特变电工股份有限公司新疆变压器厂 新疆昌吉 831100
摘要：在能源互联网、智能电网等高科技电网技术飞快发展的基础上，实现电气隔离、变压、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显得尤为重要，相关理论和技术的研究备受社会人士关注。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。本文对电力电子变压器技术的应用进行了研究综述。
关键词：电力；电子；变压器
前言
电力电子变压器PET又称为固态变压器SST或智能通用变压器IUT，是一种把电压变换、频率变换、动态无功补偿、电能质量控制和不间断电源等功能集于一身的智能配电设备。
1.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。
2.PET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。在高压交流侧的多电平变流环节，一般功率半导体器件处于硬开关工作状态，可以采用如正弦脉宽调制、载波移相调制、空间矢量调制等方法，通过优化调制方法来降低开关频率可实现器件开关损耗的降低。而在隔离级高频环节一般调制需要结合软开关技术，实现功率半导体器件的零电压开关或者零电流开关以减小器件开关损耗，提高开关频率。
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[23]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。
2.2PET的控制技术
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。PET对交直流电压、电流和功率等电气量的控制通常主要包括：
第一，PET内部变流器的电压与功率均衡控制，即对于高压交流侧的多电平变流器，如CHB、MMC和NPC，需要对多个直流储能电容电压进行均衡控制，以提高交流侧输出电压性能和系统稳定性；同时低压侧通常采用隔离级直流端并联结构，控制并联子模块的功率/电流均衡也是实现PET稳定高效运行的关键技术。
第二，PET端口电压/电流/功率控制，即PET各端口可根据离网、并网运行方式或不同类型的电源、储能及负荷接入情况选择多种控制策略，对端口的电压、电流及功率等交直流电气量进行实时地调节和优化控制，以提高综合能源利用效率。
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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[76]开展了PET在过流、过压条件下的控制与保护策略研究。文献[81]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。
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。
3.1高频变压器绕组与铁心的绕制形式
PET中高频变压器的绕组由于通过的电流频率较高，其集肤效应和邻近效应比工频变压器要更加显著，因此一般采用利兹线（多股绞合线），以降低绕组本身损耗。而这些绕组与铁心的组合关系通常可以采用与传统工频变压器类似的螺线管型结构，即绕组以螺线管形式绕制在铁心上。
3.2高频变压器的铁心材料
除去高频变压器的绕组及铁心结构之外，铁心的材料对于变压器的性能，尤其是损耗和功率密度等也有着决定性的影响。对于工作频率在400Hz-20kHz的高压大功率变压器来说，可选的铁心材料一般包括硅钢、铁氧体、非晶和纳米晶等。硅钢具有很高的磁导率且饱和磁通密度也较高，但是高频下硅钢的损耗很大。
3.3高频变压器的绝缘及冷却
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。
结语
近年来，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]邓卫华．张波．胡宗波．电力电子变压器电路拓扑与控制策略研究[J]．电力系统自动化，2003，27（20）：40-44，48．DengWeihua，ZhangBo，HuZongbo.Researchonthetopologyandcontrolschemeofpowerelectronictransformer[J]．AutomationofElectricPowerSystems，2003，27（20）：40-44，48（inChinese）．
论文作者:张磊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/13
标签：功率论文; 故障论文; 电压论文; 电流论文; 频率论文; 铁心论文; 变压器论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;