配电系统电力电子变压器拓扑结构综述

陈启超，纪延超，潘延林，王建赜

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)

配电系统电力电子变压器拓扑结构综述

陈启超，纪延超，潘延林，王建赜

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)

电力电子变压器(PET)是一种结合电力电子变换器和高频变压器而构成的电能传输设备，在坚强智能电网的建设中有着巨大的应用价值。本文对国内外研究的配电系统电力电子变压器热点拓扑结构做了分类，并针对各种实现方案进行了分析和对比。指出电力电子变压器在减小自身体积和重量、电能质量调节等方面具有传统变压器不可比拟的优势。尤其是具有直流环节的三级型结构，其良好的控制性能使电力电子变压器可实现更多的功能，也为分布式发电系统更好地融入智能电网提供了通道，是电力电子变压器未来的发展方向。最后就电力电子变压器的实际应用提出了需要重点研究的几个关键问题。

配电系统;电力电子变压器;拓扑结构;三级型

1 引言

传统变压器具有成本低、效率高、可靠性好等优点，已广泛应用于输配电系统中。如今随着智能电网的不断开发和建设，更多的分布式发电系统需要有效、可靠地融入电力系统中，用户对供电的可靠性、灵活性与电网对负荷的品质也都提出了更高的要求。仅实现电压变换、隔离和能量传输功能的传统变压器已经不能满足智能电网的需求，其固有缺点，如饱和、直流偏磁、波形畸变、空载损耗大等，也变得越来越突出。随着大功率电力电子技术的不断发展，一种基于电力电子变换技术的新型变压器——电力电子变压器［1］(Power Electronic Transformer，PET)得到了广泛关注。

电力电子变压器又被称为固态变压器［2］(Solid State Transformer，SST)、智能通用变压器［3］(Intelligent Universal Transformer，IUT)或电子电力变压器［4］(Electronic Power Transformer，EPT)。本文中将统一称为电力电子变压器。电力电子变压器的基本思想是用高频变压器替代工频变压器。由于变压器的体积大小是磁心材料饱和磁通密度、磁心和绕组最大容许温升的函数，而饱和磁通密度与频率成反比，因此提高频率可以提升铁心材料利用率并减小变压器的体积［5］。同时在高频变压器的原边和副边引入电力电子变换技术，通过适当的控制来实现变压器两侧电压、电流和功率的灵活调节。

与传统的变压器相比，PET不仅具有体积小、重量轻、无污染的优点，还可以实现以下功能:

(1)系统侧功率因数可调，且电流不受负载电流质量影响。

(2)负载侧电压输出恒定，不随负载的改变而变化，并不受系统侧电压畸变的影响。

(3)过流保护。

国内外的学者对PET的主电路拓扑结构进行了充分研究，以优化系统结构并提高功率转换效率、提高系统的可靠性、提高输出电压波形质量、拓展应用范围等为目标，提出了一系列新式的拓扑结构。本文将对近十五年来国内外提出的PET主电路拓扑结构进行分析和比较，并对拓扑结构实用化的可行性和亟待解决的问题加以探讨。

2 电力电子变压器的发展状况

PET概念的提出最早可以追溯到1970年，美国GE公司的W McMurray提出了一种具有高频链接的AC/AC变换电路［6］，这种高频变换的原理成为后来PET发展的基本思路。1996年，日本学者Koosuke Harada将相位调制技术应用到这种拓扑中，实现了恒压、恒流和功率因数校正，称之为智能变压器［7］(Intelligent Transformer)。这些研究成果在200V、3kVA的实验装置上得到了验证，开关频率达到了16.7kHz，效率约为80%～90%。

1980年，美国海军在一个研究项目中将一种基于Buck电路的AC/AC变换器作为PET的拓扑结构［8］，实现了降压的功能。之后的1995年，美国电力科学研究院(EPRI)对此结构进行了深入研究，研制出了基于AC/AC变换的PET实验样机［9］。

早期的PET的理论和实验研究并不成熟，虽研制出了实验样机，但功率和高压侧的电压等级都低于配电网中的实际应用等级，所提出的各种设计方案未能实用化。随着大功率电力电子器件和高压大功率变换技术的发展，PET研究领域也取得了突破性的进展。提出了一些适应PET特性的拓扑结构，并制造出与配电系统电压等级相匹配的实验样机。

