配电网电力电子变压器技术综述

配电网电力电子变压器技术综述
发布时间：2021-11-19T01:24:30.434Z 来源：《当代电力文化》2021年6月18期作者：关坤琳李磊
[导读] 传统的电力变压器结构简单、运行可靠、经济性好
关坤琳李磊
国网吉林省电力有限公司榆树市供电公司，吉林榆树 130400
摘要：传统的电力变压器结构简单、运行可靠、经济性好，在长期运行实践中发挥了重要的作用。

但是，随着分布式电源的大量接入以及智能电网相关技术的应用推广，给传统电力变压器的应用方面带来挑战。

由于电力电子变压器(PET)在电能质量调节和谐波抑制等方面具有一定优势，PET的研究得到了大量关注。

由于目前对PET的研究多是在配电网的场景中，文中也主要讨论配电网PET相关技术。

关键词：配电网；电力电子变压器；拓扑结构；关键技术
引言
近年来，分布式电源在配电网的接入比例不断提升;分布式电源出力具有随机性和波动性，其大量接入给有源配电网的运行和调控带来了巨大的挑战。

随着半导体器件技术的不断发展，电力电子变换器广泛应用于中低压配网中。

其中电力电子变压器不仅具备传统变压器的电能传输、电气隔离作用，也可实现谐波、无功功率补偿以及精确、双向潮流调控功能。

电力电子变压器有效解决了分布式电源接入和控制问题。

而随着宽禁带器件技术的成熟，具有耐高压、高频，高效特性的碳化硅型器件将广泛应用于市场中。

碳化硅器件的应用将引领电力电子变压器迈向小型化、高效化发展，基于碳化硅型电力电子变压器具备取代传统工频变压器的潜力。

本文重点研究碳化硅型电力电子变压器的电路结构、数学模型和控制系统。

1电子电力变压器概述
电子功率转换技术和电磁感应是电子电力变压器的基本原理，将一种供电装置的能量特性(电流频率、振幅、电压等)转换为另一种供电装置。

相对于传统电力变压器电子电力变压器与在于引入了电子电力转换技术。

因此，电力电子变压器可以实现一次侧和二次侧电压的实时监测，使供电系统的电流、功率和电压监测更加方便。

功率电子变压器不光具备相同功能的传统，在这一基础上他们又增添新功能，满足了现代电力系统的稳定性，如改进、优化配置各种电源、控制饮食的质量改进和能量流。

2配电网电力电子变压器技术综述
2.1PET结构及基本控制方法
该拓扑可分为前级和后级两部分，前级是在MMC输入级结构的基础上，将隔离级的隔离DC/DC变换器与MMC子模块整合在一起，组成新型功率子模块，并将子模块的输出并联到一起，得到低压直流输出，连接输出级。

子模块输入仍采用传统MMC的级联结构。

介绍了适用于MMC结构的载波移相（CPS-SPWM）调制策略，给出了一种子模块电容电压平衡的控制策略，能够保证各子模块电容电压处于相同的范围，以及电压变化的一致性，并以此控制直流电压的稳定，完成功率的动态调节。

利用通用环流抑制策略，省去了相间解耦与负序坐标变换，实现简单，适用于任意级数的MMC拓扑。

DC/DC变换器将MMC功率单元的直流输出电压E调制成为高频交流，通过高频隔离变压器隔离后，经副边H桥同步解调，还原成低压直流电压Vd。

DC/DC变换器采用桥间移相控制策略，原副边电路均输出一个频率固定、占空比为50%的高频方波，但同一变换器中的前后两个全桥输出错开一定的相位角，以实现能量传输的大小、方向可调。

后级采用四桥臂PWM逆变器，将低压直流电，逆变为400V等级工频交流电。

四桥臂PWM逆变器采用传统双闭环控制，实现低压交直流配电网能量的双向传输。

2.2三级型含高低压直流环节类
三级型PET结构一般包括变换器、直流母线和高频变压器等几个主要部件。

交流经AC/DC电路变为直流，再经含高频变压器的DC/DC 电路改变直流电压，最后经DC/AC逆变并输出交流。

虽然这种结构相较于前面提到的AC/AC结构复杂，但其功能更多，调节范围更宽，因而是目前讨论最为广泛的PET拓扑。

由于三级型PET具有直流母线，例如光伏发电等直流电源可以直接通过PET接入系统，在实现交直流混联的同时进一步提高能力转换和利用效率。

然而在配电网中应用的PET高压侧需要承受至少6～10kV电压，受限于高压大功率半导体器件的耐压和绝缘水平及制造成本，高压侧整流AC/DC环节需要多个低压模块串联才可应用于较高电压等级，低压侧整流和逆变环节需要多个小电流模块并联才可适用于较大电流。

