，電力電子變壓器具有如下優點：1）體積小，重量輕，無環境污染；2）具有較好的電能質量，且平滑可調；3）一次、二次側電壓、電流和功率均高度可控；4）運行時可保持副方輸出電壓幅值恒定，不隨負載變化，且平滑可調。其靈活性和可控性使其在電網、航空、航天、航海、制造業、冶金等領域也能發揮重要作用[2]。

本文首先對已提出的PET的基本理論和實現方案進行分析和論述，同時對已提出幾種大功率PET拓撲結構以及常用的幾種控制策略進行了對比分析。

1 PET的基本原理

電力電子變壓器將電力電子變換技術和基于電磁感應原理的高頻電能變換技術相結合，實現電氣隔離、電壓等級變換、能量傳輸、調節功率因數抑制諧波等功能。在結構上，目前常用的電力電子變壓器的結構，主要包括輸入級、隔離級、輸出級三個部分，其中輸入級和輸出級主要由電力電子變換器和控制電路組成。

電力電子變壓器基本原理框圖如圖1所示，根據圖中所示，電子電力變壓器的工作原理為：當交流電輸入PET時，首先經過輸入端的電力電子變換器將輸入的低頻交流電變換成高頻交流電，而后傳輸到高頻變壓器，高頻變壓器將高頻交流電進行降壓，然后傳輸給輸出端的電力電子變換器，而后變換成所需的直流電以及交流電，向負載供電[5]。

圖1 電力電子變壓器基本原理框圖

對于電力電子變壓器來說，只要改變高頻變壓器的變比或電力電子變換器控制器的占空比，便可達到改變電壓幅值的目的。并且通過對電力電子變換器參數進行調節，還可改變電能的頻率、初相角和波形，從而可以在輸出端得到所需要的電能。與單純利用電磁感應原理工作的常規變壓器相比，電力電子變壓器不但具有變壓功能，而且還具有變頻、變相等功能。

2 PET拓撲結構

2.1 普通的PET拓撲結構

對于電力電子變壓器來說，半橋或全橋結構是拓撲中最基本的結構，如圖2所示，列舉了三個常用的全橋半橋結構，該結構相對簡單，控制也比較容易，也容易實現模塊化，是最常用的單相或多相拓撲結構。并且可以通過級聯或者并聯的方式，設計出很多新型的適用于不同場合的拓撲結構。

圖2 半橋結構與全橋結構

如圖3所示，直接交交變換的電力電子變壓器實現方案[3]，由于直接采取了DC/DC變換，中間無直流環節，結構簡單，并且使用的功率開關器件數相對較少，因而成本較低，在一些對電能質量要求不是特別高的場合具有一定的競爭力。

但是總的來說，這種結構不能對其一次側、二次側電壓和電流的靈活調節能力，因此對于一些電路問題無法提供比較好的解決方案。

如圖4所示，隨著對電力電子變壓器的深入研究，有學者提出了交直交型電子電力變壓器[4]。與交交型結構電子電力變壓器相比，此種拓撲結構增加了直流環節，因此結構也相對復雜一點，采用的功率器件數相對較多。但是因為存在直流環節，其可控性能相對較好，能起到抑制諧波的作用，并且可以通過在輸入端中采用脈沖寬度調制技術從而實現輸入電流的正弦化，優化電能質量。

圖3 交交變換型電子電力變壓器

在圖4的基礎上，圖5進行了改進，給出了一種典型AC/DC/DC/AC型結構。原理是：輸入的三相交流電壓通過三相整流橋整流為直流，而后通過含高頻變壓器的DC/DC，而后通過三相逆變為交流電?？梢园l現由于采用了高頻變壓器，變壓器的體積將大幅縮小，并且可以對電能實現諧波抑制和功率因數調節。

圖4 交直交型電力電子變壓器

圖5 典型AC/DC/DC/AC型結構

2.2 大功率拓撲結構

隨著電力電子變壓器的不斷發展，其優良的特性也越來越被重視。在前期的研究中，其主要應用于實驗室以及其他小電壓小功率的場合，因此有學者開始研究將其應用于大功率場合。下面，本文將列舉出目前已提出的幾種大功率 PET拓撲結構，并進行對比分析。

對于高壓大功率電力電子變壓器來說，輸入端承受電壓是整個電路最高的，對于輸出端來說，經過高頻變壓器降壓后，基本可以降至工頻電壓甚至更低，對電路中電子器件的耐壓值要求不是特別高。