3 电力电子变压器的拓扑结构及其分类

PET的拓扑结构可以根据电能变换的次数分为三类［10］:单级型、双级型和三级型，其中双级型结构又可分为具有高压直流环节和具有低压直流环节两种，如图1所示。下文将对每类PET的典型结构进行分析。

3.1 单级型PET拓扑结构

单级型PET的工作原理为:输入的工频交流电压在高频变压器的原边直接被调制为高频交流电压，耦合到副边后再直接被还原为工频交流电压。只通过一次电能变换实现变压功能，具有变换环节少、结构简单的特点。

图2所示的是文献［5］提出的一种典型的AC/ AC单级型PET结构。为了达到减小尺寸、减轻重量、提高效率的目的，该拓扑采用了工作频率提升至0.6～1.2kHz的传统硅钢铁心变压器，其传递能量的能力是工频变压器的三倍。此PET先将输入的工频正弦波电压经变压器原边的变换器调制成高频(0.6～1.2kHz)电压，后由变压器耦合到副边再还原成工频正弦波电压，原边和副边的变换器在进行波形变换时必须保持同步。针对此拓扑在感性负载时存在不能有效工作的问题，文献［5］中提出了一种基于判断输入电压或输出电流的极性的四步控制策略，可使功率器件在无吸收电路的情况下安全换向，并降低了开关损耗。所提的拓扑结构和控制策略在一台10kVA的实验样机上得到了验证。

图1 电力电子变压器拓扑结构的分类Fig．1 Classification of PET topologies

图2 AC/AC单级型PETFig．2 AC/AC single-stage PET

AC/AC单级型PET结构优点突出，其电路拓扑简洁，变换效率高，可双向传输功率。后续又有学者针对此结构的控制策略进行了研究，使其实现了软开关［11］。但是此PET功能单一，网侧不具备功率因数校正功能，且对原边与副边开关信号的同步性要求非常严格。

文献［12］在Buck-Boost变换器的基础上提出了一种结构更为简化的直接AC/AC变换的PET拓扑结构，如图3所示。所提的拓扑将Buck-Boost变换电路中传递能量的电感替换为高频耦合电感，可通过控制开关的占空比来调节输出电压高低。原边的电感和电容构成了二阶滤波器以减小变换器对电源注入的谐波电流。文献［12］对所提的PET结构进行了仿真验证，并研制出一台10kW、开关频率5kHz的实验样机。

图3 基于Buck-Boost变换器的PETFig．3 PET based on Buck-Boost converter

图3所示的PET拓扑结构简单、经济，三相的电力电子变换器结构只用了六个功率器件，但却存在开关电流断续导致开关器件两端出现尖峰电压的现象，使得输出电压谐波较大。因此，这种结构只适用于低压小功率场合。

文献［13］基于推挽电路提出了一种单级型PET结构，如图4所示。此结构在高压侧仅使用了两个全控型开关器件，且控制也非常简单，只需两个互补的固定占空比为50%的高频控制信号。输入侧的三相电压每一相接入一个如图4所示的三绕组高频变压器，并将每相高频变压器原边相对应的端子引出，接入一个带有可控开关的三相二极管整流电路。两个开关交替工作，将输入的工频交流电压变换为高频交流电压后再经过变压器变压。输出低压侧采用了矩阵变换器将高频交流电压还原为所需的工频电压，为负载供电。

图4 基于push-pull变换器的PETFig．4 PET based on push-pull converter

图4所示的PET拓扑构造简单，控制也不复杂，但是由于输入侧控制死区及变压器漏感的存在，变压器的原边和副边必须加装钳位电路才能使开关器件安全换流。附加的箝位电路不仅带来了损耗、输出电流畸变及共模电压，同时也带来了单级型结构原本可以避免使用的大容量电解电容，使得这种简单结构作为PET拓扑的优势大大降低。

3.2 双级型PET拓扑结构

双级型PET结构可分为具有高压直流环节和具有低压直流环节两种。其中，具有高压直流环节PET的工作原理是将工频高压交流电整流为高压直流后，经过含有高频降压变压器的隔离型逆变器转换为低压交流。具有低压直流环节的PET工作原理相似，只是先通过隔离型整流器将工频高压交流电转换为低压直流，再逆变为低压交流。

