配电网电力电子变压器技术研究

程道星，张乐强

（西安奥特迅电力电子技术有限公司，陕西 西安 710065）

随着经济形势的发展，国家电力工业规划布局更注重环保和节能，为后经济时代注入可持续发展的动力。例如火电比例的降低，多形态清洁能源占比的提升，导致了当前配电网出现了以多系统并网、非线性负荷增加的新问题、新矛盾，这些问题与矛盾逐渐成为了当前我国电力事业发展中亟待解决的结构性问题。电力电子变压器技术能够有效避免传统变压器技术在面临这些新矛盾、新问题时所带来的系统性压力，该技术有助于在电压等级变换和隔离方面推陈出新，达到潮流控制的目的。大功率电子技术的发展对电力电子变压器技术的应用产生了强劲推动力，电力电子变压器在高压输变电及配电网系统中应用的前景是十分广阔的、光明的。

1 当前配电网系统中的主要矛盾

1.1 新能源并网与现代电网之间的矛盾

当前我国为了减少碳排放量和降低火电规模占比，大力发展新能源电力工业并提高清洁能源在整个电网系统中的比例，因此提高了分布式电源的配比。分布式电源具有容量不高，交流电和直流电混网的特点，而且电源电压及作业频率波动性大，系统容量兼容性力度不大。分布式电源大量投入也给配电网带来了一些亟待解决的输变电质量问题，例如谐波、电压差、电压跌落、电压闪变等，因此分布式电源配比的提高与电网运行的稳定是当前一个较为突出的矛盾。

1.2 传统变压器与现代电网之间的矛盾

在电力工业快速发展背景下，传统变压器在配电网系统的应用中暴露出一系列的自身缺陷。首先传统变压器体积过于庞大，拥有较大的自重，不易运输及安装，而且需要构筑物做配套建设，能耗较高；其次是设备功能的问题，传统变压器在空载和重载工作状态时不能够保持绝对稳定，不能隔离非线性负载产生的畸变电流，影响输电质量，甚至因此引发系统故障；最后，传统变压器难以避免谐波的干扰，在配电输电网络中产生励磁涌流，影响配电网络的稳定性；因此在信息化、智能化的新趋势、新背景下，传统变压器面临更新换代是必然的，电力电子变压器的发展前景是稳定、可期的。

2 电力电子变压器的原理、优势及应用意义

2.1 电力电子变压器的工作原理

电力电子变压技术是大功率电子技术在配电网变压技术中的移植与应用，其基本工作原理是通过电力电子变换来调整配电网系统中的电压并实现稳定的能量传递，主要移植技术有滤波器、断路器、电流限制器等等，这种电力电子变压技术的应用使新型变压器的功能得以扩展。例如，一种原边和副边都采用了电力电子变换器的新型变压器，其工作原理是在原、副边之间采用高频变压器进行电气隔离，原边的电力电子变换器将交流电转化为高频方波，高频变压器将之耦合到副边，副边的电力电子变换器再将高频方波转换为工频交流电，完成基本变压功能，同时通过控制电力电子变换器改变输出电压与频率，以此将多个不同并网单位不同频率的电能进行隔离、互联。这项技术除变压、隔离电流的基本功能，还对连续超高压输电、维持供电质量、潮流控制等扩大化功能提供先进的技术支持。

2.2 电力电子变压器的优势

电力电子变压器与传统的铁芯式变压器的相对优势在于：首先，电力电子变压器属于智能设备，具有体积小、重量轻、环境污染小、易于运输、安装的特点。其次，电力电子变压器的功能性更为优越，例如其工作状态不受电网电压波动和负载突变影响，相对稳定；而且其可控性较强，对于原边和副边产生的电压、电流和功率有较强的调控功能，输出电源较为稳定。最后，电力电子变压器搭载智能化的断路器，在故障难以排除时自动断开执行器件，保障设备安全。

2.3 电力电子变压器的应用意义

电力电子变压器以电力电子变流技术为基础，使得变压器的性质和功能已经完全超出了传统范围，实现了变压器在潮流控制和电能质量调节方面的突破。例如电力电子变压器工作的三个基本环节：①输入环节，通过搭载全控整流电路以保证输入电流波形和功率因数可控，前文已有赘述，对于改变配电网系统运行方式、提高系统稳定性意义较为重大；②隔离环节，由于配电网系统中电压变换范围的大弹性现象，常有大量无功元件消耗电能功率，而高频变压器作为电压变换和电气隔离中枢，将原、副边高频方波双向高效转换，且实现原、副边电磁隔离，起到了优化线路潮流控制、提高输电效率的积极作用；③输出环节，输出端收到控制输出信号后，将低压直流电转化为稳定可控的三相交流电，对降低输电损耗、改善供电质量等方面均有极大革新，实现了在当前背景下电力系统的稳定和高效率，如图1。

