电力电子变压器技术研究综述

电力电子变压器技术研究综述

许晨

（宿州职业技术学院安徽宿州234000）

摘要：电力电子变压器一般至少包括传统交流变压器的电压等级变换和电气隔离功能，此外，还包括交流侧无功功率补偿及谐波治理、可再生能源/储能设备直流接入、端口间的故障隔离功能以及与其他智能设备的通讯功能等。需要说明的是，本文主要针对具有高压交流端口的PET相关技术进行分类研究。而具有电气隔离功能的DC-DC变换器在有些文献中也称为“直流变压器”或“直流电力电子变压器”，这类DC-DC变换器实际上与很多PET中的高频隔离环节功能与结构十分类似，本文不单独分析。

关键词：电力电子；变压器技术；研究综述

1PET的电路拓扑

1.1三级型PET

这类矩阵变换式PET的拓扑和控制相对简单，且所需电容器数量少，运行效率也较高，但是不具备谐波电流抑制的功能。该拓扑为了满足端口并网电能质量需求，一般需配置额外的无源滤波元件。美国佐治亚理工学院在2016年提出了基于电流源型变流器的三级型PET拓扑。该PET中电流源型变流器的开关器件可以采用IGBT串联二极管，或者逆阻型IGBT的形式；通过辅助谐振回路可实现所有开关器件的软开关，因而可以工作在较高开关频率，减小高频变压器铁心体积。同时，该拓扑可以实现端口电能质量治理，并可抑制启动和故障工况下的冲击电流。但是，电流源型变流器在开路故障下由于高的di/dt（电流变化率）易触发过压保护，需要额外配置谐振电容、电涌保护装置等。这就增加了系统的复杂性，降低了PET的功率密度。

1.2四级-I型PET

对于四级-I型PET，其电路一般包括输入AC/AC变换器、高频变压器、输出AC/DC变换器和输出DC/AC变换器。四级-I型PET的典型拓扑实例包括：ABB公司在电力机车车载牵引变流系统中采用了级联型矩阵变换器作为高压交流输入的四级-I型PET拓扑，输入为15kV/16.7Hz交流电压，输出侧的AC/DC变换器直流电压为1800V，并通过输出DC/AC变换器为机车牵引逆变器供电，样机容量为1.2MW。该拓扑在PET输入侧采用与文献中类似的矩阵变换器进行级联连接以承受接触网的高电压。但是，基于矩阵变换器的PET存在换流控制复杂、开关器件保护困难、运行可靠性较差等问题，制约了其在实际系统中的应用。

2PET的控制保护技术

2.1PET的调制及软开关技术

PET的调制主要是指控制PET主电路中各类功率半导体器件，使其按一定规律导通或关断的技术。通过不同的调制方法可使得变流单元输出一系列脉冲电压/电流波形，并通过调节脉冲电压/电流的脉宽、频率和相位等实现变流单元电压/电流或变流单元之间交换功率的控制。由于PET中电能变换环节类型较多，需求多种多样，因此调制方法一般也无法统一。

三级型PET中的矩阵变换器的调制通常用开关函数矩阵来描述，所采用的方法包括直接变换法、间接变换法以及电流控制方法等。矩阵变换器还需考虑在换流时双向开关器件之间不能有死区和交叠等因素的限制，否则易导致开关器件损坏。文献中提出的四步换流法，文献中提出的软换流策略均是通过调节各开关器件的开关时序实现开关安全换流。

软开关是降低PET中隔离级DC-DC变换器损耗、提高高频变压器工作频率的重要技术，对PET的运行效率、功率密度和散热设计有着重要影响。文献介绍了一种开环控制的软开关技术，以LC串联谐振型DAB电路为对象搭建了400kW原理样机。样机开关器件均采用4.5kVIGBT，整流侧和逆变侧变流器采用开环的同步方波调制，方波信号占空比为50%、频率为8kHz，实现了IGBT的ZCS。文献分析了LLC谐振型DC-DC变换器的软开关控制技术，并指出由于6.5kVIGBT有较厚的N-层和低掺杂浓度，开关过程的换流时间较长，影响了开关频率的提高，设计合理的励磁电抗可以提高开关频率、减小损耗。在此基础之上，文献[101]进一步针对6.5kVIGBT器件的开关特性进行分析，认为IGBT的关断电流、结温、载流子寿命控制等对软开关性能及损耗有着重要影响。

