电力电子变压器技术研究综述 张江

电力电子变压器技术研究综述张江

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。该文

在分析PET发展历史的基础上，对PET涉及的关键技术，尤其是PET的电路拓扑、控制保护技术、高频变压器优化设计技术、功率电路紧凑化设计技术、高压宽禁

带半导体在PET中的应用等进行了梳理和总结。最后对PET发展存在的关键制约

因素以及发展的趋势进行了总结和展望。

关键词：电力电子变压器；技术；分析

引言

电力电子变压器旨在代替传统电力变压器，实现电压变换、电能控制、无功

补偿和不间断电源等智能化功能，使配电网结构更加精简，运行更加高效。

1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。

2PET的控制保护技术

2.1PET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（如CHB、MMC和NPC），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（zero voltage switching，ZVS）或者

零电流开关（zero current switching，ZCS），以减小器件开关损耗，提高开关频率。

三级型PET中的矩阵变换器的调制通常用开关函数矩阵来描述，所采用的方

法包括直接变换法、间接变换法以及电流控制方法等。矩阵变换器还需考虑在换

流时双向开关器件之间不能有死区和交叠等因素的限制，否则易导致开关器件损坏。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。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。分析LLC谐振型DC-DC变换器的软开关控制技术，并指出由于6.5kVIGBT有较厚的N-层和低掺杂浓度，开关过程的换流时间较长，影响了开关频率的提高，设计合理的励磁电抗可以提

高开关频率、减小损耗。在此基础之上，进一步针对6.5kVIGBT器件的开关特性

进行分析，认为IGBT的关断电流、结温、载流子寿命控制等对软开关性能及损耗有着重要影响。

2.2PET的控制技术

2.2.1PET内部均衡控制策略

针对PET内部电压与功率均衡控制问题提出一种用于单相五级CHB型PET的

共占空比电压均衡控制方法，可实现各DAB直流电压均衡控制。针对五级型PET

的隔离级DC-DC变换器的功率平衡问题，考虑高频变压器参数差异的情况下，提

出一种基于平均功率反馈控制策略，实现各级DAB功率均分。通过分析PET中CHB电容电压波动非线性特性，提出一种电容电压波动抑制方法以降低电容储能

需求。提出一种PET高压输入级的相间和相内直流侧平衡控制方法，以及隔离级

的并联DAB均流控制方法，可实现高压侧级联子模块串联均压和隔离级并联子模

块均流控制。

2.2.2PET端口电压/电流/功率控制策略

针对PET端口的电压和功率实时控制问题，一种基于三相静止坐标系下的集

成直流电压、交流侧有功与无功功率的闭环控制策略。文基于PET在微电网并网

运行中的下垂控制，可提高微电网运行模式切换时的稳定性。基于PET的直流微

网潮流控制及能量管理策略的研究。一种具有同步电机特性的PET拓扑，不仅具

备配电网电压/频率的调节能力，还能够治理电网谐波，降低并网电流的THD。适用于PET分层分布式控制保护的硬件平台及软件架构。将三相五级CHB型PET拓

扑的高压侧CHB采用角形连接方式，将各相隔离级独立连接或者交错连接，并比

较了两种连接方式带不平衡负载的抑制能力，提出针对交错式连接的全工况自动

平衡策略。针对多端口PET的功率协调控制策略，以实现各端口功率解耦控制。

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，开展了PET在过流、过压条件下的控制与保护策略研究。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。

结语