./電力電子變壓器介紹0、前言電力電子變壓器<PowerElectronicTransformer簡稱PET>作為一種新型的能量轉換設備,與傳統的變壓器相比,具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優點。它是集電力電子、電力系統、計算機、數字信號處理以及自動控制理論等領域為一體的電力系統前沿研究課題,通過電力電子器件和電力電子變流技術,對能量進行轉換與控制,以替代傳統的電力變壓器。1、基本原理PET的設計思路源于具有高頻連接的AC/AC變換電路,其基本原理見圖1,即通過電力電子變換技術將變壓器原邊的工頻交流輸入信號變換為高頻信號,經高頻變壓器耦合到副邊后,再經電力電子變換還原成工頻交流輸出。因高頻變壓器起隔離和變壓作用,因鐵心式變壓器的體積與頻率成反比,所以高頻變的體積遠小于工頻變壓器,其整體效率高。圖1電力電子變壓器基本原理框圖PET的具體實現方案分兩種形式:一是在變換中不含直流環節,即直接AC/AC變換,其原理是:在高頻變壓器原邊進行高頻調制,在副邊同步解調;二是在變換中存在直流環節,通常在變壓器原邊進行AC/AC變換,再將直流調制為高頻信號經高頻變壓器耦合到副邊后,在副邊進行DC/AC變換。比較兩種方案,后種控制特性良好,通過PWM調制技術可實現變壓器原副邊電壓、電流和功率的靈活控制,有望成為今后的發展方向。2、研究現狀自1970年美國GE公司首先發明了具有高頻連接的AC/AC變換電路后,很多科研工作者對各種不同結構的具有高頻連接的AC/AC變換器進行了深入的探討和研究,并提出了PET的概念。美國海軍和美國電力科學研究院<EPRI>的研究小組先后提出了一種固態變壓器結構,KoosukeHarada等人也提出了一種智能變壓器,他們通過對高頻技術的使用,使變壓器體積減小,實現恒壓、恒流、功率因數校正等功能。早期的PET的理論和實現研究由于受當時電力電子器件和功率變換技術發展水平的限制,所提出的各種設計方案均未能實用化,特別是在可用于實際輸配電系統<10kV以上>的PET的研究方面進展不大。進入20世紀90年代,國外在這一研究領域中取得了一些新進展,提出了新的技術方案,并制作了與配電系統電壓等級相當的實驗室樣機。如美國密里大學在ABB和愛默生公司資助下對電力電子變壓器進行了研究,完成了10kVA,7200V／240V的實驗樣機,但僅實現了基本的電壓變換功能和對輸入的功率因數控制。另外,設計時為減小對開關器件的應力,輸入采用多個變流器串聯工作,使系統的可靠性大大降低,當其中任意一個器件出現故障都會導致工作異常。美國威斯康星一麥迪遜大學與ABB公司合作,德克薩斯農機大學也于20世紀90年代末對電力電子變壓器進行了研究,但以上工作只對其電壓變換的功能進行了分析和研究。另外,美國A&M大學提出了一種基于直接AC/AC變換的PET的結構,見圖2。這種PET的首要設計目標是減小變壓器體積和重量并提高其整體效率,其工作原理為:工頻信號先被變換為中頻信號<600Hz～112kHz>后通過中頻隔離變壓器耦合到其副邊,中頻信號隨后又被同步還原為工頻信號。為了減小器件開關過程中由于電流突變造成的過電壓,該方案采用了一種4級開關控制策略,可使功率器件在無吸收電路的條件下安全換向。圖2中的中頻隔離變壓器采用了常規的硅鋼鐵心變壓器。試驗表明,對于常規變壓器,當其工作頻率由60Hz提高到110kHz后,變壓器的輸送容量可提高3倍,效率也有所提高。這種PET的體積比同容量的常規變壓器小1/3,總體效率與常規變壓器相當,其原理和控制較簡單,易于實現。但變壓器副邊波形基本是對原邊波形的還原,可控性不高。圖2基于AC/AC變換的PET〔單相為簡化結構,降低成本,ManjrekarM.D.和KieferndorfR等人在buck-boost變換器的基礎上提出一種直接AC/AC變換結構的PET<見圖3>。