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电力电子变压器在配电系统中的应用
J. Y. Bian amp; G. Y. Qiu
电气工程学院，贵州大学，贵阳，贵州，中国
摘要：变压器是电力系统中最基本的电能转换装置，也是使用最广泛的电气设备之一，其运行稳定，电力供应的质量和技术经济指标都和电气设备的工作条件有着直接的联系。虽然常规电力变压器拥有一个多世纪的发展历史，其性能和工艺已经很成熟，但对于电力系统而言，对于供电可靠性的提高和电能质量的改善没有明显的作用。本文研究了一个新型的智能多功能变压器——电力电子变压器，它的功能不仅和传统电力变压器一样具有改变电压等级、传输电能、电气隔离和功率输出，而且还可以提高供电可靠性，改善电能质量，同时它的体积小，对环境友好。
首先，本文介绍了电力电子变压器的工作原理，主要拓扑结构，然后通过仿真，分析电力电子变压器相较于传统变压器的优势所在；最后，对电力电子变压器的发展趋势进行了分析和总结。
关键词：电力电子变压器；高频变压器；电能质量；供电可靠性
绪论
随着社会经济的快速发展，电网规模日益扩大，除了各种分布式电源，电力电子设备也得更广泛应用。智能电网快速发展，非线性和敏感负荷不断增加，用户设备对供电可靠性和电能质量的要求变得越来越高。另一方面，经济的快速发展不可能没有能源的支持，人们对能源的需求就会大大增加。由于石油、天然气、煤炭和其他不可再生的化石能源储量有限，在不久的将来，它们最终将耗尽。因此，风力发电、太阳能和其他清洁可再生能源的分布式发电系统在电力系统中所占的比例也逐渐提高。但是，新能源如何高效、可靠地运行在整个电力系统中，是我们面临的一个大问题。自从传统电力变压器19世纪初发明以来，它逐渐成为输电系统和配电系统的重要设备。它主要被运用于电力传输，转换电压等级和电气隔离。传统电力变压器可靠运行，具有较高的效率，但它也有以下缺点[1]：
1、它们的大小和质量相对大；
2、变压器油会造成环境污染；
3、铁芯磁饱和时，系统将产生大量的谐波分量，可能会引起严重的励磁涌流现象；
4、不管是哪一部分出现问题，击穿电压、电流都会通过电磁耦合达到另一侧，而且负载的波动将影响到电网侧；
5、需要继电保护装置；
6、不能有效地隔离谐波和三相不平衡。
以上内容已经使人们注意到传统电力变压器的缺点，因此我们必须在实现传统的电力变压器功能的基础上，进一步扩大其功能，提高其操作性能，以便更好地发挥其在供电系统中的作用，从而进一步提高供电可靠性和电能质量。随着电力电子组件生产工艺及其控制方式不断突破，一种电力电子组件及其控制技术与高频变压器的组合实现了不同特点的电能之间的转换，电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）受到了越来越高的关注。
PET的工作原理
电力电子变压器（PET），也被称为固态变压器（SST），或电子变压器（ET），是一种新型的变压器，通过电力电子技术实现电力系统电压变换。电力电子变压器主要由电力电子转换器和高频变压器组成。高频变压器的作用是提供电气隔离和电压等级变换，电力电子转换器的作用是实现波形控制，例如：频率控制、相位控制、谐波控制等，电力电子变压器可以用于交流电源转换，同时也可用于直流电源转换或ac / dc混合动力转换。因此，根据电能转换的形式，电力电子变压器可分为三种类型：AC电力电子变压器（AC - PET），直流电力电子变压器（DC - PET）和AC / DC混合电力电子变压器（Hybrid- PET）[3]。
图1显示了电力电子变压器结构的原理。它的工作原理是：当一侧接收功率，电力电子变换器1将输入电变换成高频交流电（ac）；高频交流电输入与高频变换器连接的绕组，根据电磁感应定律，绕组中的交变电流在高频变压器的二次侧绕组产生感应电动势，感应电动势作用于与二次绕组相连的电力电子转换器2，将电能转化为所需要的电力形式输出，最后向负载供电。
图1 电力电子变压器原理图
PET的拓扑结构
