易事特集团股份有限公司 广东省东莞市 52380
摘要：在我国电力系统中最主要的电气设备就是电力变压器，传统的电力变压器负荷变化对电力影响特别大。当电力的负荷发生故障时，不能很好的隔离故障，为了隔离故障而使用绝缘油会对环境形成一定的污染，传统的电力变压器有着自己的不足，比如体积大、空载耗损也比较大和重量大等；跟传统的变压器相比较来看，电力电子变压器是新型的一种能量电力转换设备，这种电力电子变压器最大的优点就是耗损相对比较小，不需要绝缘油等，鉴于此，本文主要分析配电网电力电子变压器技术。
关键词：配电网；电力电子；变压器技术
1、电力电子变压器的基本原理
电力电子变压器（powerelectronictransformer，PET），也称为固态变压器（solid-statetransformer，SST）或智能变压器（smarttransformer，ST）等，一般是指通过电力电子技术及高频变压器（相对于工频变压器工作频率更高）实现的具有但不限于传统工频交流变压器功能的新型电力电子设备。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。
初级功率变换器、次级功率变换器以及联系初级和次级功率变换器的高频变压器来共同构成电力电子变压器。根据电力电子变压器的输入和输出这种特点来看，也就是电力电子变压器的交交变换，电力电子变压器的基本工作原理就是输入的工频电压利用原边变换器，将工频电压转换为高频电压，利用高频变压器耦合到副边，最后再利用副边功率变换器将电压转换成所需要的高频交流电压；对电力电子变压器要减小它的体积，来增加电力电子变压器的工作频率；为了把工频交流电转换成高频交流电，这就需要使用合适的电力控制方案和现代电力电子技术，最终能够使电力电子变压器逐步的过渡成小型变压器和轻型变压器。
其工作原理如图1所示，高压侧工频交流通过电力电子变流器一系列变换（交-交变换或交-直-交变换）形成高频交流电，然后通过高频变压器耦合到低压侧，再经过变流器一系列变换形成工频交流电，向负载供电。
图1电力电子变压器的工作原理
2、电力电子变压器的几种电路类型
2.1、斩控式电力电子变压器
在1995年，电力电子变压器的实验样机被制造出来，这也是美国电科院首次成功制造斩控式的电力电子变压器。
2.2、交－交－交变换电力电子变压器
在1999年，交-交-交变换的电力电子变压器被制造出来，它是一种新型的电力电子变压器，这也是美国德州大学首次成功制造该种类型的电力电子变压器。
2.3、反激式电力电子变压器
反激式电力电子变压器是近年来研制的新型变压器，它的内部元件大大减少，结构非常的简化。
3、配电网电力电子变压器技术综述
3.1、PET的电路拓扑
PET一般可应用于智能电网、可再生能源接入或电力机车牵引变流系统等需要对电能形式进行变换并要求电气隔离的场合。根据应用场景的不同，PET的高、低压端口电能形式及隔离方式一般也不相同，通常需要采用定制化的电路拓扑，很难实现统一标准化设计。这也促成了PET电路拓扑的多元化技术路线。
作为应用于交流电网的PET，其输入侧一般为中高压交流端口，而为了能够涵盖传统工频变压器的基本功能，在很多场合也要求PET能够输出低压交流。因此，本文以中高压交流输入、低压交流输出的PET作为基本的分类对象。而对于具有直流端口的PET来说，大多数情况下其可以作为低压交流输出型PET的一部分。
3.2、PET的控制保护技术
PET的高性能控制及保护涉及调制及软开关技术、电压/电流/功率等电气量的控制策略以及故障保护技术等，对PET的电气特性、损耗、可靠性有着极其重要的影响，也是PET的研究热点之一。
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。
一般而言，PET的电气端口应具有电压/电流/功率的实时调节能力，可实现电能双向流动，从而可以接入不同类型的电源、储能和负荷等设备。
3.3、PET中的高频变压器优化设计
PET中的高频变压器是实现电气隔离和电压等级变换功能的核心元件。首先需要说明的是，本文中的“高频”是与工频变压器的“工频”而言的相对概念。一般来说，过低的工作频率会使得变压器铁心体积较大，而过高的频率会使得变压器及其连接的电力电子变换器损耗增加，给系统散热带来困难。实际上，对于可以隔离10kV或更高电压的高频变压器来说，由于爬电距离、空气间隙等绝缘因素的限制，一般工作频率高于数kHz之后，即便继续提高频率，高频变压器本身的体积很难继续减小；而因工作频率提高带来的变压器及变流器散热需求增加，需要另外增加散热设计，反而可能会增大PET系统的体积。因此，PET中高频变压器的工作频率设计需综合考虑系统的体积（功率密度）、绝缘、散热等多项性能的协同优化。所以，目前研制的PET样机中，高频变压器工作频率一般在400Hz~20kHz之间，有些文献中将这些变压器称为中频变压器（mediumfrequencyt ransformer，MFT）。
对于高压大容量的高频变压器来说，为了实现较高的功率密度，其绝缘和冷却设计需要重点考虑。从绝缘形式划分，
PET中的高频变压器可以分为油（液体）浸式和干式两种。在已研制的PET样机中，两种类型的绝缘技术也均有采用[19，22-23，30，32，49，64，104，107]。干式变压器的绝缘材料一般采用合成材料绝缘纸、环氧树脂等。由于没有液体泄漏、挥发、着火等问题，干式变压器具有环境友好，维护少等优势。但是，干式变压器的散热、绝缘、局部放电等需要特别处理。因此，油浸式高频变压器依然获得了较多应用。油浸式变压器除去绝缘性能好之外，由于铁心和绕组都可以浸泡在绝缘油中，采用导热性能良好的绝缘油时还可以起到很好的散热作用。
总之，电力电子技术融入变压器是当前电力系统研究的新兴领域，将这种变压器所提供的研究思路和理论应用于实际，并且逐渐实用化、民用化，能够极大的提高电力系统的电能利用效率，从而使电力系统的经济效益显著提高。
参考文献：
[1]周廷冬，徐永海.配电网电力电子变压器故障清除及保护技术综述[J].大功率变流技术，2017（04）：81-86.
[2]李天宇.基于电力电子变压器的配电网无功优化关键技术研究[D].沈阳农业大学，2017.
[3]廖国虎.配电系统多功能电力电子变压器的研究[D].贵州大学，2015.
[4]马红星，李华武，杨喜军.配电网中的电力电子变压器技术的综述（下）[J].变频器世界，2012（02）：47-52.
[5]马红星，李华武，杨喜军.配电网中的电力电子变压器技术的综述（上）[J].变频器世界，2012（01）：53-58+65.
论文作者:刘永林,刘贻青
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
标签：电力论文; 电子变压器论文; 变压器论文; 变换器论文; 电压论文; 功率论文; 技术论文; 《基层建设》2018年第22期论文;