周永超，于 飛

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

0 引言

隨著目前電力設(shè)備智能化的不斷發(fā)展，電力設(shè)備對(duì)輸入電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，因此采用電力電子變換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能變換傳遞的新型變壓器——電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET），因其優(yōu)良的控制特性也得到了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。

相對(duì)于傳統(tǒng)變壓器而言，電力電子變壓器具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）體積小，重量輕，無(wú)環(huán)境污染；2）具有較好的電能質(zhì)量，且平滑可調(diào)；3）一次、二次側(cè)電壓、電流和功率均高度可控；4）運(yùn)行時(shí)可保持副方輸出電壓幅值恒定，不隨負(fù)載變化，且平滑可調(diào)。其靈活性和可控性使其在電網(wǎng)、航空、航天、航海、制造業(yè)、冶金等領(lǐng)域也能發(fā)揮重要作用[2]。

本文首先對(duì)已提出的PET的基本理論和實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析和論述，同時(shí)對(duì)已提出幾種大功率PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及常用的幾種控制策略進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 PET的基本原理

電力電子變壓器將電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的高頻電能變換技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓等級(jí)變換、能量傳輸、調(diào)節(jié)功率因數(shù)抑制諧波等功能。在結(jié)構(gòu)上，目前常用的電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)，主要包括輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí)三個(gè)部分，其中輸入級(jí)和輸出級(jí)主要由電力電子變換器和控制電路組成。

電力電子變壓器基本原理框圖如圖1所示，根據(jù)圖中所示，電子電力變壓器的工作原理為：當(dāng)交流電輸入PET時(shí)，首先經(jīng)過(guò)輸入端的電力電子變換器將輸入的低頻交流電變換成高頻交流電，而后傳輸?shù)礁哳l變壓器，高頻變壓器將高頻交流電進(jìn)行降壓，然后傳輸給輸出端的電力電子變換器，而后變換成所需的直流電以及交流電，向負(fù)載供電[5]。

圖1 電力電子變壓器基本原理框圖

對(duì)于電力電子變壓器來(lái)說(shuō)，只要改變高頻變壓器的變比或電力電子變換器控制器的占空比，便可達(dá)到改變電壓幅值的目的。并且通過(guò)對(duì)電力電子變換器參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可改變電能的頻率、初相角和波形，從而可以在輸出端得到所需要的電能。與單純利用電磁感應(yīng)原理工作的常規(guī)變壓器相比，電力電子變壓器不但具有變壓功能，而且還具有變頻、變相等功能。

2 PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 普通的PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于電力電子變壓器來(lái)說(shuō)，半橋或全橋結(jié)構(gòu)是拓?fù)渲凶罨镜慕Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，列舉了三個(gè)常用的全橋半橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制也比較容易，也容易實(shí)現(xiàn)模塊化，是最常用的單相或多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并且可以通過(guò)級(jí)聯(lián)或者并聯(lián)的方式，設(shè)計(jì)出很多新型的適用于不同場(chǎng)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 半橋結(jié)構(gòu)與全橋結(jié)構(gòu)

如圖3所示，直接交交變換的電力電子變壓器實(shí)現(xiàn)方案[3]，由于直接采取了DC/DC變換，中間無(wú)直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且使用的功率開(kāi)關(guān)器件數(shù)相對(duì)較少，因而成本較低，在一些對(duì)電能質(zhì)量要求不是特別高的場(chǎng)合具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

但是總的來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)不能對(duì)其一次側(cè)、二次側(cè)電壓和電流的靈活調(diào)節(jié)能力，因此對(duì)于一些電路問(wèn)題無(wú)法提供比較好的解決方案。

如圖4所示，隨著對(duì)電力電子變壓器的深入研究，有學(xué)者提出了交直交型電子電力變壓器[4]。與交交型結(jié)構(gòu)電子電力變壓器相比，此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增加了直流環(huán)節(jié)，因此結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，采用的功率器件數(shù)相對(duì)較多。但是因?yàn)榇嬖谥绷鳝h(huán)節(jié)，其可控性能相對(duì)較好，能起到抑制諧波的作用，并且可以通過(guò)在輸入端中采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化，優(yōu)化電能質(zhì)量。

圖3 交交變換型電子電力變壓器

在圖4的基礎(chǔ)上，圖5進(jìn)行了改進(jìn)，給出了一種典型AC/DC/DC/AC型結(jié)構(gòu)。原理是：輸入的三相交流電壓通過(guò)三相整流橋整流為直流，而后通過(guò)含高頻變壓器的DC/DC，而后通過(guò)三相逆變?yōu)榻涣麟姟？梢园l(fā)現(xiàn)由于采用了高頻變壓器，變壓器的體積將大幅縮小，并且可以對(duì)電能實(shí)現(xiàn)諧波抑制和功率因數(shù)調(diào)節(jié)。