文献［14］中提到了如图5所示的双级型单相PET拓扑，为一种只含有低压直流环节的结构，隔离级采用的是DAB(Dual Active Bridges)整流变换器，直接将高压交流整流并降压为低压直流。此结构传递的平均有功功率对漏感非常敏感，电流波动很大，并且对低压直流侧的调节能力很弱。文献［15，16］提出的拓扑符合图1(b)和图1(c)所描述的双级型PET变换形式，但无论是高压整流还是低压整流后未加滤波电容，严格意义上讲并不具备可用的直流环节，更可看做是单级AC/AC结构的改进。

图5 基于DAB整流器的双级型PET结构Fig．5 Two-stage PET based on DAB rectifier

双级型PET在简化结构方面不如单级型PET，在可控性方面不如三级型PET，所以双级型结构并不适合作为PET拓扑结构。

3.3 三级型PET拓扑结构

三级结构PET的工作原理为:工频交流电压经过AC/DC变换器整流后变为直流，再通过一个含有高频变压器的DC/DC变换器进行直流变压，最后经DC/AC逆变为所需的交流电压。此类结构的PET变换次数多，结构复杂，但其良好的控制特性可使PET实现的功能更多，应用的范围更广。而且与单级结构相比，三级型PET具有的低压直流环节可以整合能量存储设备来提高PET的穿越能力，并能为分布式发电的接入提供接口，也可为电动汽车充电。

图6所示的就是一种典型的三级型PET拓扑结构［17］，三相工频交流电压整流后得到的直流电压，在高频变压器的原边被单相全桥逆变电路调制为高频方波，耦合到副边后被还原为直流电压，最后通过逆变得到所需要的三相或单相工频交流电压。此结构并不适用于高压、大功率场合，因为高压侧的功率器件串联会带来均压和可靠性问题，使得成本提高，设计难度加大。

图6 典型的三级型PETFig．6 Typical three-stage PET

针对PET高压侧功率器件的耐压问题，文献［18］提出了一种输入级采用多级功率模块串联的三级结构，如图7所示。这是一种单相降压式PET方案，输入级由单位功率因数校正电路构成，中间隔离级为双全桥整流电路，输出级采用的是全桥逆变电路。输入的高电压被均分到每一个串联的输入级模块中，经过隔离级模块降压，得到的低压直流环节并联后加入至输出级模块。这种PET的优点在于具有很强的可控性，可保证系统侧和负载侧都有良好的电能质量。该方案在一个10kVA、7.2kV～240V/120V的样机上得到了实现。

图7 输入串联输出并联的三级型PETFig．7 Input-series and output-parallel three-stage PET

图7所示的结构实现起来最困难的就是如何保持输入端不同模块之间的电压平衡。二极管整流电路输出电压的不可控、模块间参数的不匹配，都会引起模块间电压的不平衡。在模块的输入端添加稳压电路或箝位电路能解决此问题，但同时会带来大量的损耗，降低PET的效率。每个模块的共模电压也会导致PET不能正常运行。

尽管图7所示PET拓扑存在一定的问题，但构建此电路结构的思想成为电力电子变压器后续研究的基础，譬如针对配电网PET输入端高电压、输出端大电流的特点，采用了输入串联输出并联的方式，还有采取了便于拓展、可实现冗余控制的模块化结构。现今许多较成熟的电力电子变压器设计都是围绕这种思想展开。

多电平变换器作为高压大功率场合中较理想的解决方案，也被引入到了PET的研究中。文献［19］提出了如图8所示的PET结构，此方案是一种应用于中压系统的降压式PET。输入级采用了二极管钳位的三电平整流电路，中间级高频变压器的原边是三电平半桥结构，副边采用了倍流整流电路，输出级为两电平逆变电路。倍流整流电路能减小整流后输出电流的波动，也可用全桥整流电路替代，但两种电路的功率器件均为二极管，即此PET只能单向传递能量。随着电压等级的提高，输入级采用的多电平整流电路的电平数也可增加，整流后的谐波随之减少，但相应的控制也更加复杂。作者对所提结构进行了参数设计，进行了仿真验证，并研制了一台20 kVA的单相PET样机，实验结果表明，所提出的PET不仅能实现变压功能，同时实现了电能质量调节功能。

图8 基于二极管钳位多电平的三级型PETFig．8 Three-stage PET based on diode-clamping multilevel converter