在電力系統的高壓大功率應用的場合，電路電壓等級以及功率等級往往遠超過普通電力電子器件的最高耐壓水平和最大載流能力，并且其開關頻率可能不能滿足其諧波抑制要求，因此對于開關器件、濾波電感、濾波電容等元件選型與設計均存在困難。

目前市面上已有的多種IGBT管最大耐壓值為6500V，對于超過這個等級的情況就需要通過設計較為合適的拓撲結構來實現了。現階段，基于電力電子器件的最高絕緣耐壓水平、最大載流能力及其最高開關頻率的實際情況，針對交直流環節電壓過高、電流過大和諧波超標等問題，有學者提出多種拓撲結構來解決，即采用電力電子器件串聯、級聯和并聯的方式。國內外很多學者針對電壓過高和諧波超標的問題提出了如下結構：二極管鉗位多電平結構，跨接電容多電平結構，帶功率因數校正器的級聯全橋二極管結構以及級聯多電平結構；共直流母線的全橋變換器并聯結構和獨立直流母線的全橋并聯結構。

圖6 模塊化電力電子變壓器

圖6是一種含直流環節的電力電子變壓器模塊化的結構[13]，輸入端采用串聯的形式，更加適用于高壓大功率場合，輸出端采用并聯的形式，以適用于不同種類的負載。這種結構主要采用模塊化的結構，優點是后續改進比較方便，可以增加模塊或者減去模塊，并且控制系統也可以通用，相對來說對于簡化控制結構，簡化拓撲結構有明顯優勢。

圖7所示拓撲結構是一種三相四線結構，輸入級是一個正常的三相整流器，實現的是功率因數調節的作用；中間隔離級是采用H橋模塊、一個原邊單繞組、副邊三繞組的高頻變壓器。中間級主要是完成將整流輸出電壓調制成高頻方波，高頻方波再經變壓器變換到副邊三個繞組后分別整流成直流的過程。輸出級由三個單相H橋逆變器并聯組成。

圖7 三相四線三極式電力電子變壓器

級聯多電平結構電子電力變壓器的諸多優點，使其成為現階段高壓大功率電子電力變壓器最常見、最可靠的拓撲結構，并且可以保證在三相基本對稱的電力系統下安全穩定運行。但是因為其設計之初是基于三相對稱的前提下，如果發生不對稱故障或者是三相參數不對稱的時候，就會產生三相電壓和電流的幅值與相位均不對稱情況，即會產生較大的負序電流分量。在有零序回路時，還會產生零序電流分量。這些非正序分量會對電力系統產生不利影響。

在級聯電力電子變壓器基礎上，針對可能出現的三相負荷和電源不平衡問題，由華中科技大學的學者提出的自平衡電子電力變壓器結構[14]，如圖8所示。自平衡電力電子變壓器可以通過中頻變壓器的磁親合以及低壓側逆變器交流輸出的交錯并聯，對三相之間的不平衡有功功率進行自動重新平均分配，完成自平衡的功能。其優勢就是可以解決有可能出現的不平衡問題，提高了系統的穩定性和應用場合，但是也存在控制系統復雜的問題。

本文結合有關文獻[7]提出了一種新的完整的電力電子變壓器結構：由于輸入級電壓較高，因此整流電路可以采用三電平電壓型整流器，理論功率元件的耐壓值可以減少一半，功率器件的利用率得到很大提高。而且，由于采用了三電平，輸出的電平數比二電平多一個，因此du/dt降低一半，輸出電壓諧波也減少一半，輸出電壓波形的正弦化性能更好，尤其適合大功率高壓的電子電力系統。并且可以根據實際系統的需求，級聯多個三電平整流器來提高可承受的電壓和功率等級；中間級采用帶有高頻隔離變壓器的三電平半橋直直變換結構，從而實現電路電壓變換以及高頻控制；輸出級主要是供給低壓負載，因此采用多種逆變器并聯的形式，也可直接輸出直流電，以適應不同功率、不同負載的要求。

3 PET級聯型整流器控制策略與控制方法

3.1 PET控制策略

由于電力電子變壓器的主要控制技術在輸入端的整流環節，因此本文主要對整流器的控制策略進行分析。

圖8 自平衡電子電力變壓器拓撲結構

圖9 中壓電力電子變壓器拓撲結構圖

圖10 PWM整流器控制技術研究框圖

目前常用的 PWM 整流器基本上都是電壓型，對其控制技術研究也主要是對三相電網平衡條件下的研究，包括滯環控制、預測電流控制、功率控制、直接功率控制策略、功率預控制策略、扇形邊界死區的控制、雙開關表的控制、功率前饋解耦控制、功率內環和電壓平方外環控制、利用功率輸出子空間、空間矢量調制、無源功率控制。

