电力电子变压器简要介绍

电力电子变压器介绍0、前言电力电子变压器(PowerElectronicTransformer简称PET)作为一种新型的能量转换设备，与传统的变压器相比，具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点。它是集电力电子、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的电力系统前沿研究课题，通过电力电子器件和电力电子变流技术，对能量进行转换与控制，以替代传统的电力变压器。1、基本原理PET的设计思路源于具有高频连接的AC/AC变换电路,其基本原理见图1,即通过电力电子变换技术将变压器原边的工频交流输入信号变换为高频信号,经高频变压器耦合到副边后,再经电力电子变换还原成工频交流输出。因高频变压器起隔离和变压作用,因铁心式变压器的体积与频率成反比,所以高频变的体积远小于工频变压器,其整体效率高。图1电力电子变压器基本原理框图PET的具体实现方案分两种形式:一是在变换中不含直流环节,即直接AC/AC变换,其原理是:在高频变压器原边进行高频调制,在副边同步解调;二是在变换中存在直流环节,通常在变压器原边进行AC/AC变换,再将直流调制为高频信号经高频变压器耦合到副边后,在副边进行DC/AC变换。比较两种方案,后种控制特性良好,通过PWM调制技术可实现变压器原副边电压、电流和功率的灵活控制,有望成为今后的发展方向。2、研究现状自1970年美国GE公司首先发明了具有高频连接的AC/AC变换电路后,很多科研工作者对各种不同结构的具有高频连接的AC/AC变换器进行了深入的探讨和研究,并提出了PET的概念。美国海军和美国电力科学研究院(EPRI)的研究小组先后提出了一种固态变压器结构,KoosukeHarada等人也提出了一种智能变压器,他们通过对高频技术的使用,使变压器体积减小,实现恒压、恒流、功率因数校正等功能。早期的PET的理论和实现研究由于受当时电力电子器件和功率变换技术发展水平的限制,所提出的各种设计方案均未能实用化,特别是在可用于实际输配电系统(10kV以上)的PET的研究方面进展不大。进入20世纪90年代,国外在这一研究领域中取得了一些新进展,提出了新的技术方案,并制作了与配电系统电压等级相当的实验室样机。如美国密苏里大学在ABB和爱默生公司资助下对电力电子变压器进行了研究，完成了10kVA，7200V／240V的实验样机，但仅实现了基本的电压变换功能和对输入的功率因数控制。另外，设计时为减小对开关器件的应力，输入采用多个变流器串联工作，使系统的可靠性大大降低，当其中任意一个器件出现故障都会导致工作异常。美国威斯康星一麦迪逊大学与ABB公司合作，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，但以上工作只对其电压变换的功能进行了分析和研究。另外，美国德州A&M大学提出了一种基于直接AC/AC变换的PET的结构,见图2。这种PET的首要设计目标是减小变压器体积和重量并提高其整体效率,其工作原理为:工频信号先被变换为中频信号(600Hz～112kHz)后通过中频隔离变压器耦合到其副边,中频信号随后又被同步还原为工频信号。为了减小器件开关过程中由于电流突变造成的过电压,该方案采用了一种4级开关控制策略,可使功率器件在无吸收电路的条件下安全换向。图2中的中频隔离变压器采用了常规的硅钢铁心变压器。试验表明,对于常规变压器,当其工作频率由60Hz提高到110kHz后,变压器的输送容量可提高3倍,效率也有所提高。这种PET的体积比同容量的常规变压器小1/3,总体效率与常规变压器相当,其原理和控制较简单,易于实现。但变压器副边波形基本是对原边波形的还原,可控性不高。险图车2倦基凭于侨AC拨/郑A各C叔变换弓的制PE盗T热（单挡相）晃为好简化醒结缴构衫,浅降低职成阵本杀,开Ma雪n支jr辈ek恭ar殊M类.D细.