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#科普園地# 電力電子變壓器及其發(fā)展綜述 Summary of Development of Power Electronic Transformer 潘詩鋒,趙劍鋒 (東南大學電氣系,江蘇南京210096) 摘 要:介紹了電力電子變壓器的優(yōu)點、工作原理、目前研究狀況。指出了用電力電子變壓器解決電能質(zhì)量問題是今后 的發(fā)展趨勢,拓寬了電力電子變壓器的應用場合,使得其不但可以使用在對能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、重量有特殊要求的場 合,如航海、航空、航天等領(lǐng)域,還可以為電能質(zhì)量敏感負荷供電。它是建設(shè)/綠色電網(wǎng)0/數(shù)字電網(wǎng)0的關(guān)鍵設(shè)備之一,對 其進行研制和使用可取得巨大的經(jīng)濟和社會效益。 關(guān)鍵詞:電力電子變壓器;電能質(zhì)量;綠色電網(wǎng);數(shù)字電網(wǎng) 中圖分類號:TM41文獻標識碼:E文章編號:1009-0665(2003)06-0052-03 收稿日期: 2003-06-28 傳統(tǒng)的電力變壓器具有制作工藝簡單、可靠性高 等優(yōu)點,在電網(wǎng)中得到廣泛應用。但是,它的缺點也十 分明顯,如體積、重量、空載損耗大;過載時易導致輸出 電壓下降、產(chǎn)生諧波;負載側(cè)發(fā)生故障時,不能隔離故 障,從而導致故障擴大;帶非線性負荷時,畸變電流通 過變壓器耦合進入電網(wǎng),造成對電網(wǎng)的污染;電源側(cè)電 壓受到干擾時,又會傳遞到負載側(cè),導致對敏感負荷的 影響;使用絕緣油造成環(huán)境污染;需要配套的保護設(shè)備 對其進行保護[1]。 作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,與傳統(tǒng)的變壓器 相比,電力電子變壓器具有體積小、重量輕、空載損耗 小、不需要絕緣油等優(yōu)點。它是集電力電子、電力系 統(tǒng)、計算機、數(shù)字信號處理以及自動控制理論等領(lǐng)域為 一體的電力系統(tǒng)前沿研究課題,通過電力電子器件和 電力電子變流技術(shù),對能量進行轉(zhuǎn)換與控制,以替代傳 統(tǒng)的電力變壓器。 研究電力電子變壓器的初衷是為了降低傳統(tǒng)變壓 器的體積和重量。因為,變壓器的體積和重量與它的運 行頻率成反比,借助于電力電子技術(shù)提高其變換頻率, 就可減小體積和重量。美國海軍于20世紀70年代末 至80年代初,首先對其進行了研究[2],美國電科院于 1995年也進行了相關(guān)研究[3]。以上2個項目研究,試驗 樣機都不實用,因為它們采用的是降壓型變換器 (Buck),不能很好地抑制輸入的諧波電流,而且變壓器 輸入和輸出是不隔離的[1]。20世紀90年代末,美國密 蘇里大學在ABB和愛默生公司資助下對電力電子變壓 器進行了研究,完成了10 kVA,7 200 V/240 V的實驗 樣機,但僅實現(xiàn)了基本的電壓變換功能和對輸入的功率 因數(shù)控制。另外,設(shè)計時為減小對開關(guān)器件的應力,輸 入采用多個變流器串聯(lián)工作,使系統(tǒng)的可靠性大大降 低,當其中任意一個器件出現(xiàn)故障都會導致工作異常。 美國威斯康星)麥迪遜大學與ABB公司合作,德克薩 斯農(nóng)機大學也于20世紀90年代末對電力電子變壓器 進行了研究[4,5],但以上工作只對其電壓變換的功能進 行了分析和研究。目前,國際上對電力電子變壓器的研 究處于初級階段,還有許多相關(guān)的理論和實際問題需要 研究。要達到實用化,功能上還需進一步完善。國內(nèi)還 未見到進行相關(guān)研究的報道。 1 工作原理 電力電子變壓器主要由初、次級功率變換器以及 聯(lián)系二者之間的高頻變壓器組成。