非線性控制電流解耦控制是通過計算并調節電流指令值與實際值的偏差，而后通過計算得到所需的空間電壓矢量[6]。因此在坐標系下，其可以獨立的調節有功、無功電流。使實現整流器的四象限更加容易，并且可以進行無差調節，控制系統的精度相對較高。

模糊控制的核心是通過電腦來模仿人的行為，其設計的精確數學模型具有不依賴被控對象的特點，具有設計比較簡單，方便應用，抗干擾能力較強，易于控制和掌握，響應時間短等特點。而傳統的控制中有一些被控對象難以獲得精確數學模型，因此通常不能達到預期的效果，但是模糊控制卻是一種行之有效的方法[7]。

三電平PWM整流器的直接功率控制（DPC）方法是在三電平電壓型PWM整流器數學模型的基礎上，結合瞬時功率理論，推導出輸入有功、無功和整流器矢量的關系。這種方法不僅可以實現對有功、無功的直接控制，而且還可以避免矢量切換時線電壓、相電壓幅值的跳變，有效的控制了中點電位的平衡[8,9]。

空間電壓相量控制法主要是從作用時間的計算、輸出開關狀態的確定、坐標變換和基本相量選擇等幾個方面研究了坐標系的算法，并且也分析了基本相量對中性點電壓的影響[10]。

虛擬磁鏈定向控制策略是一種無電壓傳感器的控制策略。將虛擬磁鏈定向矢量控制策略引入三電平整流器中，通過引入虛擬磁鏈，而后利用電壓和磁鏈的關系來獲得電網電壓角度信息，省去了過零檢測電路和電網屯壓傳感器[11,12]。

表1 整流器控制策略對比

無源功率控制可以使整流器實現功率解耦控制，具有快速跟蹤直流電壓和功率的能力，即使在負載擾動的情況下，也可以保持功率快速響應、直流輸出電壓穩定的特性，無論穩態還是負載擾動，交流電流都保持正弦化，功率因數接近1。

3.2 一種級聯型整流器的控制方法

目前各種電力系統對電能的質量要求越來越高，高壓大功率需求較大，因此級聯型電力電子變壓器應用越來越廣泛，本文就對電力電子變壓器中級聯型整流器的控制方法進行對比分析。

模塊化級聯型全橋整流屬于多電平拓撲結構，因此可以采用適合多電平拓撲的調制方式[15]。多電平拓撲的主要調制方式有：諧波注入式脈寬調制、開關頻率優化脈寬調制、空間矢量調制、載波移相SPWM調制和階梯波脈寬調制等。

目前級聯型多電平整流器主要采用載波移相SPWM調制技術，載波相移 SPWM 調制法的主要目標是使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦波，因此諧波特性好。

載波相移SPWM調制法的原理是N個串聯的整流器單元均采用低開關頻率的SPWM，并且都具有相同的幅度調制比Mr和相同的頻率調制比 k，采用同一個正弦調制波信號，但是每個整流器單元的三角載波的相位角依次相差 360°/（N·k），利用SPWM 調制的波形生成方式和多重化技術中的波形疊加結構產生載波相移SPWM 波形[15]。并且采取單極性倍頻SPWM調制可以進一步減少諧波。

圖11 載波移相SPWM調制示意圖

空間矢量法具有電壓的利用率高、諧波較小、開關損耗低并且控制方法簡單，便于數字實現等優點[16]。但隨著電平數的增多，尤其是超過五電平以后，開關狀態數和電壓矢量數成倍地增加，電壓矢量的選擇和計算都變得極為復雜，很難在實際系統中得到應用。

因此對于級聯型整流器一般采取的控制方式是載波相移SPWM調制法。

4 結論與展望

本文研究分析了電力電子變壓器的原理、發展概況、拓撲結構、控制策略，對大功率電力電子變壓器的應用情況進行了重點分析。通過分析研究發現，相比于傳統的電力變壓器，電力電子變壓器在大功率領域的優勢十分明顯，一是體積重量小，二是空載損耗小，三是可控性好，四是諧波小。

本文還提出了一種新型的電力電子變壓器拓撲結構，同時對控制策略進行了分析對比，為控制策略的選取提供了很好的參考依據，并且針對級聯型整流器的控制方法進行了簡要的對比分析，提出了一種新型的完整的電力電子變壓器結構。

對于大功率電力電子變壓器的發展來說，還有很多技術難題需要解決，比如如何解決控制系統復雜的問題、功率器件的耐壓值以及新型拓撲結構等問題。相信在后續發展中電力電子變壓器將在大功率領域得到廣泛應用。

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