利用电力电子变换器的不同结构，研究人员提出了多种用于交流（AC）的PET拓扑结构。按照是否存在中间直流环节，电力电子变换（PET）实现方案可以归结为两种类型：一是没有直流环节转换的过程，即直接AC / AC变换。另一种存在直流环节的转换过程，即AC / DC / AC变换[4]，如图2所示。本文主要介绍了AC / DC混合电力电子变压器即AC / DC / AC型电力电子变压器。
图2是包含直流环节的三相PET电路结构的代表性图形。这是一个双直流的结构，它的工作过程是：工频交流电输入三相整流变换为直流，然后通过一个单相全桥逆变电路将电流变成高频电信号，通过高频变压器耦合到二次侧，高频电信号在二次侧整流成直流电压，然后再转化成交流输出。
图2 AC/DC/AC型电力电子变压器拓扑结构
该结构可以实现输入功率因数校正，可以抑制谐波的双向流动。该方案采用整体式转换结构，结构简单，功率器件数相对较少。该结构适用于低电压应用，在配电网络中使用，提供高质量的电能。如果你想在高电压等级情况下使用它，就需要使用高压电力电子器件并且需要更多的环节，相应的结构会变得复杂，设计将会更加困难。
仿真分析
本文的仿真模拟基于电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD。PSCAD / EMTDC是电力系统分析的专业仿真软件，PSCAD（Power systems, Computer Aided Design）模拟用户接口，EMTDC（Electromagnetic Transient Direct Current）是一个模拟引擎的核心部分。
本文基于PSCAD软件，对三相电力电子变压器建模并且仿真，包括控制性能检查和电力电子变压器提高电能质量特点的验证，仿真主要针对熟悉的配电网络在电力系统中的电能质量问题：（1）稳态运行；（2）负载波动；（3）谐波；（4）三相短路。
仿真模型和仿真模型和主要参数参数
仿真模型和仿真模型和主要参数设置如图3所示：
输入级整流器连接网络侧三相交流电压有效值为10 kV，频率为50 Hz，交流滤波器电感13 mh，直流5600mu;F，调制比0.816，开关频率4950Hz。输出直流电压20kV。中级逆变电路输出电压幅值20 kV，频率为1000Hz；中间级的高频变压器容量是1 MVA，变压器变比是20：1，变压器频率1000Hz；中间级整流电路电压振幅值1 kV、1000Hz，输出直流电压1 kV。输出级逆变器链接交流滤波器电感0.5 mH，直流容量5600mu;F，调制比0.825，开关频率4950Hz，三相交流输出电压有效值是0.4 kV。
图3 三相电力电子变压器仿真模型图
控制方法
由于传统的功率二极管或晶闸管整流电路存在许多缺陷，并且整流过程中会产生无功功率谐波，极大地污染了电网电能质量，使电能质量恶化[5、6]。因此，国内研究者们一直在寻找一种有效的解决方案，近年来随着电力电子变换器技术的进步，功率半导体开关器件技术和计算机控制技术不断发展，出现了一个新的转换器——PWM变换器，它结合了脉冲宽度调制（PWM）控制技术和电力电子变换器技术。PWM整流电路解决了不可控整流电路和相位控制的整流电路的缺点，PWM整流器不仅不会影响电网侧电能质量，还是目前许多整流技术的首选，所以本文使用PWM整流器作为电力电子变压器的整流器。
输入级控制过程是：首先，网络侧三相电流和电压经过d-q变换分别与各自的参考值比较，其差异通过PI调节器相加，网侧电压信号与耦合信号相加，将计算出的电压信号转换到d-q坐标系，将三相电压信号的增益输入PWM发生器，使其发出脉冲驱动IGBT的通断。
输出级控制过程是：首先，负载的三相电压瞬时值转换到d-q坐标系，然后减去各自的参考值，两者的差值经过PI调节器然后通过d-q变换，最后得到调制电压信号，该信号与载波信号共同作用，将会触发脉冲驱动IGBT的通断。
稳态运行模拟
如图4所示，是电力电子变压器在稳定的状态时单相电流电压波形图。在仿真的过程中，负载的有功功率是500kW，无功功率是400kVar，电力电子变压器负载侧超前电流38.62°。但模拟电网侧的三相电压和电流波形如图4（a）所示相位仍然相同，功率因数接近1，由PWM平滑地控制调节功率因数，有效抑制负载侧无功功率对电网的影响，并阻止无功功率在电网中传播，极大地减少电压损失。图4（b）是中间级高频变压器两侧电压的方波波形。图4（d）（e）是电力电子变压器一、二次侧的直流电压。
