电力电子变压器研究综述

陈磊，欧家祥，张秋雁，袁旭峰，胡晟，游菲，石果

（1.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳　550025；2.贵州电力试验研究院，贵州贵阳　550005）

电力电子变压器研究综述

陈磊1，欧家祥2，张秋雁2，袁旭峰1，胡晟1，游菲1，石果1

（1.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州电力试验研究院，贵州贵阳550005）

电力电子变压器在兼备传统电力变压器的同时，具有优化配置各种电源、改善供电质量、控制功率潮流和提高系统稳定性等功能，是未来配电网实现电力变换与控制的主要载体之一。介绍了电力电子变压器的工作原理、拓扑结构、控制策略，并结合未来智能配电网对电力变换与控制的需求，对电力电子变压器的发展进行了展望。

电力电子变压器；拓扑结构；控制策略；智能电网

电力电子变压器（power electronic transformer，PET）概念的提出始于20世纪70年代，美国GE公司的W McMurray提出了高频链接AC/AC变换电路，奠定了PET的发展基础；1995年，美国电科院对PET进行了相关研究，试验样机为降压型变换器（buck），因其对输入谐波电流的抑制能力不足，且变压器输入和输出不隔离，故不具实用性［1］；1996年，日本学者Koosuke Harada把相位调制技术引入PET，实现了恒压、恒流和功率因数校正，智能变压器（intelligent transformer）由此诞生［2］；20世纪90年代末，美国密苏里大学研制出10 kV·A、7 200 V/240 V的PET实验样机，具备基本的电压变换功能和控制输入功率因数的能力。但是，为减小对开关器件的应力，设计时使多个变流器串联工作得到输入，导致系统的可靠性大大降低，设备中任意一器件发生故障都会造成工作异常；美国德克萨斯农机大学也于20世纪90年代末对电力电子变压器进行了研究［3-4］。

1　工作原理与优点

PET是利用电力电子变换技术和电磁感应原理进行电能传输的电力设备，其基本思想是用高频变压器替代工频变压器［2］。PET的电力电子器件构成包括初、次级功率变换器以及联系二者之间的高频变压器。其基本工作原理如图1所示。

图1　PET工作原理Fig.1　The working principle of PET

输入工频交流电经过初级变换器调制为高频交流电，再通过高频变压器一次侧绕组、二次侧绕组将高频交流电耦合产生感应电动势，并经过二次侧绕组将感应电动势施加到次级变换器，最后次级变换器将流过的高频交流电转换为工频交流电，供给负荷。

相对传统变压器，PET具有如下主要优点：体积和重量小，无需变压器油；工作过程中同时兼有直流与交流环节，各种小容量分布式电源可经PET柔性接入电网；PET即可完成常规变压器对电压等级变换、电气隔离和能量传递等功能，还能完成波形、潮流的控制和电能质量调节功能［6］；有效隔离电压波动、失真以及谐波的传递，实现电网侧和负载侧的解耦［7］。

2　拓扑结构与控制策略

自20世纪70年代电力工作者对PET进行研究开始，PET从直接AC/AC型发展到现在的AC/DC/AC型，相比于传统变压器，在体积、重量、功能和运行等方面都体现出了极强的优势。对PET拓扑结构的分类是按照其在电能变换过程中是否含有直流环节划分的，可分为2大类：交-交-交型PET和交-直-交-直-交型PET。

2.1交-交-交型PET拓扑结构与控制策略

对于交-交-交型电力电子变压器，其拓扑结构如图2所示。

图2　典型交-交-交型PET拓扑结构Fig.2　The typical AC-AC-AC topology of PET

可以看出，该拓扑结构简单，但是可控性低。文献［4］提出通过控制移相角的大小（整流模块与逆变模块驱动相角差）来调节输出电压幅值，同时采用四步开通策略［5］改善开关特性。由于该拓扑结构的PET自身的不足和功能的有限性，其应用价值较小，所以，电力工作者对它的研究越来越少。

2.2交-直-交-直-交型PET拓扑结构和控制策略对于交-直-交-直-交型电力电子变压器，其典型拓扑结构如图3所示。

图3　典型交-直-交-直-交型PET拓扑结构Fig.3　The typical AC-DC-AC-DC-AC topology of PET

该拓扑结构复杂，控制策略完善，实用性较强，因此，对其进行的研究学者较多，而且进行了改进。研究者将该结构划分成输入整流模块、隔离模块、输出逆变模块3个模块，对其控制策略分别进行研究。文献［4］对整流模块采用空间电压矢量控制；隔离模块采用全桥整流模式，通过移相控制调节占空比，并检测负载电流变化情况对输出电压和开关频率进行调节；逆变模块在传统的三相桥式逆变器的基础上增加1个桥臂，形成中点，采用三维空间矢量调制，实现具有调压功能的三相四线输出。文献［3］采用非线性的控制策略，运用线性化解耦和滑模变结构控制方法，解决传统PI控制参数难于整定，控制鲁棒性弱的缺点，仿真结果表明，控制方法的自适应能力好，而且控制效果稳定、有效。文献［8］对原、副边基于双PWM变换的电力电子变压器，提出PET整流器采用双闭环控制策略，PET逆变器分别采用SVPWM和SPWM的控制策略，实现恒压恒频交流电压的输出。文献［9］对输入级和隔离级做了改进，提出基于三电平拓扑的电力电子变压器，拓扑结构如图4所示。

