电力电子变压器技术研究

李璋

摘 要：电力电子变压器具有传统变压器的电压变换和电气隔离作用，还可以进行无功补偿、谐波调整、直流储能、智能通讯等，可通过电力电子技术和高频变压器来实现。本文先对电力电子变压器发展历程进行介绍，并对电力电子变压器电路拓扑和控制保护技术进行探讨，可供相关人员参考。

引言

具有高压交流端口的电力电子变压器多应用于中、高压和大功率运行的场所，主要集中于分布式再生能源、电力机车变流系统等领域，制造所需铁芯材料更少，可降低制造过程中的金属用量。电力电子变压器研究和应用离不开拓扑理论、低损耗和低谐波调制技术、物理场设计，高压绝缘、电磁兼容等技术，是为多学科交叉研究领域，但还存在着电能转换率低、功率密度低和可靠性不高等问题，这是由于电力电了半导体耐压能力有限，变压中变流器多为级联拓扑，这就需要采用更多数量的功率半导体和储能电容等元件，为了简化拓扑已经开展碳化硅半导体器件的研究，本文将对电力电子变压器技术进发展情况进行总结，并对将来的发展方向进行预测。

1电力电子变压器发展历程

上世纪60年代末期是電力电子技术发展初期，电力电子变压器在该时期就已经得到科研人员的关注，但受到电力电子功率半导体技术水平制约，电子电力变压器发展较为缓慢，可也对一些特殊场合进行了尝试。欧洲一些国家铁路机车牵引采用工频变压器，而铁路供电系统运行频率为16.7Hz，如果采用工频变压器则会导致体积和重量会比较大，会对牵引变流系统性能带来一定的影响，很多科研院所和企业都尝试通过电力电子变压器来替代传统的工频变压器。进入到上世纪90年代，电力电子技术已经得到欧洲国家的重视，西门子、庞巴迪等公司已经开展中压等级的变压器样机。ABB公司研制了容量为1.2MW的单相电力电子变压器，在2012年应用于瑞士的电力机车上，特别是柔性高压直流中应用的模块化多电平变流器，为了研制车载电力电子变压器而研发出来的。美国针对智能电网和可再生能源也对电力电子变压器进行了研制，现如今，国内外多家科研机构和企业已经试制出千瓦到兆瓦级的多台电力电子变压器样机，并对性能进行了验证。

2电力电子变压器电路拓扑

2.1三级型

三级型电力电子变压器电路是由输入变换器、高频变压器和输出变换器构成，较为经典的拓扑为双向开关建立起的直接矩阵变换拓扑，双向开关为2个绝缘栅双极晶体管器反向串联实现的，输入侧变换器把工频调制为频率为1000Hz交流电，再经过高频变压器与输出变换器进行电气连接，通过解调把高频交流还原成工频交流。新型三级拓扑采用电流源型变流器，开关器件采用IGBT串联二极管，利用辅助谐振回路来建立起软开关，可以运行在较高频率并减小铁芯体积，可应用电能质量汉呈、抑制电流冲击。但由于电流源变流器在开路故障的情况下，因为较高的电流变化率会使过压保护动作，这就需要再配置谐振电容和电涌保护装置，不利于提高变压器的功率密度。但该种类型电力电子变压器拓扑结构简单，会以高效率运行，可由于不具备直流端口，不具备较多的功能，不能应用于直流设备接入的需要。

2.2四级Ⅰ型

由输入变换器、高频变压器、交-直输出变换器、直-交变换器共同构成四级Ⅰ型电力电子变压器，机车牵引变流庆用级联矩阵变换器作为高压交流输入拓扑，输入交流电压为15kV、16.7Hz频率电能，采用交-直变换器进行处理后转变为直流1800V，再经过直-交变换器为害引逆变器供电。矩阵变换器通过级联方式接收高电压，可由于换流控制较为复杂、开关保护难度大等，都对该种拓扑结构电子电力变压器应用产生了制约。模块化多电平变流器具有运行效率高、提升电能质量等优点，应用于电力电子变压器可以进一步提升运行可靠性和运行效率，但由于同样需要采用较多的功率半导体器件和储能电容，无法有效提升电力电子变压器功率密度和经济性，也难以实现软开关作用。