從電力電子變壓器 的輸入輸出特性看,相當于交/交變換。其基本工作原 理為輸入的工頻電壓經(jīng)過原邊變換器調(diào)制為高頻交流 電壓,通過高頻變壓器耦合至副邊,再通過副邊的功率 變換器將其轉(zhuǎn)換為所要求的電壓。 圖1為單相電力電子變壓器原理示意。圖1中所 有的開關(guān)都為雙向開關(guān),即由兩個IGBT和二極管相 對連接,可以使電流雙向流動。原邊開關(guān)SW1、SW2、 SW3、SW4和副邊開關(guān)SW1c、SW2c、SW3c、SW4c分別 工作在同步狀態(tài)。在高頻變壓器原邊換流開關(guān)SW1、 SW2、SW3和SW4的交替導通下,工頻交流電被調(diào)制 成高頻電壓,該高頻電壓經(jīng)過變壓器耦合到副邊,再經(jīng) 過副邊換流開關(guān)SW1c和SW2c以及SW3c和SW4c交替 導通換流之后,還原成工頻的交流電。 圖2為高頻變壓器原邊的電壓仿真波形。 3 研究現(xiàn)狀 目前,國際上對電力電子變壓器的研究總體上處 于起步階段,已有的文獻報道也僅僅完成了小功率的 實驗樣機[1~5]。圖3為目前文獻中出現(xiàn)的幾種電力電 子變壓器主電路結(jié)構(gòu)。 52 2003年11月 江 蘇 電 機 工 程Jiangsu Electrical Engineering 第22卷第6期 圖1 單相電力電子變壓器原理示意 圖2 高頻變壓器原邊電壓波形 圖3(a)由24個開關(guān)管、二極管和高頻變壓器組 成,電路復雜、損耗較大。另外,為了避免兩相之間有 短時短路,其控制策略也較復雜。文獻[5]中提出的一 種四步開關(guān)控制策略能夠避免相間短路的出現(xiàn),但算 法較復雜。 圖3(b)所示的主電路由3個輸入電感、三相 PWM變換器、橋式逆變器、高頻變壓器、橋式整流器、 三相逆變器及2個直流電容組成。其工作原理為:工 頻交流電經(jīng)過三相PWM變換器變換為直流,直流電 壓經(jīng)過橋式逆變器變換為高頻交流電壓輸入到變壓器 原邊,然后耦合到高頻變壓器副邊、經(jīng)過一個全橋整流 器變?yōu)橹绷麟妷?、再通過三相逆變器輸出三相交流電 壓。這種結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器與圖3(a)所示的主 電路相比減少了4個功率管,可實現(xiàn)交流側(cè)功率因數(shù) 為1的控制,但經(jīng)過的變換環(huán)節(jié)太多,損耗較大。 圖3(c)為采用反激型變換器的電力電子變壓器。 該結(jié)構(gòu)設(shè)計的出發(fā)點是基于ac-ac直接變換的思想,避 免過多的中間階段,使結(jié)構(gòu)簡化,從圖中也可看出,整 個裝置的開關(guān)器件只有6個,大大少于前面兩種結(jié)構(gòu)。 其開關(guān)控制采用PWM控制策略,當工作于一定的占 空比D時,輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系式為: Vo=D1-DVi(1) 其工作原理為:當開關(guān)斷開時,電源對電感和電容 充電,能量存儲于電感和電容中;當開關(guān)導通時,電感 向變壓器原邊繞組放電,能量高度耦合到副邊繞組,對 副邊電容充電,同時對負載供電;當開關(guān)斷開時,副邊 的電容也繼續(xù)對負載供電。該電路的另一個特點是電 源側(cè)的電感和電容組成了LC濾波器,適當?shù)脑O(shè)計可 以濾除電源側(cè)的電壓諧波,能在一定程度上解決電能 質(zhì)量的問題。但是這種結(jié)構(gòu)不能用于大功率的場合。 