配电系统电力电子变压器拓扑结构的思考

裴慧霞 金光

摘 要：新时期，电力行业得到了全面的发展，配电系统的整体运行水平也在不断的提升，同时也对电能传输设备提出更高的要求，因此本文针对电力带脑子变压器的拓扑结构进行分析。首先简单了解配电系统电力电子变压器的现状，然后深入分析电力电子变压器拓扑结构以及具体功能，最后有针对性的提出了几点电力电子变压器拓扑结构中还需要进一步發展的方面，以期为电力电子变压器实际应用提供建议。

关键词：配电网；三级型；双向流动

电力电子变压器在国家的配电系统中，发挥着十分重要的作用，不仅能够保证配电系统的稳定运行，还能够辅助电力生产计划的落实实施，完善配电系统的服务功能。但是随着社会的发展，对配电系统运行提出了新的要求，因此必须要加强对电力电子变压器拓扑结构的研究分析，深入了解电力电子变压器的功能特性和应用效果，让电力电子变压器的作用得到充分发挥，以此满足新时期配电系统运行的需求。

1 配电系统电力电子变压器的发展状况

电力电子变压器这一概念最早出现在1970年，由美国的GE公司提出，以变换电路的形式在配电系统中发挥作用，在高频变换原理提出后，电力电子变压器的发展速度逐渐加快，到了1980年时，美国海军在设置电力电子变压器拓扑结构时，引入了AC/AC变换器，让电力电子变压器具有了降压功能，在此基础上，推动电力电子变压器拓扑结构的应用价值得到进一步提升。随着科学技术的发展，电力电子变压器拓扑结构不断地完善，在保障配电系统和电能传输设备的稳定运行中起到了关键性的作用。虽然早期的电力电子变压器结论并不成熟，但是在大功率电力电子器件技术的广泛应用后，也出现了符合电力电子变压器特性的拓扑结构。

2 配电系统电力电子变压器拓扑结构分析

现阶段，常见的拓扑结构有三种，分别为：单级型、双级型、三级型，这种拓扑结构是根据电能变换次数完成的分类，其中双级型的拓扑结构还可以进一步划分为高压直流环节和低压直流环节两种，具体内容如下。

2.1 单级型电力电子变压器拓扑结构

单级型的电力电子变压器的变换环节较少，且结构简单，只需要通过以此电能变换就能够实现变压，在实际应用这种单级型的电力电子变压器时，还需要考虑具体的配电系统运行情况，有选择性的使用[1]。这种单级型PET的工作原理为输入到电力电子变压器中的工频交流电压在高频变压器的原变种直接被调制成为高频交流电压，而电压在耦合到副边后又直接被还原成为工频交流电压，下图为一种典型的AC/AC单级型PET结构：

在这种单级型PET结构中可以通过对自身重量的控制，提高运行效率，进而采用科学的方法调整工作频率，能够让单级型PET所传递的能力不断递增。比如，在单级型PET的拓扑结构中加入传统的硅钢心变压器后，该PET传递能量的能力可以达到工频变压器的三倍。虽然AC/AC单级型PET结构有点突出，但是这种PET功能较为单一，也不具备功率因数校正功能，还对原边、副边开关信号的同步性有着较高的要求。面对这种情况，可以在PET中引入高频耦合电感，以此提高工作效率，减少在工作过程中产生的谐波电流。

2.2 双级型电力电子变压器拓扑结构

双级型电力电子变压器的拓扑结构有两种，分别为：具有高压直流环节的拓扑结构和具有低压直流环节的拓扑结构两种，两种结构原理较为相同[2]。其中高压直流环节电力电子变压器是将工频高压交流电整流成为高压直流后，经过隔离型逆变器转换为低压交流，需要注意的是使用的隔离型逆变器中需要含有高频降压变压器，而低压直流环节的电力电子变压器只是先通过隔离型整流器将工频高压交流电转变为低压直流后，在逆变为低压交流。下图为双级型单相电力电子变压器的拓扑结构：

需要注意的是，这种拓扑结构中只有低压直流环节，采用的是DAB整流变换器，因此这种结构的电流波动较大，且低压直流侧的调节功能相对较弱。而在其他的双级型电力电子变压器拓扑结构中，也只是对单级AC/AC结构的改进，在可控性、简化性上都无法和单级型以及三级型的电力电子变压器拓扑结构向比较，因此双级型电力电子变压器拓扑结构并不常用。