2.3四级Ⅱ型

由输入交-直变换器、输入直-流变换器、高频变压器、输入变换器共同构建起四级Ⅱ型电力电子变压器，拓扑结构由H桥、高频变压器、循环变流器组成，该拓扑具有动态电压作用，实现H桥、循环变流器软开关功能，有着很高的运行效率。应用于中、高压场合时，输入侧H桥无法进行有效的电气隔离，针对该种类型的拓扑研究比较少。

2.4五级型

由交-直变换器、高频隔离变换器、输出直-流变换器共同构成五级型电力电子变压器，而高频隔离变换器为低压交-直变换器、高压直-流变换器和变压器组成，也就是高频隔离变换器实现了三级电能变换。由于该类型电力电子变压器没有变换器，滤波电路设计更为简音，还配置有多种类型的交、直端口，该种类型的变压器已经受到科研人员的广泛关注。但是，中、高压五级型电力电子变压器受到功率半导体耐压能力的制约，高压输入变换器多为级联H桥、模块化多电平变流器等拓扑，H桥具有模块化、扩展性好等特点，是电力电子变压器常用拓扑结构，多家公司采用该拓扑结构对牵引电力电子变压器进行设计。我家也对采用级联H桥的五级电力电子拓扑进行了研究，华中科大已经试制出500kVA样机，并进行挂网运行试验，湖南大学将隔离级输出采用二极管不控整流桥进行设计，研制出具有级联H桥的电力电子变压器。

3PET的控制保护技术

3.1调制及软开关技术

调制是指对电力电子变压器主电路功率半导体器件进行控制，根据设定的程序和规律控制半导体的导通或关断，不同的调制方法可将变流单元输出不同的波形，调节脉宽、频率和相位等来进行功率控制。高压交流侧多电平变流，可采用空间矢量调制、正弦脉宽调制等技术，以降低开关频率来减小开关损耗。隔离级高频调制多要求与软开关进行结合，可达到零电压开关、零电流开关的作用，有利于减小开关损耗的提升开关频率。三级型电力电子变压器调制多应用开关函数矩阵，在设计时还应该考虑换流时双向开关器件间死区、交叠等因素的制约，避免开关器件受损。

软开关是为了减小隔离级变换器损耗而设计的，可用于提升变压器运行频率，还会对功率密度、散热等产生影响。开环控制软开关采用LC串联谐振电路，开关元件为4.5kV的IGBT，整流及逆变侧均通过开环方式进行同步方波调制。

3.2控制技术

电力电子变压器的电气端口应该具备调节能力，可进行电能的双向流动，可连接不同类型电源、储能元件和负荷，主要的控制有：1）内部变流器电压与功率控制，设置多个直流储能电容电压，可认提升交流侧输出电压性能及稳定性，低压侧采用隔离直流并联结构，用于实现功率、电流的均衡，是确保变压器稳定运行的关键;2）电压、电流和功率控制，是保证变压器每个端口均可以根据离网、并网方式、电源类型和负荷接入来制定控制策略，对交直流电气量进行实时调节和优化，可进一步提升能源利用率。

6结语

综上所述，电力电子变压器性能优于传统工频变压器，变压器端口应该灵活设计，满足交流输入和直流输出的应用要求，特别是低压直流配网时，可取消交流低压网中多种逆变器，可对电网结构进行优化，还可以进一步提升运行效率。应用于机车牵引方面，由于我国变压器运行频率设定为50Hz，变压器体积已经比较小，采用电力电子技术替代工频变压器还存在着空间受限、振动、冷却等技术问题，还需要对该方面进行深入研究。电路拓扑是决定电力电子变压器性能的关键，减少变换环节，提升运行效率和结构更为紧凑是将来的拓扑设计的发展方向。

参考文献：

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[2]程林，万宇翔，周杨林，田立亭.MMC型电力电子变压器运行可靠性分析及其应用[J/OL].电网技术：1-12[2022-01-12].