图4　改进的三电平PET拓扑结构Fig.4　The modified three-level topology of PET

PET输入级是一个通过二极管钳位的三电平整流器，定义电容C1、C2电压的增大和减小分别对应于为正、负的小矢量，结合网侧电流方向先对小矢量的正负属性进行判断，再用变比例因子精确PWM整流器中点电压控制法，采用双闭环控制策略，达到三电平PET各环节间的电压平衡；隔离级采用零电压开关半桥三电平DC/DC变换器，变压器次级采用全桥不控整流电路（开关管两端并联电容为自身结电容），设计了一种电压单闭环PI调节方法，实现隔离级输出电压可控和恒定；输出级无改进，采用在dq坐标系下基于瞬时值反馈的定交流电压控制。文献［10］在文献［9］的基础上，对中间隔离级做了改进，提出基于LLC谐振变换的三级型降压式电力电子变压器，拓扑结构如图5所示。

PET输入级与文献［9］相同；隔离级是一个半桥三电平LLC串联谐振型DC/DC变换电路，其每个主开关电压应力是输入电压的一半，并且在全负载范围内工作在软开关状态，既降低了损耗又提高了效率，采取定频、定占空比为50%的控制策略；输出级通过解耦把三相四桥臂逆变器转化为3个单输入单输出系统，采用双闭环策略进行独立控制。文献［11］为简化前级变换器结构和控制难度，并获得四象限变换能力，提出一类前级为交交变换器、后级为单相PWM整流器的新型四象限电力电子变压器，拓扑结构如图6所示。

图5　基于LLC谐振变换器的PET拓扑结构Fig.5　The topology based on LLC resonant converter of PET

图6　新型四象限PET拓扑结构Fig.6　The novel four-quadrant topology of PET

该拓扑包括降压部分和阻性变换部分，前者包括高压端的LC滤波器与单-单交交变换器M1、高频开关变压器T1、低压端的单-单交交变压器M2与LC滤波器；后者主要包括阻性PWM整流器。采用的是电压外环-电流内环的双环控制和连续导通模式，具有控制容易、换流安全、单位输入功率因数、双向功率流动以及便于级联等特征，具有一定的应用价值。此外，文献［12］对零电压移相全桥变换器的电力电子变压器进行了研究，文献［13-14］对配电网中的电力电子变压器进行了研究，文献［2］对文中提出的单极型、双极型和三级型PET拓扑可实现的功能进行了比较，得出三级型PET结构的可控性较强，具有更大的研究价值。

3　展望

鉴于PET相较于传统变压器的突出优势，研究者对其寄予厚望，认为PET可以满足未来电力系统很多新的要求，包括：整合各种交直流分布式电源，更高的稳定性，更加灵活的输电方式，实现与电网的并联运行，与直流配电网的结合，实现电力市场下对功率潮流的实时控制等。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。

3.1运行的稳定性与可靠性

传统变压器成熟的技术使其能够在恶劣工作环境下仍能够稳定、可靠地运行，得到广泛的应用。PET不仅要凭其已知的优势取代传统变压器，更重要的是必须保证在恶劣环境和故障情况下的稳定性和可靠性。文献［15-16］针对故障情况下PET的运行进行了研究；文献［17］对PET在重负荷切换下的稳定性进行了研究。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。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。

3.2PET的并联技术

配电网PET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［13］从控制策略上对PET之间的并联运行进行了研究，文献［18-19］针对PET与常规电力变压器的并联，提出将常规电力变压器的副方电压作为EPT输出电压的参考电压，以减少PET与常规电力变压器并联时所产生的环流，但两者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。

3.3发电机和PET的综合协调控制

电力电子变压器最终要作为产品应用到电力网中才具有真正的意义和价值，这就需要PET与网络具有良好的协调能力，对两者的协调控制策略的研究必不可少。目前，PET的相关技术有待完善，文献［20］给出了电力电子变压器在输电系统中的一种控制策略；文献［21］设计了2套换流变压器直流出线装置，为PET在高压直流输电系统中的应用提供了技术参考；文献［22］针对同步发电机-电力电子变压器组在受到大、小扰动时的最优协调控制进行了研究，仿真结果表明，相比于传统发变机组。文献［22］中的协调控制器有效地提高了扰动条件下的系统阻尼性能，改善了系统的电压性能，为PET接入电力系统提供了一种可行的控制方法。

