作者简介：晏阳(1988- )，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。
电力电子变压器理论研究综述摘 要：介绍了目前国内外电力电子变压器的研究概况，对电力电子变压器发展过程中出现的斩控式电力电子变压器、交-交-交型电力电子变压器、反激型电力电子变压器、双PWM 变换型电力电子变压器几种典型的设计构想进行了梳理，并且给出了相应的主电路拓扑。
通过分析电力电子技术在电力电子变压器研究领域的相关理论及其应用，阐述各种拓扑的优缺点，并给出了主要的研究方向和发展趋势。
关键词：电力电子变压器；电力电子技术；电能质量中图分类号：TM401+.1 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2012)03-0005-04晏阳(东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)Abstract: Introduction was made to the present research survey of power electronic transformers at home and abroad. This paper hackled several typical design schemes such as chop-controlled power electronic transformer, AC-AC power electronic transformer, flyback power electronic transformer and double PWM power electronic transformer and gave the corresponding main circuit topolo-gy. Via analysis to the relevant theory and its application of power electronic technology in power electronic transformer field, this paper expatiated on advantages and disadvantages of various topologies and summarized the main research direction and developing trend of power electronic transformers.Key words: power electronic transformer; power electronic technology; quality of power supplyYAN Yang（School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China ）Research Summary of Power Electronic Transformer Theory0 引言电力电子变压器(power electronic trans-former，PET)，又称固态变压器(solid trans-former)，是一种通过电力电子技术实现电力系统电压变换和能量传递的新型变压器。
相对于传统变压器而言，电力电子变压器具有如下优点[1]：(1)体积小，重量轻，环境污染小；(2)运行时二次侧输出电压幅值恒定，不随负载变化，且平滑可调；(3)一次、二次侧电压为正弦波形，功率因数可调；(4)一次、二次侧电压、电流和功率均高度可控[2]；(5)本身具有断路器的功能，无需传统的变压器继电保护装置。
电力电子变压器是集电力电子、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，也是解决电能质量问题，建设“绿色电网”、“数字电网”的可行途径之一。
目前在国内外，都有很多相关的研究和开发。
在电力电子变压器的设计和研发中，大规模的电力电子器件以及相应的电力电子变流技术得到了广泛的应用。
本文总结电力电子变压器研究的发展历史及主要的电路拓扑，并分析各个拓扑的电路原理和应用情况。
1 国内外研究现状电力电子变压器起源于美国。
通用电气公司的W.McMurray于1970年在一份专利中首先提出了基于AC/AC变换电路的电力电子变压器[3]。
在随后的发展过程中，科研人员提出了传统AC/AC变换、buck 变换、AC/DC/AC变换等多个研究课题，并取得了一定成果。
目前，基于H桥级联的载波移相技术以及空间电压矢量调制技术被引入到该领域的研究中，这使得电力电子变压器投入实际应用成为可能。
在国内，2002年开始才有研究人员涉足这一领域。
其中东南大学曾于2003年完成了“智能型电力电子变压器及其在改善供电质量中的应用”这一国家自然基金项目。
近年来，华中科技大学也在电力电子变压器研究领域做了大量工作，提出了电力电子变压器与传统变压器的并联控制、自平衡电力电子变压器、带储能系统的电力电子变压器等创新观点。
2 电路拓扑及分析2.1 斩控式电力电子变压器美国于1995年制出第一台电力电子变压器实验样机，该电力电子变压器采用buck型主电路结构，其拓扑如图1所示[4]。
通过图1可以看出，根据实际需要，主电路在buck电路的基础上做了一定的修正和调整。
