电力电子变压器研发与控制关键技术

电力电子变压器研发与控制关键技术

王刚

23011919860227**** 黑龙江哈尔滨 150000

摘要：电子电力变压器是变压器的一种最常见的形式，，是一种结合了电力电子变换技术和传统电磁感应电能变换技术的新型智能变压器，在DC-DC级使用高频变压器，变压器工作在高频条件下。这使得变压器的整体体积和重量大幅度减小。此外，相比于传统变压器，EPT可以免去复杂的继电保护装置。EPT采用数字芯片控制，加以辅助电路和传感器电路，使得对变压器的保护更加容易、方便。使用数字芯片控制还可以进行远程通信，便于实现变压器的控制。若采用合适的控制算法便可实现功率因数校正和谐波治理。在实验室中，精密的电子仪器对电能质量的要求非常高，高质量的电能对试验设备及最终的试验结果有着举足轻重的影响。低下的电能质量会造成计算机数据的丢失以及试验仪器工作不稳定等。因此，将推挽型电力电子变压器应用于实验室以取代传统的隔离变压器具有重要的研究价值。

关键词：电力电子变压器;电力电子变换技术;隔离变压器;设计和制作

引言

在目前电力系统中大范围使用的变压器，其组成结构简单，包括两级线圈和磁芯。传统变压器结构简单，大大减少电能传输的损耗，使得变压器在电力系统中广泛应用。但是随着电力系统的发展，越来越多的发电系统需要接入输电网中，以及终端用户用电的多样化，使得对电力系统提出了更多的要求，要求配电网更加稳定、高效。

1电力电子变压器

电子电力变压器（powerelectronictransformer，PET）是一种新型智能电能变换设备，融合了电力电子变换技术，采用高频隔离的中间直流环节，可实现原边和副边的灵活控制。与传统电力变压器相比，其突出的特点是输入电流、输出电压可调，功率因数可控。电子电力变压器可用于电力系统以提高系统的可控性和改善电能质量。PET一般应用于中、高压大功率的场合，在智能电网的建设中，PET将会在电能质量、智能供电、新能源发电并网领域发挥重要作用。

为了全面分析国内外电力电子变压器技术的发展，研究利用incoPat科技创新情报平台进行专利检索，共检索到31556件专利，其中，中国专利5880件，检索日期截止到2018年12月31日。通过全球电力电子变压器相关专利的统计分析，重点分析技术发展趋势、国内外技术侧重差异、国家或地区技术优势，以及全球主要创新主体的专利申请情况，有助于把握世界电力电子变压器技术的热点领域和未来的发展方向，为我国电力电子变压器技术的研究开发决策提供支持和依据。

2PET三种拓扑结构

近年来，PET的拓扑结构由单级向多级发展，拓扑结构越来越复杂，使得PET功能不断的健全。通过PET对输入电能的参数改变次数的统计，可以将将其分为三类，分别为单级型，双级型以及三级型。其中，PET的基本电路，是包含输入级，隔离变换级以及输出级三部分。

2.1单级型PET

单级型的PET只实现了一次电能参数改变，其工作原理，高频变压器会在原边对输入端的工业频率交流电压进行调制，这样得到高频交流电压，然后高频交流电压在副边会被解调为工业频率。

简单的拓扑结构决定了单级型PET功能比较单一，而且对于输入输出端不具备功率调整功能，原方和副方的开关信号还要保持同步。

2.2双级型PET

双极性电力电子变压器由于其直流环节结构不同，又可分为两种高压和低压直流环节。由于双级型PET为了实现两次改变电能参数，得到低压交流电，所以其在结构优化上不如单级型PET，在控制参数方面，双级型不如三级型。所以一般认为双级型的拓扑结构，不适合作为PET的拓扑结构进行研究利用。

2.3三级型PET

三级型PET相对于单级型PET结构更复杂，这是由于三级型PET所想取到的功能所决定。三级型拓扑结构工作原理：三相工业频率交流电压经过交流/直流变压器变换为直流电压，直流电压在图中高频变压器会被被调制为高频电压，再经过高频变压器的副方耦合，变换为直流电压，最后在直流/交流变压器的逆变作用下，还原为所需的工业频率交流电压。

