#科普园地#电力电子变压器及其发展综述Summary of Development of Power Electronic Transformer潘诗锋,赵剑锋(东南大学电气系,江苏南京210096)摘要:介绍了电力电子变压器的优点、工作原理、目前研究状况。
指出了用电力电子变压器解决电能质量问题是今后的发展趋势,拓宽了电力电子变压器的应用场合,使得其不但可以使用在对能量转换装置的体积、重量有特殊要求的场合,如航海、航空、航天等领域,还可以为电能质量敏感负荷供电。
它是建设/绿色电网0/数字电网0的关键设备之一,对其进行研制和使用可取得巨大的经济和社会效益。
关键词:电力电子变压器;电能质量;绿色电网;数字电网中图分类号:TM41文献标识码:E文章编号:1009-0665(2003)06-0052-03收稿日期: 2003-06-28传统的电力变压器具有制作工艺简单、可靠性高等优点,在电网中得到广泛应用。
但是,它的缺点也十分明显,如体积、重量、空载损耗大;过载时易导致输出电压下降、产生谐波;负载侧发生故障时,不能隔离故障,从而导致故障扩大;带非线性负荷时,畸变电流通过变压器耦合进入电网,造成对电网的污染;电源侧电压受到干扰时,又会传递到负载侧,导致对敏感负荷的影响;使用绝缘油造成环境污染;需要配套的保护设备对其进行保护[1]。
作为一种新型的能量转换设备,与传统的变压器相比,电力电子变压器具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点。
它是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体的电力系统前沿研究课题,通过电力电子器件和电力电子变流技术,对能量进行转换与控制,以替代传统的电力变压器。
研究电力电子变压器的初衷是为了降低传统变压器的体积和重量。
因为,变压器的体积和重量与它的运行频率成反比,借助于电力电子技术提高其变换频率,就可减小体积和重量。
美国海军于20世纪70年代末至80年代初,首先对其进行了研究[2],美国电科院于1995年也进行了相关研究[3]。
以上2个项目研究,试验样机都不实用,因为它们采用的是降压型变换器(Buck),不能很好地抑制输入的谐波电流,而且变压器输入和输出是不隔离的[1]。
20世纪90年代末,美国密苏里大学在ABB和爱默生公司资助下对电力电子变压器进行了研究,完成了10 kV A,7 200 V/240 V的实验样机,但仅实现了基本的电压变换功能和对输入的功率因数控制。
另外,设计时为减小对开关器件的应力,输入采用多个变流器串联工作,使系统的可靠性大大降低,当其中任意一个器件出现故障都会导致工作异常。
美国威斯康星)麦迪逊大学与ABB公司合作,德克萨斯农机大学也于20世纪90年代末对电力电子变压器进行了研究[4,5],但以上工作只对其电压变换的功能进行了分析和研究。
目前,国际上对电力电子变压器的研究处于初级阶段,还有许多相关的理论和实际问题需要研究。
要达到实用化,功能上还需进一步完善。
国内还未见到进行相关研究的报道。
1 工作原理电力电子变压器主要由初、次级功率变换器以及联系二者之间的高频变压器组成。
从电力电子变压器的输入输出特性看,相当于交/交变换。
其基本工作原理为输入的工频电压经过原边变换器调制为高频交流电压,通过高频变压器耦合至副边,再通过副边的功率变换器将其转换为所要求的电压。
图1为单相电力电子变压器原理示意。
图1中所有的开关都为双向开关,即由两个IGBT和二极管相对连接,可以使电流双向流动。
原边开关SW1、SW2、SW3、SW4和副边开关SW1c、SW2c、SW3c、SW4c分别工作在同步状态。
在高频变压器原边换流开关SW1、SW2、SW3和SW4的交替导通下,工频交流电被调制成高频电压,该高频电压经过变压器耦合到副边,再经过副边换流开关SW1c和SW2c以及SW3c和SW4c交替导通换流之后,还原成工频的交流电。
图2为高频变压器原边的电压仿真波形。
3 研究现状目前,国际上对电力电子变压器的研究总体上处于起步阶段,已有的文献报道也仅仅完成了小功率的实验样机[1~5]。
图3为目前文献中出现的几种电力电子变压器主电路结构。
52 2003年11月江苏电机工程Jiangsu Electrical Engineering 第22卷第6期图1 单相电力电子变压器原理示意图2 高频变压器原边电压波形图3(a)由24个开关管、二极管和高频变压器组成,电路复杂、损耗较大。
另外,为了避免两相之间有短时短路,其控制策略也较复杂。
文献[5]中提出的一种四步开关控制策略能够避免相间短路的出现,但算法较复杂。
图3(b)所示的主电路由3个输入电感、三相PWM变换器、桥式逆变器、高频变压器、桥式整流器、三相逆变器及2个直流电容组成。
其工作原理为:工频交流电经过三相PWM变换器变换为直流,直流电压经过桥式逆变器变换为高频交流电压输入到变压器原边,然后耦合到高频变压器副边、经过一个全桥整流器变为直流电压、再通过三相逆变器输出三相交流电压。
这种结构的电力电子变压器与图3(a)所示的主电路相比减少了4个功率管,可实现交流侧功率因数为1的控制,但经过的变换环节太多,损耗较大。
图3(c)为采用反激型变换器的电力电子变压器。
该结构设计的出发点是基于ac-ac直接变换的思想,避免过多的中间阶段,使结构简化,从图中也可看出,整个装置的开关器件只有6个,大大少于前面两种结构。
其开关控制采用PWM控制策略,当工作于一定的占空比D时,输出电压和输入电压的关系式为:Vo=D1-DVi(1)其工作原理为:当开关断开时,电源对电感和电容充电,能量存储于电感和电容中;当开关导通时,电感向变压器原边绕组放电,能量高度耦合到副边绕组,对副边电容充电,同时对负载供电;当开关断开时,副边的电容也继续对负载供电。
该电路的另一个特点是电源侧的电感和电容组成了LC滤波器,适当的设计可以滤除电源侧的电压谐波,能在一定程度上解决电能质量的问题。
但是这种结构不能用于大功率的场合。
