摘要：电力电子变压器旨在代替传统电力变压器，实现电压变换、电能控制、无功补偿和不间断电源等智能化功能，使配电网结构更加精简，运行更加高效。首先对电力电子变压器的发展历程、优势和工作原理进行了论述和分析，然后对电力电子变压器技术中的功率器件、高频变压器、电路拓扑结构、控制技术以及应用等关键问题和研究现状进行了较为全面的阐述，最后指明目前电力电子变压器亟需解决的问题。
关键词：电力电子变压器；配电网；功率器件；拓扑结构
电子变压器的优势有很多，电子变压器也被称为固态变压器，或者是智能变压器，这种变压器的优势之一就是能够将电压进行变换，不断的变换频率，对电能的质量进行一定程度的控制，这种设备是目前十分先进和智能的设备。传统的电力变压器已经利用了将近一百年，在这段时间以来，电力系统结构也发生了巨大的变化，电网的规模逐渐扩大，发电技术不断地成熟，直流的配电技术也逐渐的深入，智能电网深受广大用户的喜爱，针对这些种种挑战，传统的变压器呈现出很多的不足之处，电力电子变压器应运而生，解决了很多的问题，电力电子变压器也逐渐走入了专家和学者的眼中，被广大的研究者研究。
1电力电子变压器的工作原理
从而对两侧变流器进行控制。而整个过程能量是可以双向流动的。变压器的体积大小与其工作频率成反比，频率越高，体积就越小。
目前，电力电子变压器有很多结构和种类，这些种类主要分为两个基本的要素，电力电子变流器和变压器。电子变流器通过变压器来变换电流，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。其中脉冲宽度调制 PWM（pulse width modulation）技术由控制器实现，这样的好处是能够从两侧的变流器对整体变压器进行控制，这种控制的过程就是双向流动的。变压器的体积与变压器的工作频率成反比，变压器的体积越小，工作频率就越高。
2电力电子变压器的核心部件
2.1 功率开关器件
我国的配电系统的电压有一定的等级的，主要的等级分为3种，低压等级、高压等级和中压等级，为了能够使配电网电力电子变压器能够具有更加吸引人的外观，更加实用的内部结构，应该具备高压、大电流和高频的特点。同时电力电子变压器的低损耗也是十分重要的，一些开关的器件在配电系统中会面对很高的开关电压，在面对大功率的情况下，应该采取一种全新的解决方案，采取模块化的结构，还可以采用器件串，将一种新的技术和复杂的电路结构共同应用在高电压中，这样会导致装置的功率和故障率增加，也增加了成本。由此可见，这种电力电子技术也并不是完美的，需要及时的改进。
在以前的发展中，电力电子变压器对问题的处理能力并不高，而且功率的处理能力以及开关都没有较大的进展，高压硅功率器件的电压等级通常为6.5 kV，这个开关频率比普通的要低很多。除了上述介绍的，还需要大量的器件进行串联和并联工作，将碳化硅作为一种宽带材料，与其它的材料相比具有明显的优势，可以高出10倍的价格进行穿击电压，使电压的热导率更低，还使得碳化硅的器件能够在高电压和高温下正常工作。而在高于 10~15 kV 的场合上，SiC IGBT 因其低导通损耗、适当的开关时间及较高的高温处理能力等特性显示出其优越性。相比SiC，氮化镓（GaN）近年来表现出更大的发展潜力。和SiC MOSFET纵向型元器件相比较，GaN MOSFET是横向型元器件，更容易将外围芯片集成在同一块底板上。在不久的将来，SiC和GaN将会逐步取代硅功率半导体，但形成商业化的产品还需要一定的时间。可以预见，基于新兴材料制造的高压电力电子器件将有利于电力电子变压器的结构简化及可靠性提升。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.2 高频变压器
在利用高频率的变压器中，需要考虑几点问题：第一，高功率和高密度的变压器的基本要求就是磁芯材料的选择；第二，变压器绕组结构会对高频运行的效率产生影响；第三，在高压和大功率的情况下，系统中的散热技术是关键也是难点；第四，在精简的情况下，高压环境需要具有较好的绝缘条件。
