摘要：随着智能电网、能源互联网等未来电网技术的快速发展，能实现变压、电气隔离、功率调节与控制、可再生能源接入等多种功能的电力电子变压器(也称为固态变压器、智能变压器等)，相关理论和技术的研究得到了越来越广泛的关注。但是，从总体而言，PET的大规模推广应用还有诸多问题需要解决。
关键词：电力；电子变压器技术
1引言
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。
2电力电子变压器的基本原理
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。
3电力电子变压器的优势
针对传统变压器存在的上述种种缺陷和不足，近几年来国内外的科研人员提出了一种新型的变压器，即电力电子变压器PET，又被称作固态变压器SST或电子电力变压器EPT。与传统电力变压器一样，电力电子变压器可以实现电压变换、电气隔离和电能传输，而且，它还可对其两侧的电能进行控制，对输入级电流波形和相位进行灵活而有效地控制，使输入级保持单位功率因数运行，提高运行效率，大大减小无功损耗，同时可以在输入级非正常运行时，保持三相输出电压波形的稳定与良好，另外，它重量轻、占地小，没有变压器油、不会对环境构成威胁，而且还可以瞬间关断故障电流，所以其继电保护装置相较于传统电力变压器更加简化，此外，它本身既有直流环节又有交流环节，方便各种分布式电源的接入，还可以直接进行直流供电。电力电子变压器与传统电力变由于电力电子变压器在结构和功能上的种种优势，在电力系统中将会有非常广阔的应用前景。
4电力电子变压器技术研究
4.1研究现状
目前，国内对电力电子变压器的研究主要还是集中在理论研究方面，包括电力电子变压器的拓扑结构的研究和控制策略的研究，还有其在输配电系统、新能源并网以及智能电网中的运用研究，在AC/DC/AC结构的基础上提出了自平衡电子电力变压器、三电平电力电子变压器以及带储能系统的电力电子变压器等，提出了基于分散逻辑的电子电力变压器并联技术、基于电力电子变压器的分布式电源并网等技术理论，还对电力电子变压器在输电、配电系统中的运用进行了理论研究并进行了仿真实验。有关研究人员提出了一种三电平电子电力变压器，拓扑结构如下图所示。由图中可以看到，该拓扑结构的高压级由模块化的单相全桥电压源变换器串联组成，从而实现高压级的均压，这也使得该拓扑可以适用于高电压场合；低压级则由模块化的单相全桥电压源变换器并联组成，从而实现均流。该拓扑结构能够在其中一侧系统出现不平衡时，保证另一侧的系统保持三相平衡。由上图看到，该拓扑的输入级采用了三相三电平的PWM整流电路，电路中的开关元件承受的电压只是二电平电路开关元件的一半，从而提高了整个输入级的适用电压等级，使得该拓扑结构可以应用在高压场合。随着电力系统及其相关领域技术的快速发展，可以预见，电力电子变压器将成为未来电力系统中的关键设备。电力电子变压器除具备了传统变压器功能之外，还可以调节输入功率因数、控制电压电流、对电能质量进行补偿等，而且还方便新能源发电接入系统，从而推动电力系统的进一步发展和建设，产生巨大的社会和经济效益。
4.2 PET的电路拓扑
4.2.1三级型PET
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。三级型PET拓扑结构较为简单，易于实现高效率运行。但是，由于此类PET不具备直流端口，因此，其功能较为单一，不能满足具有直流设备接入场合的应用需求。
4.2.2四级型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。对于四级-II型PET，其电路一般包括输入AC/DC变换器、输入DC/AC变换器、高频变压器和输出AC/AC变换器。与四级-I型拓扑相比，四级-II型拓扑将AC/AC变换器设置在高频变压器的低压侧。无论是四级-I型还是四级-II型PET拓扑，其中都存在AC/AC变换器，因此，都存在与三级型拓扑类似的矩阵变换器或电流型变流器的固有缺点。因此，四级-I型和四级-II型PET在实际中应用并不广泛。包括ABB公司在早年的机车牵引用PET中采用了四级型拓扑，而在后期的工程样机研制中则采用了五级型拓扑。
4.3五级型PET
对于五级型PET，其电路一般包括输入AC/DC变换器、高频隔离DC/DC变换器及输出DC/AC变换器。其中，高频隔离DC/DC变换器一般由高压DC/AC变换器、高频变压器和低压AC/DC变换器三部分构成，即高频隔离DC/DC变换器本身就含有三级电能变换环节。由于无直接的AC/AC变换器，滤波电路简单，且具有多种交、直流端口，模块化程度高，在实际的PET研制中，五级型的PET获得了最广泛的关注和研究。
参考文献
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论文作者:李鹏飞,
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/11
标签：变换器论文; 电力论文; 拓扑论文; 电子变压器论文; 电压论文; 四级论文; 变压器论文; 《电力设备》2018年第18期论文;