气和漏Ki会ef判er起nd驼or蓄f绘R刚等人红在吐bu张ck驻-b复oo酷st事变换昌器的搅基础多上提具出一房种直逮接慧AC招/A爷C捞变换姻结构剪的坛PE捉T接(际见赌图消3)勺。扣图锣3递基建于响bu休ck泉-b抛oo饺st桨的基PE近T唯这种稀变压换器的说工作厚过程岛为岗:竿输入浸三相弟电源握的线晕电压蓄通过背功率刃开关经S1须,驱S2哑和刺S3却被调胜制成袭高频登交流拾加载光至高丸频变猾压忌器的捷原边治;痕在变脆压器每的副响边像,汉高频担交流耕信号秩经功剪率器挨件屯S净1管′晴,丛S捆2净′演和迅S犯3虫′赌同步搁还原设为工盛频交堵流输碎出。太图中像Li蹲,石C掘i掀构成辆了庙LC题滤波仆器以宜减小侦变换盛器对泄电源俱注入吓的谐蠢波电辆流。育此方炸案的纷特点创是结滥构和奥控制货简和单匆,春功率艺器件扰数差少妙,虾成本习低慰,杏但由舅于工热作过毫程中跌电流柄断穴续近,显会造抓成器青件两泰端出那现尖晋峰电童压鞠,第且输万出电优压谐签波较嚼大。堵目前商国内埋外研锅究中木最具亚代表靠性的太电力剂电子之变压雹器为谈交策—乱直迈—育交虏—阀直戚—归交型非双直横流环绘拓捐扑准,怨结构教如波图名4弯所示指图景4覆三相息双直书流环全拓扑患结构景电力傻电子角变压数器承截止睛目前艇，国狼际上业对电杏力电剖子变欲压器稍的研销究故尚肚处于脾初级干阶段羡，还钟有许怠多相茧关吊的理丝论和梳实际蜜问题殿需要廊研究形。要页达到摄实用劣化，有功能样上还检需进吧一步璃完善嫌。请3腿、觉P皂ET欺优缺钞点分让析蚕电力残电子拒变压丹器将息电力概电子持技术究应用践到变坑压器序的设似计和较制造也当中池，它佳通过脑电力栗电子亭变换少技术摘实现换电力尺系统俱中的信电压油变换欺和能遥量传喊递。疲鉴于史电力拴电子潜变换很技术打所具造备的乡特点础，电立力电趣子变制压器价应具盼备以哨下优偷点：础①河改善巷供电棵电能摧质量带，实须现恒窝频、楚恒压仿输出幅：始碧终保仓证原刷边烦电流靠和副怨边始电压范为正吵弦波煎形，扁并且饥可实仿现原炭边斑功率侧因数膨始终隙接近专于糖1慎.0规；伤②堡可以主高度沾自动庭化，币配电耕网络仙的计尼算机奏监控讨系统爪可以溜直接难远程产通讯土控制尼电力帐电子等变压饱器，椒实现珠在线洲连续再监测柴和控亿制；矩③退体积裤小、咐重陶量轻畏。由奇于在威城市漏中配污电变懒压器蛙的分跌布密量度相造当高利，因冲此其撞体积触、重羽量及涝易维鼠护性震对良营好的铲城市盛建设摸与规蝇划非眨常重小要：细④驱环保聚效果仿好，穿可以誉空气备自然之冷却衔，省骨去充忧油，泳从而育减少愈污染愿、维葬护简炎单、偿安全友性好宅；城⑤甘可以舞不需厚要常段规继狭电保肥护装店置；停而且柜兼有盲断路窃器的旨功能旬，大歪功率底电力炉电子瑞器件肾可以不瞬的时耻(夕微秒正级器)滑关断迟故障铁大电船流；弯⑥倡电力秆电子馅变压疑器可倚灵活拣可靠高地将熔各种受分布元式电纷源融缝入电崭力系驾统，辞给用象户使恶用电趁能母也带派来很挣大的狭方便遮；与⑦供可以泻改变妹电据力系边统中沉的有拾功、罩无功脂潮流汽，并表对正嫌常运哀行和括故障死时电翠力系至统的狡功率枕平衡雅要求投予以拨快速唯补偿颠。统电力唱电子成变压鸡器也吓有不蓬足之捉处：须①甲电沃力电丹子装繁置的屯使用押可能车会产碑生谐莲波，负但通膝过适赶当歌的扁PW漆M岸控制项可以沾减小骆到最疑低程腰度。唯②纯按理析论计朝算，洒电力践电子刚变压珠器效方率高连于常聋规变渔压器件，但商在目眉前技巧术条偶件下同，实哈际运它行效也率可半能比贫常规哈变压居器稍生低一押些。召以后觉随着突电力轨电子紫器件两发展歪水平纠的提孙高、渠控制逃方案庭的改字进优罪化以密及散赞热方途式的罪改善姐等，铺电力渣电子钓变压蚁器的扮运行走效率踢会逐迟渐提扁高痛。器③卸由于满目前他电力矩电子局器件彼较贵羞，因绣此电厨力电侍子变晚压器搅价格章较常暖规变旱压器剂要贵万一敏些，饶这将岗直接漫影响通推广卡到实伪际应未用由。备4卡、团P剖E怒T亲的应箱用粘4.挺1扭P灵ET芝在分爪布式术电源坦并网仆中的瘦应用鼠近年甩来，径分布育式发洋电系彩统已漏成为扛重要牺的能巧源。旋分布版式电壶源交舞直流构兼有肤，容简量小油，分迈布广彻，且烟其电询压或寇频率维波动甜性较塔大。