3电子电力变压器的控制分析

3.1前馈补偿控制策略

从以上的分析中可以发现，SPWM技术是在面积等效原理下进行的，一旦逆变器输出电压处于平稳直流高压时，控制目标只需要通过控制常量m就能实现。从常规脉宽调制的基础出发，对脉冲宽度的适当补偿需要根据电压包络的变化情况来决定，然后让脉冲宽度根据虚拟直流电压UD的变化而改变，这样才能更好的实现低频脉动分量对逆变器输出的补偿影响。从矩阵变换器中SPWM电压控制可以发现，通过比较单级性控制器中的参考正弦功率开关的驱动信号，以及双极性三角载波，能够有效的得出功率开关的驱动信号，而这个驱动信号只需要从正弦高于两个三角载波斜边交点的宽度中就能得到。

3.2正弦的调制技术

正弦的调制技术是一种常见的控制方式，电力运输中电力也不是稳定的，是由正弦波组成，所以对于正弦的稳定性，在很多情况下完全依靠原始电流情况以及次级转换器工作的可靠性。电子电力变压器可以依靠其内部的处理模块，给电容充电，然后实现吸峰，控压的方式，正弦的控制方法有几种常见的方式，一种是电容的控制方法，另一种是半导体的控制方法，但是对于高压的控制上，这些烦啊效果都不好，一般都是采用双级控制的思路，利用一定的滞后性，来稳定电路的方法，这样能使电流增加的紧凑，从未促进电压自动的合理化。所以采用两组的控制方式，在电压的改变的时候通过双控制的方式，提高控制的效果。

3.3电路补偿控制

电子电力变压器输出波的特点在于输出的电流和电压都是三角函数形式的，因此在波长中很难做到在正弦波上做实现能源的附加化的，所以电子电力变压器输出端呈现的的特点是电流的连续性和稳定的波形，没有多余的能量浪费。这非常符和我国的电力计量公平化的发展趋势，所以在很多因素的影响下，电子电力变压器的输出的波形可能会因为输入端影响成并不是正确的波形，从而影响了最后输电的结果。不正确的波型对一些使用交流电的设备的正常工作产生较大的影响。所以电子电力变压器要启动相应的电能补偿工作，在电路电压输出方式上采用补偿的方式，弥补影响因素导致的电压不稳，波的波形弯曲现象。在通过电子电力变压器中的反馈调节，做好电力变压的闭环控制。在保证标准电压的情况想，完成电路的一个重要的有效的波形保持工作。在电子电力变压器中，因矩阵变换器的输入电流和输出电压都是正弦波，因此，它是不具有中间储能环节的，并具有结构小、效率高、结构紧凑和谐波污染小的优势，也正是受这些因素的影响，矩阵式变换器目前已经成为了交互研究的热点。从矩阵变换器的控制研究方向分析，它主要集中在补偿控制的交流传动上。矩阵变换器的补偿控制具有前馈补偿和反馈补偿两种方式，其中前馈补偿是一种不完全性的补偿方法，对于输入扰动影响输出信号的干扰，以及负载和逆变缓解各种干扰对输出电压的影响都是无法完全消除的，因此在必要情况下，还需要通过反馈控制来实现效果。

结语

隔离变压器是一种输入绕组和输出绕组之间具有电气隔离的变压器。其使用降低了人们触电的风险，提高了安全性。传统的隔离变压器体积大、重量重。随着大功率电力电子技术和控制技术的发展，对电力电子变压器的研究也越来越多。其正朝着大功率、模块化方向发展，并将逐步应用于新型配电网中。

参考文献

［1］桑子夏．电子电力变压器的保护系统研究［D］．武汉:华中科技大学，2014．

［2］晏阳．电力电子变压器理论研究综述［J］．电工电气，2012(3):5-8．

［3］朱正会．隔离变压器在电网中的应用分析［J］．电气技术，2013，14(8):80-81，88．