3.4PET与直流配电网技术

相较于交流配电网，直流配电网可以灵活地接入各类电源和负载，并且它具有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、无需无功补偿等优点［23-24］。而PET恰好具备直流环节，因此，文献［25］对直流配电网研究中的系统架构、控制技术、保护技术等关键问题进行了全面的阐述。文献［13］基于模块化多电平变流器，提出了面向中高压智能配电网PET的一种新型拓扑和相应控制策略，在体积和重量方面体现出极大的优势。文献［26］提出了一种基于PET的多级直流配电系统，并以配电网末端的家用配电为例，给出了一个具体的低压直流配电系统设计案例，仿真结果表明，该案例可以对潮流进行灵活控制。但是，文献［26］只是对直流配电方式进行了初步探索，对PET的控制策略、保护技术等有待进一步完善。文献［27］提出了一种基于OCT的变压器保护方案，为PET在故障后的保护措施提供了参考。

3.5PET与分布式电源的柔性接入技术

分布式电源可以让用户对电能进行自行控制，不会发生大规模停电事故，所以安全可靠性比较高，可以弥补电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时可继续供电［28］。PET凭借自身优势，可以与风力、光伏等发电技术良好结合，形成区域性电力网络。文献［29］根据某科技产业园的负荷和电能质量需求，以PET为电能变换和传递的载体，提出了一种交直流混合微网方案，但是，相关技术不完善；文献［30］针对电气化铁路存在的电能质量问题，利用TCT型SVC提高了功率因数，减免罚款，提高了电能质量，为PET在投入电网系统后的无功补偿方面提供了一定的参考依据；文献［31］对智能电站的概念、系统结构和各功能层主要智能技术进行了描述，PET以其突出的优势，将在其中得到极大的应用；文献［32］提到PET的综合功能，通过PET将风力、光伏发电与储能装置、电动汽车充电站、负荷整合到一起，实现电能的按需供应，同时提到该技术只是近几年在国外展开研究，并指出PET是一项具有开拓性的新技术，是智能电网建设的关键设备。

3.6PET的插件结构（可扩展性）

鉴于PET在分布式发电、直流配电和微网等技术上受到极大的青睐，同时考虑到环保的需求，未来电网的发展在充分利用可再生能源的同时，将侧重用户自给自足式电力供应，而且可以实现在电能充裕的情况下，向电网输送能量的功能。在设计PET时考虑可扩展性，对PET预留适应于分布式发电（比如风电、光伏发电等）、储能装置、不同负荷等可以即插即用的插件结构接口将使PET的功能更加完善，并且使PET更便于应用。文献［33］为了满足微网内的设备即插即用，研究出一种分布式电源和微网互联的通用接口单元，为PET插件结构的实现提供了一种思路。鉴于PET体积、重量、电力等方面的优势，尤其对于现代智能配电网具有极强的适应性，所以，有必要就PET可扩展性进行研究。而目前关于这方面的研究极少。

4　结论

PET集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体，不仅具备常规变压器的功能，而且体积小、重量轻，电能质量调节灵活，对波形、潮流可控，提高电网运行效率，具有电气隔离等特点，更易满足现代微电网、分布式发电等智能电网和电力用户的需求。随着技术的成熟，PET性能的提高、成本的降低，在几年内将会在多个领域得到广泛的应用。

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（编辑冯露）

A Review of Studies on Power Electronic Transformers

CHEN Lei1，OU Jiaxiang2，ZHANG Qiuyan2，YUAN Xufeng1，HU Sheng1，YOU Fei1，SHI Guo1
（1.College of Electric Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China；2.Guizhou Electric Power Test& Research Institute，Guiyang 550005，Guizhou，China）

While having the functions of the conventional power transformer，the power electronic transformer（PET）can perform optimal configurations of various power supply，improve power quality，control power flow，and enhance the stability of the system，etc.Thus，it will be one of the main equipment for power conversion and control of the distribution network in the future.This paper introduces the working principle，topology structure and control strategy of the power electronic transformer.Finally，the future development of power electronic transformers is prospected based on the needs of power conversion and control for the smart distribution network.

power electronic transformer（PET）；topology structure；control strategy；smart grid

1674-3814（2015）12-0036-07

TM422

A

2015-05-22。

陈磊（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制；

欧家祥（1979—），男，工学硕士，工程师，主要从事电能计量、电网技术降损相关工作；

张秋雁（1965—），男，高级工程师，长期从事电能计量技术研究和管理；

袁旭峰（1976—），男，博士后，副教授，研究方向为电力系统运行与控制，及FACTS技术在电力系统中的应用；

胡晟（1992—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动控制技术；

游菲（1989—），男，硕士研究生，研究方向为功率变换技术；

石果（1988—），女，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动控制技术。

国家自然科学基金项目（51067001）；中国南方电网公司科技项目（K-GZ2012-120）。

ProjectFund：NationalNatural Science Foundation of China（NSFC）（51067001）；the Technology Project of China Southern Power Grid Corporation（K-GZ2012-120）.