圖3 電力電子變壓器主電路結(jié)構(gòu)示意 4 發(fā)展趨勢及關(guān)鍵問題 對電力電子變壓器進行研究的一個重要趨勢是通 過電力電子變壓器解決電能質(zhì)量問題,即電力電子變 壓器既具備傳統(tǒng)變壓器的功能,如電能傳輸、隔離、變 換等,又具有抑制諧波雙向流動、防止負載側(cè)出現(xiàn)故障 影響電源電壓、輸出電壓可以有直流分量、消除電壓跌 落、升高,以及過電壓、欠電壓等電源側(cè)電壓的干擾對 53潘詩鋒等:電力電子變壓器及其發(fā)展綜述負荷的影響,對各種電量進行監(jiān)測、顯示、分析處理來 判斷各種異常情況對其自身和系統(tǒng)進行保護,并給出 報警信號和故障類型等優(yōu)點。 目前,電能質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟損失巨大,據(jù)估計 每一次電能質(zhì)量問題使生產(chǎn)流水線中斷或重新啟動可 能造成平均30萬~100萬美元的損失[6]。美國每年 由于電能質(zhì)量問題造成200億美元的損失[7]。然而, 系統(tǒng)即使按最大可靠性設(shè)計也無法避免電能質(zhì)量問題 的發(fā)生。采用電力電子變壓器來解決電能質(zhì)量問題有 最佳的性能價格比。因為,其他任何一種方法除了需 要補償設(shè)備外,還要配備與負荷等容量的傳統(tǒng)變壓器 和相應的保護設(shè)備。相當于把傳統(tǒng)變壓器及其配套的 監(jiān)測、保護設(shè)備和配電型靜止同步補償器、動態(tài)電壓恢 復器、電力有源濾波器、綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等電能質(zhì) 量補償裝置的功能合二為一,可大大降低成本。目前, 基于/用戶電力技術(shù)0的補償設(shè)備還沒有得到廣泛地應 用,其主要原因就是成本問題,而使用電力電子變壓 器,可有效地解決這對矛盾。使得電力電子變壓器不 但可以使用在對能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、重量有特殊要 求的場合,如航海、航空、航天等領(lǐng)域,也可為電能質(zhì)量 敏感負荷供電,如造紙廠、紡織廠、擠塑機、生產(chǎn)精密機 械的汽車零件制造、大型泵體鍛造企業(yè)以及半導體制 造業(yè)、銀行、電信、軍事、醫(yī)療、化工領(lǐng)域等。 針對以上發(fā)展趨勢,需要對以下兩方面深入研究: (1)對適合于電力電子變壓器的各種電路拓撲進 行深入研究。因為,為了使電力電子變壓器早日應用, 應當從提高可靠性、降低損耗著手。而目前所使用的 電路結(jié)構(gòu)復雜、可靠性低、損耗大。 (2)對電力電子變壓器控制策略加以研究,得出 能同時完成能量轉(zhuǎn)換和解決電能質(zhì)量的問題功能的控 制策略,即如何將電能傳輸、隔離、變換、保護和改善電 能質(zhì)量問題的功能合而為一。 5 結(jié)論及展望 電力電子變壓器具有廣闊的使用前景,一方面,可 以使用在對能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、重量有特殊要求的 場合,如航海、航空、航天等領(lǐng)域;另一方面,可以為電 能質(zhì)量敏感負荷供電,如造紙廠、紡織廠、擠塑機、生產(chǎn) 精密機械的汽車零件制造、大型泵體鍛造企業(yè)以及半 導體制造業(yè)、銀行、電信、軍事、醫(yī)療、化工領(lǐng)域等。因 此,電力電子變壓器是建設(shè)/綠色電網(wǎng)0/數(shù)字電網(wǎng)0的 關(guān)鍵設(shè)備之一,對其進行研制和使用可以取得巨大的 經(jīng)濟和社會效益。 正如開關(guān)電源已受到廣泛應用一樣,隨著技術(shù)的 成熟,電力電子器件性能的提高、成本的降低,在5~ 10年內(nèi)電力電子變壓器必將在多個領(lǐng)域內(nèi)得到極為 廣泛的應用。 參考文獻: [1] Ronan E R,Sudhoff S D,Glover S F,Galloway D L.Application of Power Electronics to the Distribution 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