三级型PET拓扑又有三种典型结构，分别是级联H桥型(CHB)、模块化多电平变流器型(MMC)和中点钳位型(NPC)。

1)CHB型CHB型PET拓扑参见参考文献[21-22]，此类型拓扑模块化程度高、易于扩展且控制策略相对简单，受到学者们的普遍关注。

但该结构需要大量变流器和高频变压器，从而导致应用于配电网场景中的结构变复杂。

为简化系统结构，学者们对基于MMC型拓扑也进行了大量研究。

2)MMC型将该结构与CHB型结构相比较，简化了高频变压器结构，减少了所需晶闸管数目。

由于MMC型拓扑中包含直流母线、直流电源、直流负荷等元件可通过PET直接接入，减少了电能转换步骤，提高了转换效率。

但该拓扑需要较多支撑电容，高频变压器数目也较多，若改用多绕组的变压器，初级绕组的个数将会进一步降低。

2.3电子电力变压器在分布式并网供电中的应用
随着石油等资源的减少，可再生资源发挥的作用越来越大。

其中风能和光伏运用的越来越多，这些发电技术让供电系统获得了大量分布式能源。

这些能源容量小，电压或频率波动较大。

电源直接连接到电源系统，影响电源系统的稳定运行。

等分布式能源，风力发电、小水电、燃烧和太阳能电池在不同阶段需要输入电子变压器的功率输出，而中间绝缘及各阶段的电子结合大功率电力电子变压器一般配电系统中的能量。

2.4运行稳定性和可靠性问题
传统配电变压器经过长期运行实践，稳定性好、可靠性高，但PET应用于配电网需不断提高其稳定性和可靠性。

在配电网中应用的PET 普遍需要多个功率模块的串并联和级联，期间数目也会大大增加，这将考验整个变流系统的稳定性和可靠性。

解决该问题，可以从以下两个角度入手。

一是研发新材料新器件以提升PET稳定性，例如在PET中使用耐热耐压性更好的碳化硅器件可以显著提升整个变换系统的可靠性与稳定性。

二是采用冗余策略，当系统中某个环节出现故障，将由冗余元件或电路代替其工作以保证系统可靠稳定运行。

2.5电力电子变压器的应用可以有效降低故障率
在常规配电网中，经常会出现电压频繁变化、电压波动等故障。

在配电侧安装动态能量回收装置，可以在一定程度上保持电压的稳定。

动态功率恢复器通过在系统中增加补偿电压来消除干扰。

虽然能够稳定电压，但由于动态电压恢复器的电压调节是间歇性的，因此动
态电压恢复器的响应速度降低。

此外，由于其内部结构，传统的动态张力恢复器不仅具有重要的形式，而且具有很高的经济成本。

我们一般认为动态电压恢复器输入、绝缘和输出阶段是其的主要组成部分。

恢复器的输入级允许控制直流输入电压，主要功能是工业频率的三相PWM整流器。

在绝缘阶段，不仅可以转换绝缘，还可以转换直流电压。

结语
本文论述了电力电子变压器的电路结构，建立了电力电子变压器的模型，提出了适用于不平衡系统补偿的电力电子变压器的控制模型。

最后通过仿真验证了电力电子变压器的稳态、暂态性能。

电力电子变压器具有电能传输、潮流的精确调控，无功功率补偿，低电压穿越，电气和故障隔离作用。

随着电力电子器件成本的不断降低，电力电子变压器具备取代工频变的潜力。

参考文献
［1］王满商，李正明，汪洋．考虑电动汽车不确定性因素的配电网分布式电源优化布置［J］．电力系统保护与控制，2019，47(1):67－72．
［2］殷栢辉，江浩侠，陶飞达，等．基于场景分析的含分布式风电配电网无功配置研究［J］．电力电容器与无功补偿，2018，39(6):124－129．。