传统的变压器大多是采用硅钢片，硅钢片具有一定的优点，高饱和和低密度是其最显著的优点，但是在高频的场合中损耗较大。这种磁芯虽然有加大的损伤，但是价格也相对低廉，但是这种磁芯的密度会导致较大的磁芯体产生不利的影响。纳米晶体材料虽然具有优越的性能，但是价格也十分昂贵，不具有经济性。非晶合金将这种材料的优点和缺点很好的平衡，饱和磁通的密度不高，但是具有一定的经济性。
变压器结构能够很好的满足，高密度功率，还可以满足电力系统运行的需求。变压器主要有两种绕组结构，第一种是螺旋管式的绕组，另一种是共轴绕组。
在两组管式绕组中，磁通量应该平行于磁芯轴，共轴绕组真好具有相反的方向，电流需要平行于磁芯轴，磁通环绕磁芯轴，这两种绕组方式很容易受到控制，而且在发生侧漏时能够感觉到。在螺线管式绕组中更多的采用的是前者，前者具有很好的灵活性，而且成本较低，制作过程简单。
相对于传统的变压器来讲，散热和绝缘设计十分重要，而且散热和绝缘设计在整个设计中十分困难。在散热的过程中，可以采用不同的散热方式，尤其是大功率和大密度的设计中十分常见这种散热方法，风扇冷却和水冷却的方法。相对于干式变压器的绝缘问题，需要采用固态绝缘材料和环氧树脂，此外，高压绝缘线也是十分常见的材料，高压绝缘线能够使变压的结构变得简单。
3电力电子变压器的控制和应用
3.1 PET 控制
PET控制主要是针对输入的高压等级，中间隔离的级别与输出的低压级别有一定的不同，其中高压级别的控制方法大多是针对变流器的控制。多电平变流器具有很多种结构和样式，在这种结构和样式的控制下可以选择适合的电路结构，控制的方法主要有空间矢量脉宽 调 制方法、消谐波脉宽调制方法、开关频率优化脉宽调制方法、载波带频率变换的PWM方法、混合载波PWM方法 、载波 相 移 脉 宽 调 制 CPSPWM方法和载波交叠式脉宽调制 COPWM方法 等。这种低压等级主要依靠传统的三相逆变器完成，三相逆变器或者是单相逆变器能够将坐标控制在一定的范围内，这种控制还可以采用静止坐标系的控制计算法，在这种静止系坐标控制法的应用过程中采用旋转的方式。上述的几种控制方法有很多文献上记载过，在这里就不做过多的解释。中间的隔离级的控制通常采用开环控制，利用一定的占比空间和高频波进行控制。文献中主要阐述了功率平衡的主要控制方法，对闭环的控制进行了全方位的研究，还对中间隔离进行了研究，介绍了无电流传感器的功率平衡控制法，然而，中间隔离级对闭环的控制增加了电力系统的运行难度和系统控制的复杂性。
3.2 PET 的应用
随着太阳能和风能等清洁能源的大力使用，新能源逐渐的代替传统能源走进人们的视线，电力电子变压器具有很显著的优点，不仅能够在电力系统运行中实现无功补偿等功能，还能够隔离故障，使电路平稳的运行。电力电子变电器在未来很有可能取代传统的变电器，将变压器的分布方式并入配电网中，提高配电网的运行效率。如美国电力研究院EPRI开发了一个2.4 kV、45 kVA的基于电力电子变压器的电动汽车直流快速充电站，不仅重量大大减轻，还可以将效率从90%~92%提高到96%~97%以上。电力电子变压器还能够在其它的系统中得到应用，尤其是输电系统中，电力电子变压器可以与交流输电线相结合，提高远距离输电的可能性，使输电系统的运行水平提高，还可以在电网发生故障时，采用电力电子变压器提高输电效果。
参考文献
[1] 毛承雄，王丹，范澍，等. 电子电力变压器[M]. 北京：中国电力出版社，2010.
[2] 张晓东，张大海（Zhang Xiaodong，Zhang Dahai）. 电力电子变压器在电网故障中的控制策略（Control strategy ofpower electronic transformer for power grid fault）[J]. 电力系统及其自动化学报2014，26（1）：39 - 43.
论文作者:孟成1,肖洋2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/18
标签：电力论文; 变压器论文; 电子变压器论文; 变流器论文; 绕组论文; 结构论文; 功率论文; 《电力设备》2018年第18期论文;