图4（a） 电网侧电流电压波形
图4（b） 中间级高频变压器电压两侧的波形
图4（c）二次侧输出电力电压波形
图4（d）一次侧直流电压波形
图4（e）二次侧直流电压波形
负载波动模拟
图5（a）是PET低压侧负荷变化时的图像。仿真开始时，负载有功功率是500kW，无功功率是400kVar。运行至0.5 s有功功率从500kW突变到600kW，无功功率从400kVar增加到450kVar，运行到0.6秒有功功率又回到500kVar，无功功率是400kVar。图5（c）是PET二次侧电流电压的波形图。图5（b）是一次侧电流电压波形图，可以看出，负载波动对一次侧参数没有任何影响。
图5（a） PET低压侧负荷变化的情况
图5（b） 一次侧电流电压波形图
图5（c） PET二次侧电流电压的波形图
谐波模拟
图6为负载端电压包含谐波的情况（将谐波源添加到负载端）。从图中可以看出，负载端电压包含谐波时，电网侧电压仍然是标准的正弦波电压，不受负载端影响。
图6 负载侧有电压谐波扰动
三相短路模拟
图7为系统运行时到0.5s时，负荷侧发生三相对称接地短路故障时（短路持续0.05秒）。由图可以看出，当负载侧三相短路接地，三相电压降低为0，故障切除后约0.1s电压恢复正常，但在整个生产过程中电网侧电压没有改变。
图7 负载侧三相接地短路
总结
仿真的结果表明，电力电子变压器不仅具有传统变压器的基本功能，由于其连接交流和直流，因此PET还可以调节电能质量，例如，电力电子变压器输出级由一系列的交流电压控制，即使二次侧负荷波动，二次侧任然可以维持一个恒定的输出电压；电力电子变压器可以抑制谐波，对称短路故障，这是PET最重要的特征，也是传统的变压器所没有的功能。
虽然电力电子变压器存在许多传统变压器不具备的优点，但它毕竟是一种新技术，目前的理论还不够完善，需要进一步的研究。因此，未来电力电子变压器的研究需要很长一段时间。
参考文献
[1] Transformer manufacturing series editor committee(ed. ), 1998. Transformer winding manufacturing process. Beijing: Mechanical industry press.
[2] Jianfeng, Zhao. 2003. The output voltage constant simulation of power electronic transformer. Automation of electric power systems0327(18): 30-33.
[3] Chengxiong, Mao amp; Dan, Wang amp; Shu, Fan amp; Jiming, Lu (eds). 2010. Electronic power transformer. beijing: China electric power press.
[4] Manjrekar, M.D. amp; Kieferndorf, R. amp; Venkataramanan, G. 2000. Power Electronic Transformers for Utility Application. Conference Record of the 2000 IEEE Industry Application Conference: 2496-2502.
[5] Xiaopin, Xu. 2004. Three-phase PWM rectifier is studied. zhejiang: Zhejiang university.
[6] Feng, Jie. 2006. Three-phase PWM rectifier and its control. zhejiang: Zhejiang university.
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