圖3基于buck-boost的PET這種變壓器的工作過程為:輸入三相電源的線電壓通過功率開關S1,S2和S3被調制成高頻交流加載至高頻變壓器的原邊;在變壓器的副邊,高頻交流信號經功率器件S1′,S2′和S3′同步還原為工頻交流輸出。圖中Li,Ci構成了LC濾波器以減小變換器對電源注入的諧波電流。此方案的特點是結構和控制簡單,功率器件數少,成本低,但由于工作過程中電流斷續,會造成器件兩端出現尖峰電壓,且輸出電壓諧波較大。目前國外研究中最具代表性的電力電子變壓器為交—直—交—直—交型雙直流環拓撲,結構如圖4所示圖4三相雙直流環拓撲結構電力電子變壓器截止目前,國際上對電力電子變壓器的研究尚處于初級階段,還有許多相關的理論和實際問題需要研究。要達到實用化,功能上還需進一步完善。3、PET優缺點分析電力電子變壓器將電力電子技術應用到變壓器的設計和制造當中,它通過電力電子變換技術實現電力系統中的電壓變換和能量傳遞。鑒于電力電子變換技術所具備的特點,電力電子變壓器應具備以下優點：①改善供電電能質量,實現恒頻、恒壓輸出：始終保證原邊電流和副邊電壓為正弦波形,并且可實現原邊功率因數始終接近于1.0；②可以高度自動化,配電網絡的計算機監控系統可以直接遠程通訊控制電力電子變壓器,實現在線連續監測和控制；③體積小、重量輕。由于在城市中配電變壓器的分布密度相當高,因此其體積、重量及易維護性對良好的城市建設與規劃非常重要：④環保效果好,可以空氣自然冷卻,省去充油,從而減少污染、維護簡單、安全性好；⑤可以不需要常規繼電保護裝置；而且兼有斷路器的功能,大功率電力電子器件可以瞬時<微秒級>關斷故障大電流；⑥電力電子變壓器可靈活可靠地將各種分布式電源融入電力系統,給用戶使用電能也帶來很大的方便；⑦可以改變電力系統中的有功、無功潮流,并對正常運行和故障時電力系統的功率平衡要求予以快速補償。電力電子變壓器也有不足之處：①電力電子裝置的使用可能會產生諧波,但通過適當的PWM控制可以減小到最低程度。②按理論計算,電力電子變壓器效率高于常規變壓器,但在目前技術條件下,實際運行效率可能比常規變壓器稍低一些。以后隨著電力電子器件發展水平的提高、控制方案的改進優化以及散熱方式的改善等,電力電子變壓器的運行效率會逐漸提高。③由于目前電力電子器件較貴,因此電力電子變壓器價格較常規變壓器要貴一些,這將直接影響推廣到實際應用。4、PET的應用4.1PET在分布式電源并網中的應用近年來,分布式發電系統已成為重要的能源。分布式電源交直流兼有,容量小,分布廣,且其電壓或頻率波動性較大。傳統逆變器采用工頻變壓器,成本高,體積大,逆變效率難以提高,同時需要額外的調壓、調頻設備才能保證供電質量。PET交直流環節兼有,可靈活地將各種分布式電源接入電力系統,另外由于能對整流、逆變部分進行控制,可省去額外的調壓、調頻設備,降低了成本。圖5為可再生能源并網發電系統組成結構圖。圖5可再生能源并網發電系統組成結構圖可再生能源有多種形態,且轉化為電能的方式不同,決定了可再生能源在轉化為直流電能時有不同的直流側處理電路,如光伏發電需使用DC／DC電路,而風力發電則需使用AC／DC電路。然后經過電力電子變壓器的隔離環節,將直流電轉化為高頻交流電。通過高頻變壓器耦合到副邊,再整流成直流電壓。高頻變壓器主要實現電壓等級變換和分布式發電系統與電網的電氣隔離作用。最后通過逆變器實現和公用電網的并網。采用電力電子變壓器實現的風力和小水電單相并網逆變器結構如圖6所示,該結構為交—直—交—直—交型雙直流環拓撲。圖6風力和小水電單相并網逆變器結構圖輸入環節為三相電壓型PWM整流電路,將交流發電機的交流電變為直流,且實現直流輸出電壓可控、單位功率因數運行。對PWM整流電路可以采用電壓外環、電流環的雙閉環控制方案。電壓外環是為了實現對輸出電壓的控制,電流環是為了實現單位功率因數控制。