绞传统野逆变傅器采路用工亩频变辛压器腊，成蜡本高名，体拢积大训，逆员变效墓率难匙以提羞高，支同时戚需要湿额外凤的调迫压、序调频杆设备乞才能血保证蒜供电酱质量男。轻PE网T劝交直治流环钥节兼烛有，夜可灵参活地桥将各团种分纱布式滤电源雄接入惧电力鹊系统伟，另垄外由昼于能淋对整迟流、股逆变毫部分喉进行骂控制向，可吹省去罗额外份的调蹦压、完调频僵设备污，降庆低了可成损本棒。若图请5悄为可镰再生件能源白并网质发电阔系统次组成魔结构忌图。案图饺5课可再张生能转源并糖网发笔电系摩统组旅成结芦构图其可再荣生能晌源有粉多朵种形融态，挨且转孟化为裁电能喉的方硬式不格同，给决定室了可呼再生葡能源降在转俭化为肢直流军电能肥时有惧不同姐的直浑流侧新处理宫电路鸽，如状光伏曲发电娱需使巡用醉D竭C芽／丛D粘C忘电鞭路，凳而风教力发柏电则悦需使昏用随A瞎C液／刷D嫌C到电路判。然尊后经济过电浙力电梨子变炕压器刷的隔访离环矮节，病将直圣流电涌转化水为高央频交华流电绕。通淹过高苗频变鞠压器某耦合患到副幻边每，再贝整流牛成直福流电紫压。负高频健变压详器主浊要实烫现电斧压等玩级变克换和愤分布塔式发梯电系返统与技电网穿的电荐气隔态离作员用。凝最后得通过帜逆变茧器实统现和爬公用依电网库的申并网怀。精采用吵电力和电子惨变压爽器实售现的滚风力炕和小血水电软单相扇并网险逆变彼器结待构如泰图拾6君所示希，该龟结构效为交取—视直魂—锤交问—厉直夹—伟交型取双直票流环葱拓扑庄。典图沟6唐风力肚和小爷水电掘单相波并网坛逆变建器结蹄构图唐输入床环节匹为三标相电盟压咏型损PW故M畜整流春电路雾，将旺交流鞠发电缘机的峡交流颤电变旋为直答流，叛且实框现直燃流输极出电惠压可荡控、末单位药功率丛因数聚运行母。毁对再PW全M僚整流蔽电路壳可以已采用里电压舌外环燃、电爽流内阅环的溪双闭愉环控全制方竞案。占电压肥外环顽是为堤了实馒现对量输出笔电压霞的控寻制仔，榆电流评内环卵是为特了实搬现单办位功孝率因果数控哈制。恩为了狱获取练快速版的动诚态响钉应，稳电流测环可艰以采狱用直联接电布流控匆制技申术，脸电压娱环采纷用常先规有的眨P秆I痕控制球。华对于宣并网州逆变躬器的贺隔离抱环节颈，高竞频变载压器鄙原边扁的单童相逆朴变电买路，离在开值关损村耗允跟许和蹲变压溪器磁功芯允哥许的渡范围殃内，液逆变孕器输么出频暖率越搭高，炎变压虎器的粘体积饼和重帆量越袍小，裂只须亲达到菊高频困逆变妥目的婆即可辜。对气于变跃压器汤副边狱整流洽电路气，只斗要能捧实现事高频凤整流质即可胳。因充此，善变压若器原晚边逆现变电黑路和套副边盆整流届可以铅用开获环控毫制方画式实请现，时将直梢流调词制成捐占空膊比使为洪5员0宜％的行高频旨方波书，变酸压并峰耦合金到高守频变广压器遮的副眨边携绕组筑后再静同步炭整流储还原返成直庄流。陪输出城环节掩为单钩相辆PW碑M桌逆变股器，清逆变厉器并铺网运票行的怖目标辅：一电是逆嚷变器翻能够而与电摸网稳岗定地瓜并联届运行贪，二详是能隙将可愧再生备能源誓以高论功率踏因数聚回馈畅电网艺。为领了使慎系统霸在并稻网工使作时座功率好因数访近似笨为虾l季，则徒必须纺要求沙逆变黄器输妇出的向并网讽电流榴为正允弦波桑，且五和电壶网电垮压同剖频率蒸、同述相位扒。多雅数并半网逆抗变器挺对输始出电凡流的爽控制忽是采弃用瞬仰时值汗控制匀方案摘。先膊进的式瞬时于值控腔制一幻般采蛇用闭冰环反柿馈，匙最典补型的庆是输畅出滤棕波电内感电孟流反评馈构序成的巩电流垒跟随据控制皮逆变巩器。温比较蚁常见迅的电接流跟王随控厘制技屿术有慎电流树滞环季瞬时条值控疏制技铲术和草电流睡正弦停脉款宽调询制厅(S决PW聚M熔)袭瞬时症值控孕制技比术。按4.译2泛P融ET豆在工配电匙网中酒的应即用妈在配材电网症中，陶配电育线路辜经常钟会出阔现各拐种电青压扰熔动，舍如电斤压骤死升、芝骤降浴、闪胶变、番波动摇等。庸对于薯对电嚼压敏饭感的锈负荷言，如该电脑马、通员信设漆备等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