图3 电力电子变压器主电路结构示意4 发展趋势及关键问题对电力电子变压器进行研究的一个重要趋势是通过电力电子变压器解决电能质量问题,即电力电子变压器既具备传统变压器的功能,如电能传输、隔离、变换等,又具有抑制谐波双向流动、防止负载侧出现故障影响电源电压、输出电压可以有直流分量、消除电压跌落、升高,以及过电压、欠电压等电源侧电压的干扰对53潘诗锋等:电力电子变压器及其发展综述负荷的影响,对各种电量进行监测、显示、分析处理来判断各种异常情况对其自身和系统进行保护,并给出报警信号和故障类型等优点。
目前,电能质量问题造成的经济损失巨大,据估计每一次电能质量问题使生产流水线中断或重新启动可能造成平均30万~100万美元的损失[6]。
美国每年由于电能质量问题造成200亿美元的损失[7]。
然而,系统即使按最大可靠性设计也无法避免电能质量问题的发生。
采用电力电子变压器来解决电能质量问题有最佳的性能价格比。
因为,其他任何一种方法除了需要补偿设备外,还要配备与负荷等容量的传统变压器和相应的保护设备。
相当于把传统变压器及其配套的监测、保护设备和配电型静止同步补偿器、动态电压恢复器、电力有源滤波器、综合电能质量调节器等电能质量补偿装置的功能合二为一,可大大降低成本。
目前,基于/用户电力技术0的补偿设备还没有得到广泛地应用,其主要原因就是成本问题,而使用电力电子变压器,可有效地解决这对矛盾。
使得电力电子变压器不但可以使用在对能量转换装置的体积、重量有特殊要求的场合,如航海、航空、航天等领域,也可为电能质量敏感负荷供电,如造纸厂、纺织厂、挤塑机、生产精密机械的汽车零件制造、大型泵体锻造企业以及半导体制造业、银行、电信、军事、医疗、化工领域等。
针对以上发展趋势,需要对以下两方面深入研究:(1)对适合于电力电子变压器的各种电路拓扑进行深入研究。
因为,为了使电力电子变压器早日应用,应当从提高可靠性、降低损耗着手。
而目前所使用的电路结构复杂、可靠性低、损耗大。
(2)对电力电子变压器控制策略加以研究,得出能同时完成能量转换和解决电能质量的问题功能的控制策略,即如何将电能传输、隔离、变换、保护和改善电能质量问题的功能合而为一。
5 结论及展望电力电子变压器具有广阔的使用前景,一方面,可以使用在对能量转换装置的体积、重量有特殊要求的场合,如航海、航空、航天等领域;另一方面,可以为电能质量敏感负荷供电,如造纸厂、纺织厂、挤塑机、生产精密机械的汽车零件制造、大型泵体锻造企业以及半导体制造业、银行、电信、军事、医疗、化工领域等。
因此,电力电子变压器是建设/绿色电网0/数字电网0的关键设备之一,对其进行研制和使用可以取得巨大的经济和社会效益。
正如开关电源已受到广泛应用一样,随着技术的成熟,电力电子器件性能的提高、成本的降低,在5~10年内电力电子变压器必将在多个领域内得到极为广泛的应用。
参考文献:[1] Ronan E R,Sudhoff S D,Glover S F,Galloway D L.Application of Power Electronics to the Distribution Transformer[J].IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,2000,(2):861-867. [2] Brooks J L.Solid State Transformer Concept Development[M]. Naval Material Command,civil Engineering Laboratory,Naval con- struction Battalion Ctr.,Port Hueneme,CA,1980[3] EPRI TR-105067.Proof of the Principle of the Solid-State Trans- former the AC/AC Switch Mode Regulator[M].San Jose State Un-i versity,prepared for Electrical Power Research Institute,Final Re- port,Aug.1995.[4] Manjrekar M D,Kieferndorf R,V enkataramanan G.Power Electronic Transformers for Utility Applications[J].IEEE Industry ApplicationsConference,2000,(4):2496-2502.[5] Moonshilk Kang,Prasad N Enjeti,Ira J Pitel.Analysis and design ofElectronic Transformers for Electric Power Distribution System[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1999,(14):1133-1141.[6] Zbigniew Wolanski,Boon Teck Ooi.Conceptual Study of a ShuntPower Quality Compensator[J].IEEE Transactions on Power Deliv-ery,1996,(11):1059-1064.[7] Brumsickle W E,Schneider R S,Luckjiff G A,Divan D M,Mc-Granaghan,M F,Dynamic Sag Correctors:Cost-Effective IndustrialPower Line Conditioning[J].IEEE Transactions on Industry Appl-ications,Jan/Feb,2001,(371):212-217.作者简介:潘诗锋(1980-),男,江苏南京人,硕士研究生,主要从事电力电子技术在电力系统中的应用的研究;赵剑锋(1972-),男,浙江临海人,副教授,博士,主要从事电力电子技术在电力系统中的应用和电能质量问题的研究。