為了獲取快速的動態響應,電流環可以采用直接電流控制技術,電壓環采用常規的PI控制。對于并網逆變器的隔離環節,高頻變壓器原邊的單相逆變電路,在開關損耗允許和變壓器磁芯允許的圍,逆變器輸出頻率越高,變壓器的體積和重量越小,只須達到高頻逆變目的即可。對于變壓器副邊整流電路,只要能實現高頻整流即可。因此,變壓器原邊逆變電路和副邊整流可以用開環控制方式實現,將直流調制成占空比為50％的高頻方波,變壓并耦合到高頻變壓器的副邊繞組后再同步整流還原成直流。輸出環節為單相PWM逆變器,逆變器并網運行的目標：一是逆變器能夠與電網穩定地并聯運行,二是能將可再生能源以高功率因數回饋電網。為了使系統在并網工作時功率因數近似為l,則必須要求逆變器輸出的并網電流為正弦波,且和電網電壓同頻率、同相位。多數并網逆變器對輸出電流的控制是采用瞬時值控制方案。先進的瞬時值控制一般采用閉環反饋,最典型的是輸出濾波電感電流反饋構成的電流跟隨控制逆變器。比較常見的電流跟隨控制技術有電流滯環瞬時值控制技術和電流正弦脈寬調制<SPWM>瞬時值控制技術。4.2PET在配電網中的應用在配電網中,配電線路經常會出現各種電壓擾動,如電壓驟升、驟降、閃變、波動等。對于對電壓敏感的負荷,如電腦、通信設備等,經常會造成巨大損失,如珍貴數據的丟失、通信的中斷等。傳統的動態電壓恢復器可以解決配電線路電壓擾動的問題,但是傳統的動態電壓恢復器用一個可調自耦變壓器和隔離變壓器去對系統注入一個補償電壓,這種結構不但動態響應比較慢,而且大的工頻變壓器也是其主要缺點,工頻變壓器不僅體積大、成本高,而且變換效率低。在此介紹一種基于電力電子變壓器的動態電壓恢復器。該動態電壓恢復器分為三級,輸入級為三相半橋PWM整流器,可以從電網中獲取能量,從而實現可連續運行,可以使得整流器電網側電流正弦化,大大降低低次諧波,實現單位功率因數運行。隔離級采用高頻變壓器來實現隔離、變壓和能量傳遞,高頻變壓器原邊的電壓源變換器將直流電調制為交流電,通過高頻變壓器耦合到副邊,然后通過副邊的電壓源變換器進行同步解調,還原為直流電。輸出級采用二個單相電壓源逆變器并聯的模式,每個單相逆變器連接LC濾波器,通過電容器將補償電壓耦合到各相中去,實現對各相電壓的調節。這種基于電力電子變壓器的動態電壓恢復器的工作原理為利用傳感器、檢測電路檢測出電源側電壓；通過控制電路產生補償給定信號；由SPWM形成PWM信號：再由驅動電路去控制電壓型逆變器的功率開關；最后通過濾波器濾除高次電壓諧波,在串聯電容器上產生與畸變分量相反的補償電壓,從而提高負載側的電能質量,使電能質量敏感負荷免受電壓跌落、不對稱、閃變、波動及諧波的影響。該動態電壓恢復器的輸入級的三相半橋PWM整流器用于實現三相高頻整流,在理論上,不但可以實現輸入電流正弦,且可以實現原方輸入功率因數可控、直流輸出電壓可控。輸入級高頻整流一般需要采用雙環控制,即直流電壓外環和交流電流環,這和分布式電源并網逆變器結構中輸入級PWM整流器的控制方式是一樣的。隔離級作用是將輸入級的高壓直流調制成中頻方波信號,經中頻變壓器變壓并耦合到副邊后再轉換成低壓直流。這一級實現隔離及直流降壓功能。采用開環控制,由PWM技術調制直流電壓成高頻方波,耦合到中頻變壓器副邊后再同步解調成直流。輸出級的三個單相電壓源逆變器通過電容器將補償電壓耦合到各相線路中去?？梢圆扇秃峡刂品绞?同時檢測電網側和負載側電壓作為電壓補償指令。5、PET與柔性交流輸電技術的結合應用5.1輸電網高壓短路限流器隨著電力系統的發展以及負荷的增大,系統的互聯就會使短路電流水平不斷提高,傳統的限流保護措施都顯露了較大的局限性。因此,發展新型的故障限流保護裝置<FCL>勢在必行。電力電子型FCL與電力電子變壓器技術相結合就可實現綜合型多功能FACTS器件,具有非常好的發展前景。在此介紹一種電力電子變壓器型FCL,其基本原理如圖7所示。