图1 一种常见电力电子变压器的工作原理

3 电力电子变压器在配电网中的应用

3.1 电力电子变压器在改善配电网供电质量中的作用

配电网中经常出现的谐波和无功现象大多是由于系统中的非线性负载比例增加所致，在过去，电力行业的设计师、工程师们大多采用滤波器或者无功补偿器来保证系统的稳定性。当电力电子变压器出现后，其输入侧可以以整流方式来抑制谐波和补偿无功，或使其与滤波器并联来抑制谐波和补偿无功，构成一个小型的混合型有源电力谐波抑制系统。该小型抑制系统可以在负担变换、隔离电压的基础功能下，承担大部分谐波和无功补偿工作，使系统网侧电能质量得到充分的优化和提升，如图2。

图2 混合并联型有源滤波系统拓扑结构

3.2 电力电子变压器在改善柔性输电中的作用

在柔性电网中应用电力电子变压器，可以通过搭载蓄电池组构成持续电源实现不间断供电，尤其是对于一些需要连续工作的重要设备，避免其因故障停电而停止运行，对降低故障损失具有重大意义。不间断电源可由蓄电池组、超级电容和双向直流变换器组成。当配电网电源发生故障导致电力中断时，由不间断电源供能来维持电力电子变压器输出，直到电网恢复供电，此时供能蓄电池组再恢复充电状态，如图3。

图3 带储能单元的电力电子变压器结构图

3.3 电力电子变压器在多结构并网中的作用

由于火电在电力供应构成中的大幅度消退，光伏、风电等清洁能源在电力供应构成中的大幅度提高，配电网系统中也随之增添了大量的分布式电源，对配电网并网功能的要求进一步提高。当前的一个突出主要矛盾是并网单位中的电压、电频等参数并不是稳定一致的，不同的电源容易导致供电质量标准不同，在统一的配电网中产生大量谐波。除此之外，交流直流混网也是亟待解决的问题。电力电子变压器适应了分布式电源小容量、变频的系统特性，成本较低，占地面积较小，而且输出环节中对分布式电源交直流混并现象能够进行积极整流与电压控制，不需要配备额外的接头设备。例如，针对风电和水电采取AC/DC变换电路，而针对光伏发电则采用DC/DC变换电路，由电力电子变压器来充当这些分布式电源并网运行必须的中间隔离与输出级结构，将并网电流调整为最适应电网电压频率与相位的正弦波形态，保证并网电流的高功率因数，如图4。

图4 分布式电源配电网系统结构图

3.4 电力电子变压器在交流电动机系统中的作用

当前工业生产中，应用比较普遍的交流电动机的工作质量主要受逆变器输出端电流质量的影响，一般在交流电动机系统中常采用电压型逆变器进行精确调整，逆变器来控制电动机四象限运行。常规电压型逆变器加装直流侧馈能装置来保证“交流——直流——交流”的拓扑结构，以二极管作为整流环节产生的谐波较大，对电动机的四象限运行产生一定的不稳定影响。而采用电力电子变压器不仅能够对网侧电能实现更加精确的功率因数控制，还可在四象限拓扑结构中，为直流侧获得稳定的直流高压，实现电能在两交流侧的双向流动，也能够通过能量在电力电子变换器中的双向流动将电动机工作状态以电信号的形式反馈给配电网智能终端，在可视化系统中观测四象限交流电动机的工作状态，以判断供电质量。

4 结语

电力电子变压器如今已经是配电网中的重要设备之一，在交流柔性输电系统中已经占有非常重要的地位。随着智能化设备的快速迭代，电力电子变压器的可扩展性越来越广阔，其变压及隔离等基本功能日益优化，其在远距离传输、并网电力质量改善、智能断路继电保护、区域电力工作状态信息传输、电能质量补偿等方案中，整合多种设备功能的效果越来越好。对电能质量要求较高的产业及企业而言，电力电子变压器可提供较为稳定和高质量的电力，降低资源损耗，提高能量利用效率，所取得的社会效益和经济效益都不言而喻。