2.3 三级型电力电子变压器拓扑结构

三级型拓扑结构下，电力电子变压器的工作原理为：通过AC/DC变换器后的工频交流电压成为直流电压，在经过DC/DC变换器，进行直流变压，最后还需要经过DC/AC逆变器，形成所需要的交流电压，和二级型相似，在DC/DC变换器中需要具有高频变压器。和前两种拓扑结构相比，三级型的拓扑结构的变换次数较多，且结构复杂，但是其本身的控制特性较为优越，能够让PET得到更加广泛的应用。且三级型PET中的低压直流环节，能够有效整合能量存储设备，提高PET的穿越能力，因此这种三级型PET也被应用在为电动汽车充电的环节中。下图为一种典型的三级型PET拓扑结构：

目前，三级型PET拓扑结构在配电网中也得到了一定的应用，比如，针对配电网使用的电力电子变压器输入端和输出端的特点，在三级型PET拓扑结构中采用了输入串联输出并联的方式，并且采取模块化的结构，实现了冗余控制。

2.4 不同拓扑结构可实现的功能分析

由上可知，将电力电子的变换技术合理的应用到变压器中，就能够让电力电子变压器在适当的控制下形成全新的特点，但是不同的PET拓扑结构之间的功能能力各不相同。其中在单级型PET拓扑结构中可以实现的功能有功率双向流动、调节输出电压，而双级型PET拓扑结构中可以实现的功能有功率双向流动、调节无功功率和输出电压和输入电流、输入电压跌落穿越、直流电压输出、接入能量存储系统和光伏发电系统，过流保护、谐波消除，但是以上功能中并没有效果较好的功能，最后是三级型PET拓扑结构，和双级型PET拓扑结构相同，其中功率双向流动、过流保护、谐波消除的功能可以实现，而其他的功能是在实现的基础上，以更加优秀的效果实现。

3 电力电子变压器拓扑结构中的关键技术问题

3.1 运行稳定可靠性

PET之所以能够取代传统变压器成为引用最广泛的能量转换设备是因为其本身具有的高稳定性和可靠性，但是随着传统变压器的发展和改善，对PET也造成一定的冲击，因此未来PET的优化设计中必须要进一步强化其运行的稳定性和可靠性，减少高压侧开关的数量，将新材料和新技术引入其中，推动PET得到全面的发展。

3.2 转换效率的提升

PET本身的优点较多，但是工作效率相对较低，同时这也制约PET实用化发展的主要原因，因此在PET的设计研究工作中，还需要提高PET的工作效率，尤其是针对开关频率较高的隔离环节，常见的PET结构中开关频率可以达到1020kHz[3]。比如，可以将PET中的开关换成软开关，以此降低开关的损耗率，提高PET的工作效率。但是对于隔离级而言，开关频率并不是身高，反而是输入侧和输出侧的导通电流较大，因此在隔离级中，高压侧的开关需要实现ZVS，低压侧的开关则需要实现ZCS，这种方法也可以有效降低开关的损耗。

3.3 功率的双向流动

想要让PET完全取代传统变压器，就要在实现PET隔离变压功能之外，必须要具备能量双向传输功能，而本文的三种PET拓扑结构中都能夠实现双向传输能量，但是都没有实现能量的双向流动。因此还需要进一步完善PET的控制方案，要求PET的控制系统不仅能够处理大量的数据，还需要快速响应。

3.4 PET的并联技术

PET在产品化的过程中，经常会出现PET和传统变压器并联的情况，或者是多台PET并联运行的情况。这是因为并联技术的使用能够有效提高配电系统的可靠性，提高运行效率，减少总体的备用容量，但是在实际的应用环节中，也存在一定的问题，比如，同步、保护、均流等。纵观国内外关于PET的研究后发现，关于PET并联引发的不平衡负载、以及非线性负载情况的研究相对较少，因此还需要进一步对PET的并联技术进行分析，找到科学合理的PET并联控制策略。

4 总结

综上所述，想要保证配电系统的稳定运行，就要在配电系统中配置一个拓扑结构良好的电力电子变压器，通过电力电子变压器提高配电系统的运行效率，实现电力行业生产效率最大化。根据实际的行业发展情况，深入分析电力电子变压器的拓扑结构，保证拓扑结构的良好性，为国家配电系统的长期运行提供必要支持，提高国家电能输送水平，让电力行业以饱满的状态面对新时期的形势变化。

参考文献：

[1]陈启超，纪延超，潘延林，等.配电系统电力电子变压器拓扑结构综述[J].电工电能新技术，2015（3）：4148.

[2]庞英俊.配电系统电力电子变压器拓扑结构综述[J].科学技术创新，2017（36）.

[3]卢子广，赵刚，杨达亮，等.配电网电力电子变压器技术综述[J].电力系统及其自动化学报，2016，28（5）：4854.

作者简介：裴慧霞（1981），女，河南许昌人，硕士，讲师，研究方向：电工技术。