与二极管钳位等多电平结构相比，级联多电平结构因为其易于模块化、可拓展性、相同电平数时功率器件应用最少等优点得到了越来越多的关注，同时也有学者将级联多电平结构应用到PET的研究中。

其中，文献［20］提出了一种具有三相自平衡能力的PET，如图9所示。图9(a)为每一相的拓扑结构，图9(b)为整个三相自平衡PET的拓扑结构。自平衡PET高压级的每一相都由N个完全相同的单相全桥VSC模块级联而成，并通过适当的控制使交流侧高压平均分配在N个单相全桥变换器上。隔离级采用的是双全桥DC-DC变换器，将其拓展为N个输入3个输出的结构，相应地采用了一个N输入、3输出的高频变压器。低压级由三个独立的单相全桥变换器模块组成，再将每个单元形成的三相输出对应并联在一起。

图9 自平衡式PETFig．9 Auto-balancing PET

自平衡PET结构是针对系统或负载侧出现的不平衡都会耦合到另一侧这一问题而提出的。因为配电系统中不对称负荷会非常频繁地出现，三相系统电压不平衡也时常发生，所提的自平衡PET能够有效地避免系统与负载之间的影响。但是这种PET结构也存在一定问题，其隔离级中大功率的多端口输入、多端口输出高频变压器设计起来非常困难，并且模块间会有环流。

同样是应用了级联多电平结构，文献［21］提出了如图10所示的PET拓扑，并将其作为新型智能电网FREEDM(Future Renewable Electric Delivery and Management)的核心设备。所提的PET结构输入级采用的是级联七电平整流电路，将7.2kV的交流电压转换为三个3.8kV的直流电压。每个级联模块后接DAB DC/DC变换器，输出并联后为400V的直流环节，可给直流负载供电，也可通过逆变生成120/240V的低压交流为交流负载供电。这种结构具有很强的灵活性，可适应不同等级的系统电压和不同性质的负载。

FREEDM系统研究中心不仅对所提的PET结构进行了仿真和实验，而且从功率器件的选择［22］、高频变压器的设计［23］、各环节的控制策略［24］等多个方面进行了深入地探讨。此PET的功能很强大，但相应的控制也非常复杂，不仅需要在串联侧进行电压平衡控制，还要对并联侧进行均流控制，同时还要实现电能质量调节功能。其中级联电容电压平衡控制尤为重要，因为这关系到PET能否稳定运行。而且相比较模块间参数差异引起的电压不平衡，某一模块故障或损坏引起的不平衡情况更为复杂，控制起来也更为困难。文献［25］提出了一种3-D空间调制技术，很好地平衡了三个级联模块的电容电压，实现了容错控制，并通过实验验证了此方法的有效性。

图10 FREEDM研究中心提出的PET结构Fig．10 PET topology purposed by FREEDM System Center

4 电力电子变压器三类结构可实现功能的比较

由于将电力电子变换技术引入到了变压器中，使得PET可以通过适当的控制而具备新的特性。但对于不同的PET拓扑结构，其功能拓展能力也会有强弱。表1对三类PET拓扑可实现的功能进行了比较。

表1 三类PET实现功能比较Tab．1 Functional capabilities comparison among three kinds of PET topologies

通过对上述的PET拓扑结构的分析和比较可见，三级型结构具有较强的可控性更适合作为PET拓扑结构，相应的控制策略也在逐步完善。但是，要使电力电子变压器在实际应用中替代传统变压器，实现产品化，还有许多关键技术需要解决。

5 电力电子变压器亟待解决的关键技术问题

尽管研究人员对PET进行了大量研究，但现有的PET技术还不是很成熟，距离实际应用还有非常大的差距，亟需在以下几个方面进行完善与改进:

(1)运行的稳定性和可靠性

在恶劣的环境下仍可稳定、可靠地运行是传统变压器成为应用最广泛的能量转换设备的根本原因。PET作为产品来取代传统变压器，必须具备较高的稳定性和可靠性。但是，传统变压器也是在材料不断更新、结构不断改进、设计不断优化的过程中，性能得到了逐步改善。同样对于PET来说，其性能的提升也有赖于电感、电容、开关管等器件的发展。例如15kV SiC IGBT［26］的问世，对PET的优化和设计产生了革命性的影响，在减少高压侧开关数量的同时，其高可靠的开关能力和强耐温能力将大大提高PET运行的稳定性和可靠性。因此，将一些新材料、新技术引入到PET的研究中，对PET的发展有着重要意义。