改进后的buck电路中有8个开关元件，通过更改电路的连接方式和控制方式，可以分别实现斩控式交流调压、相控式交流调压、单相桥式整流和单相交流调功等功能。
在主电路中，Q 1、Q 2为四个主控开关，Q 3、Q 4可作为续流开关使用，也可单独使用[5]。
在电力电子变压器应用中，主要是通过8个开关实现斩控式交流调压作用。
该拓扑结构中，在buck电路之后加装LC 滤波器以改善电能质量。
这是因为斩控式交流调压电路的输入、输出电压中都含有丰富的谐波，若这些谐波不加以控制就会对电网造成较大的谐波污染，同时还可能产生电磁干扰，影响周围的电子设备。
该电路采用不隔离buck型变换器,开关为交替导通的双向流动开关[6]，结构简单，容易实现电压调节。
然而在实验过程中发现，基于buck斩控式电路的电力电子变压器有一定缺陷：没有实现变频；没有电气隔离；不能抑制输入的电流谐波和调整功率因数；电路包含串联器件，每个开关都承受原边电压和输出副边电流,使得开关的驱动、绝缘和控制都变得困难[6]。
因此，buck型电力电子变压器不能真正用于输配电系统。
2.2 交-交-交型电力电子变压器基于直接AC/AC变换的方案，1999年美国德州A&M大学提出了一种变压器[6]，其单相基本结构如图2所示。
这一结构也成为早期电力电子变压器设计的典范之一。
可以看出，该电路由初级、次级两个功率变换电路和高频变压器构成，在两级功率变换电路中，每个桥臂由上、下两个背对背的功率器件连接，即由两个绝缘栅双极晶体管IGBT和二极管相对连接，使拓扑中所有开关均成为双向开关，这种连接方式可以实现电能双向流动。
这种早期电力电子变压器的工作原理为：工频信号先被变换为中频信号(600Hz～112kHz)后通过中频隔离变压器耦合到其副边中频信号，随后又被同步还原为工频信号。
将上述单相拓扑扩展到三相中实现为采用高频交流链的电力电子变压器，其主电路的拓扑如图3所示。
该类变压器的优点是：能实现电压的基本变换,结构简单,体积和重量均大幅下降。
同时相较于2.1节提到的buck型斩控式变压器，交-交-交型变压器在传输容量和效率方面都有所提高[7]。
图1 斩控式PET电路拓扑图2 单相AC/AC变压器拓扑但该方案也具有一些缺点：电压电流应力大；副边电压波形仅仅是对原边电压波形的还原；主电路由24个开关器件组成，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[2]。
参考文献[8]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。
这些缺陷限制了该种AC/AC变换结构在电力电子变压器中的应用和发展。
2.3 反激型电力电子变压器另一种基于直接AC/AC变换结构的电力电子变压器，是在buck-boost电路的基础上经过改进，采用反激型变换结构作为主电路。
其基本拓扑如图4所示。
该种设计思想避免过多的中间阶段，使结构简化，从图4中也可以看出，整个装置的开关器件只有6个，大大少于2.1节、2.2节所提到的两种结构。
该设计结构中的开关控制采用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=DVi/(1-D)。
反激型电力电子变压器的工作原理为：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。
图4中电感和电容构成了LC滤波器，适当的设计可以减小变换器对电源注入的谐波电流，也可以滤除电源侧的电压谐波，在一定程度上解决电能质量的问题。
此方案的优点是结构和控制简单，功率器件数少，成本低。
但由于工作过程中电流断续，会造成器件两端出现尖峰电压，且输出电压谐波较大，因此这种结构不能用于大功率的场合[2]。
同时，由于反激式变换电路主开关电压应力较大，难以应用于输入电压较高的场合；而且，反激变换电路的变压器要加气隙，所以漏感较大，会在变压器上产生很高的尖峰电压，从而进一步增加变压器上的电压应力，并使电磁干扰较为严重[9]。
2.4 双PWM变换型电力电子变压器前面三节阐述的电力电子变压器结构均基于AC/AC变换。
如果在拓扑中接入直流环节，可以更为有效地实现控制，这种方案称为AC/DC/AC变换。
在当下很多研究和设计中，AC/DC/AC变换方案成为了主要构想，很可能成为今后电力电子变压器应用于实际的主要趋势。
双PWM变换型电力电子变压器就是在AC/DC/AC 变换方案上建立起来的。
双PWM变换的基本思路是在变压器原边进行三相PWM整流变换，再将直流电压调制为高频电压，经高频变压器耦合到副边后，在副边进行高频整流，最后通过三相PWM逆变电路，得到三相工频交流电压[10]。
其基本设计思路如图5所示。
双PWM变换型电力电子变压器拓扑如图6所示，该图3 三相AC/AC电路拓扑图4 基于buck-boost的PET拓扑图5 PWM控制PET结构图V电路由电压型三相PWM整流电路、单相桥式逆变电路、高频电力变压器、单相桥式整流电路以及三相桥式逆变电路组成。
电路的工作过程为：在变压器的原边，将工频高压交流电通过三相电压型PWM 整流电路变为直流电，从而实现电网电流的相位控制，然后通过单相逆变电路将其逆变为高频单相交流电，经变压器耦合至副边，再经单相高频整流电路，将变压器副边的高频交流电变为直流电，最后经三相逆变电路和滤波电路，得到工频交流电。