圖7帶串補功能的電力電子變壓器型FCL模塊FCL模塊被串聯在電力電子變壓器輸入模塊前端,控制器通過檢測其輸出端電流以及輸入端電流對FCL模塊中的開關進行控制。當系統正常工作時,開關斷開電流通過串補電容變流,這樣既實現了串補功能,又實現了開關的零損耗。當故障時,檢測的電流達到臨界電流值,開關迅速閉合,電容和電感諧振實現高導通阻抗,就實現了短路電流的限制。5.2不間斷供電技術應用在配電網中的電力電子變壓器可在直流環節加上蓄電池組,組成在線式不間斷電源<UPS>。由于在線式UPS總是處于穩壓、穩頻供電狀態,輸出電壓動態響應特性好,波形畸變小,并通過監控輸入電壓的狀態對蓄電池組進行投切。當電網正常時,市電通過電力電子變壓器對負載供電,對電網的畸變和干擾有很好的抑制作用。當電網掉電時,由蓄電池組向逆變器供電,以保證負載不問斷供電。如果逆變器發生故障,UPS通過靜態開關切換到旁路,由旁路供電。當故障消失后,UPS又重新切換到由逆變器向負載供電。因此可以更好的保證供電質量。當電力電子變壓器應用在分布式能源發電系統時,也可以把蓄電池組接入直流環節,作為中間儲能環節。利用蓄電池和分布式能源構成獨立的供電系統來向負載提供電能,當分布式能源輸出電能不能滿足負載要求時,由蓄電池來進行補充,而當其輸出的功率超出負載需求時,將電能儲存在蓄電池中。6AC/AC型PET的以圖2中的整流模塊為例,其開關驅動波形如圖8所示。其中,θ為整流模塊與逆變模塊驅動相角差。通過控制移相角θ的大小來進行輸出電壓幅值調節,同時,變壓器起到隔離和變壓的作用。圖8AC/AC型開關驅動波形由于開關將開通、關斷較大電流,因而其電壓電流應力都很大。可以采用4步開通策略改善開關特性,其開關管控制順序如圖9所示。該策略能夠減小開關損耗,并可將開關管的吸收回路去掉而不影響其正常工作,但控制較復雜,輸入功率因數仍然不能得到調節。圖94步開通策略開關驅動波形7交—直—交—直—交型PET的控制策略以圖4所示的雙直流環節為例進行研究,對輸入整流模塊、隔離模塊、輸出逆變模塊分別進行討論,提出控制方法。7.1輸入整流模塊控制策略輸入整流模塊實現輸出電壓調節。若不考慮功率的雙向流動,可對輸入整流模塊進行簡化,拓撲結構和控制策略如圖10所示。圖10整流模塊拓撲結構和控制流程三相全橋采用空間電壓矢量控制可以實現三相輸入電壓完全解耦,達到很高的控制性能。空間電壓矢量控制用三相電壓矢量去逼近矢量電壓圓,輸入端會得到等效三相正弦電流波形。開關矢量由8個矢量組成,包括2個零矢量,如圖11所示。圖11電壓空間矢量分布如果將電壓圓分成N等份,采樣周期為Ts,則任一空間矢量Vr可由其相鄰兩個開關矢量來等效,相應導通時間為:式中:m為調制比。零矢量作用的時間為:矢量與參考電壓矢量的夾角θ要通過求矢量在α,β坐標軸上投影分量之比的反正切來求得,然后查正弦表求得矢量作用時間T1和T2,因而計算比較復雜?？梢圆捎靡环N改進的簡化快速計算方法,即根據參考電壓矢量在α、β坐標軸上分量,直接計算空間矢量在各個扇區的作用時間。即定義時間算子:容易證明合成電壓矢量在各個扇區的作用時間都是上述時間算子的線性組合,從而去除了三角函數查表的問題,簡化了控制過程,提高了控制電路的信號處理能力。7.2隔離模塊控制策略隔離模塊采用全橋整流模式,其拓撲及其控制策略如圖12所示。全橋變換器通過移相控制產生高頻方波并通過高頻變壓器進行能量傳遞,同時,高頻變壓器起到隔離和調壓作用?？刂撇呗杂蓛刹糠纸M成:①通過調節占空比控制加在變壓器原邊繞組上的矩形波的電壓幅值Vp,進而調節輸出電壓；②檢測負載電流的變化情況,調節開關頻率f,以保證隔離模塊在滿載和輕載時都有較高的效率。圖12隔離模塊拓撲及其控制流程全橋變換器在實現零電壓開關<ZVS>時,超前臂依靠濾波電感和漏感實現ZVS較容易,而滯后橋臂只能依靠漏感實現ZVS,實現起來