(2)实现软开关，提高转换效率

PET的优点很多，但效率低下一直使其饱受诟病，是制约PET实用化的主要障碍。研究人员在改善PET结构、提高效率方面做了大量的、积极的尝试，尤其是针对开关频率很高(可达10～20kHz)的隔离环节［27］，软开关的实现可降低开关损耗，提高PET的效率。相对于隔离级来说，输入级和输出级的开关频率不是很高，但输入高压侧开关的电压应力、输出低压侧开关的导通电流都较大，如果高压侧的开关能实现ZVS(Zero Voltage Switching)，低压侧的开关能实现ZCS(Zero Current Switching)，也将大大降低开关损耗。

实现软开关的同时也会带来一定问题。因为软开关的实现大都基于谐振原理，而PET是串联在系统中，谐振电路的引入会引起系统怎样的暂态过程，对系统的稳定性会带来怎样的影响，都有待学者们进行更深一步的研究。

(3)实现功率的双向流动

PET要想完全取代传统变压器，除了实现隔离、变压功能外，必须具备能量双向传输功能。上述的PET结构大部分具有双向传输能量的能力，但都并未真正实现能量的双向流动，只是为负载提供稳定的电源，功能上类似于UPS。当PET的功率传输方向改变时，输入级的整流器变为逆变器，输出级的逆变器变为整流器，这时就需要两套完全不同的控制方案。控制策略中需要检测的电压量、电流量要相应改变，两种控制方案切换的判断过程和衔接过程也要考虑，这就要求PET的控制系统不仅能处理大量的数据，同时具备快速响应。因此，相应完善的控制方案还有待开发。

(4)PET的并联技术

配电网PET在产品化的过程中，常常会出现PET与传统变压器并联以及多台PET并联运行的情况。并联运行在提高供电可靠性、提高运行效率及减少总的备用容量方面有着积极意义，但是也存在诸多问题，如同步、均流、并列、保护等问题。文献［17］从控制策略上对PET并联的均流问题进行了探索，却未针对配电网中频繁出现的不平衡负载和非线性负载等情况进行深入研究。同时实现电能质量调节的PET并联控制策略仍是未来研究的一个难点。

通过上述分析不难看出，拓扑结构的不断改进只是PET实用化的第一步，真正作为设备来实际运行还有很多问题需要解决，相应的控制策略还需要不断完善。随着相关研究人员的增多和研究的深入，这些技术难题势必会被逐个突破。

6 结论

本文阐述和分析了电力电子变压器的基本理论和发展状况，对典型的电力电子变压器拓扑结构进行了论述和对比。随着电力电子变换技术的发展和电力电子器件技术的进步，电力电子变压器造价会逐渐降低，效率会不断提升，可靠性会逐步提高，使之取代传统变压器成为可能，而控制灵活，功能强大的特点也使得电力电子变压器具有更广阔的应用前景。

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Review of power electronic transformer topologies applied to distribution system

CHEN Qi-chao，JIYan-chao，PAN Yan-lin，WANG Jian-ze
(School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Power electronic transformer(PET)is a kind of power transmission equipment combined by power electronic converters and high-frequency transformer，which has great application value in the building of Strong Smart Grid．Hot PET topologies applied to distribution system are classified and their implementations are analyzed and compared in this paper．It has been indicated that PET has great advantages in reducing its own size and weight，and power quality regulation，compared with traditional transformer．Especially for the three-stage topologies with DC link，their good controllability can make power electronic transformer achievemore functionality and also provide a channel for the integration of distributed power generation systems，which is the future development direction of PET．Finally，several key issues in practical application of PET are proposed．

distribution system;power electronic transformer;topology;three-stage

TM 421

A

1003-3076(2015)03-0041-08

2014-05-23

科技部国际合作项目(2010DFR70600)

陈启超(1983-)，男，黑龙江籍，博士研究生，研究方向为电力电子变压器、电能质量分析与控制;纪延超(1962-)，男，吉林籍，教授，博士生导师，研究方向为FACTS、无功功率补偿及电力电子技术在电力系统中的应用。