2.2PET的控制技术

2.2.1PET内部均衡控制策略

针对PET内部电压与功率均衡控制问题，提出一种用于单相五级CHB型PET的共占空比电压均衡控制方法，可实现各DAB直流电压均衡控制。文献[48]主要针对五级型PET的隔离级DC-DC变换器的功率平衡问题，考虑高频变压器参数差异的情况下，提出一种基于平均功率反馈控制策略，实现各级DAB功率均分。通过分析PET中CHB电容电压波动非线性特性，提出一种电容电压波动抑制方法以降低电容储能需求。提出一种PET高压输入级的相间和相内直流侧平衡控制方法，以及隔离级的并联DAB均流控制方法，可实现高压侧级联子模块串联均压和隔离级并联子模块均流控制。

2.2.2PET端口电压/电流/功率控制策略

针对PET端口的电压和功率实时控制问题，提出一种基于三相静止坐标系下的集成直流电压、交流侧有功与无功功率的闭环控制策略。文献提出基于PET在微电网并网运行中的下垂控制，可提高微电网运行模式切换时的稳定性。提出PET的软启动控制方法以抑制启动冲击电流。开展了基于PET的直流微网潮流控制及能量管理策略的研究。介绍了一种具有同步电机特性的PET拓扑，不仅具备配电网电压/频率的调节能力，还能够治理电网谐波，降低并网电流的THD。文献[46]介绍了适用于PET分层分布式控制保护的硬件平台及软件架构。将三相五级CHB型PET拓扑的高压侧CHB采用角形连接方式，将各相隔离级独立连接或者交错连接，并比较了两种连接方式带不平衡负载的抑制能力，提出针对交错式连接的全工况自动平衡策略。文献提出针对多端口PET的功率协调控制策略，以实现各端口功率解耦控制。

2.3PET的故障保护技术

PET中大量功率半导体器件的应用，以及多种控制策略的使用，使其具有与传统工频变压器显著不同的故障特性。受功率半导体器件承受过电压、过电流能力较差的限制，除了设计阶段合理选择器件参数外，通常还需采取一些故障监控及保护技术，防止器件过电流、过电压损坏，保证PET的可靠运行。另外，PET设备故障保护技术还包括一次设备的功率电路冗余设计、实时故障检测、定位、平滑切换，以及测量和二次控制保护设备的冗余设计、故障检测及平滑冗余切换方法等。

PET接入电网或其它各类型设备之后，给电网和其他设备的安全稳定运行也带来了挑战。研究PET在电网或负荷故障情况下的故障特征，进行故障检测、定位，并研究穿越运行和隔离策略也至关重要。针对PET的故障保护，文献开展了PET在过流、过压条件下的控制与保护策略研究。文献以CHB型PET拓扑为例，面向中压交流输入、低压交流输出的典型应用，分析了PET的保护策略。针对不同短路故障类型以及过压场景分析，提出高压交流侧单相对地短路故障以及高压交流侧缓波前过电压对PET而言是极其严重的故障。低压侧端口故障保护技术的主要难点是如何实现线路短路故障下PET穿越运行，以实现系统故障定位及外接设备保护的选择性。一般可通过配合固态开关、限流器和故障电流控制器等先进保护设备的应用，降低PET故障保护设计的难度，并提高系统可靠性。

结论

近十年来，PET相关的理论和技术研发在学术界和工业界已经获得了广泛关注，并先后研制了多台实验样机。但是，PET总体上仍然处于关键理论及技术攻关研究阶段，其性能与实际应用还有一定距离。

参考文献：

[1]赵争鸣，冯高辉，袁立强，等．电能路由器的发展及其关键技术[J]．中国电机工程学报，2017，37（13）：3823-3834．

[2]方华亮，黄贻煜，范澍，等．配电系统电力电子变压器的研究[J]．电力系统及其自动化学报，2003，15（4）：27-31．