圖4 交直交型電力電子變壓器

圖5 典型AC/DC/DC/AC型結(jié)構(gòu)

2.2 大功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著電力電子變壓器的不斷發(fā)展，其優(yōu)良的特性也越來(lái)越被重視。在前期的研究中，其主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室以及其他小電壓小功率的場(chǎng)合，因此有學(xué)者開(kāi)始研究將其應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。下面，本文將列舉出目前已提出的幾種大功率 PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

對(duì)于高壓大功率電力電子變壓器來(lái)說(shuō)，輸入端承受電壓是整個(gè)電路最高的，對(duì)于輸出端來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)高頻變壓器降壓后，基本可以降至工頻電壓甚至更低，對(duì)電路中電子器件的耐壓值要求不是特別高。

在電力系統(tǒng)的高壓大功率應(yīng)用的場(chǎng)合，電路電壓等級(jí)以及功率等級(jí)往往遠(yuǎn)超過(guò)普通電力電子器件的最高耐壓水平和最大載流能力，并且其開(kāi)關(guān)頻率可能不能滿(mǎn)足其諧波抑制要求，因此對(duì)于開(kāi)關(guān)器件、濾波電感、濾波電容等元件選型與設(shè)計(jì)均存在困難。

目前市面上已有的多種IGBT管最大耐壓值為6500V，對(duì)于超過(guò)這個(gè)等級(jí)的情況就需要通過(guò)設(shè)計(jì)較為合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)了?，F(xiàn)階段，基于電力電子器件的最高絕緣耐壓水平、最大載流能力及其最高開(kāi)關(guān)頻率的實(shí)際情況，針對(duì)交直流環(huán)節(jié)電壓過(guò)高、電流過(guò)大和諧波超標(biāo)等問(wèn)題，有學(xué)者提出多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)解決，即采用電力電子器件串聯(lián)、級(jí)聯(lián)和并聯(lián)的方式。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)電壓過(guò)高和諧波超標(biāo)的問(wèn)題提出了如下結(jié)構(gòu)：二極管鉗位多電平結(jié)構(gòu)，跨接電容多電平結(jié)構(gòu)，帶功率因數(shù)校正器的級(jí)聯(lián)全橋二極管結(jié)構(gòu)以及級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)；共直流母線(xiàn)的全橋變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)和獨(dú)立直流母線(xiàn)的全橋并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖6 模塊化電力電子變壓器

圖6是一種含直流環(huán)節(jié)的電力電子變壓器模塊化的結(jié)構(gòu)[13]，輸入端采用串聯(lián)的形式，更加適用于高壓大功率場(chǎng)合，輸出端采用并聯(lián)的形式，以適用于不同種類(lèi)的負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)主要采用模塊化的結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是后續(xù)改進(jìn)比較方便，可以增加模塊或者減去模塊，并且控制系統(tǒng)也可以通用，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)于簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖7所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種三相四線(xiàn)結(jié)構(gòu)，輸入級(jí)是一個(gè)正常的三相整流器，實(shí)現(xiàn)的是功率因數(shù)調(diào)節(jié)的作用；中間隔離級(jí)是采用H橋模塊、一個(gè)原邊單繞組、副邊三繞組的高頻變壓器。中間級(jí)主要是完成將整流輸出電壓調(diào)制成高頻方波，高頻方波再經(jīng)變壓器變換到副邊三個(gè)繞組后分別整流成直流的過(guò)程。輸出級(jí)由三個(gè)單相H橋逆變器并聯(lián)組成。

圖7 三相四線(xiàn)三極式電力電子變壓器

級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)電子電力變壓器的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)階段高壓大功率電子電力變壓器最常見(jiàn)、最可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且可以保證在三相基本對(duì)稱(chēng)的電力系統(tǒng)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)之初是基于三相對(duì)稱(chēng)的前提下，如果發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障或者是三相參數(shù)不對(duì)稱(chēng)的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生三相電壓和電流的幅值與相位均不對(duì)稱(chēng)情況，即會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)序電流分量。在有零序回路時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生零序電流分量。這些非正序分量會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

在級(jí)聯(lián)電力電子變壓器基礎(chǔ)上，針對(duì)可能出現(xiàn)的三相負(fù)荷和電源不平衡問(wèn)題，由華中科技大學(xué)的學(xué)者提出的自平衡電子電力變壓器結(jié)構(gòu)[14]，如圖8所示。自平衡電力電子變壓器可以通過(guò)中頻變壓器的磁親合以及低壓側(cè)逆變器交流輸出的交錯(cuò)并聯(lián)，對(duì)三相之間的不平衡有功功率進(jìn)行自動(dòng)重新平均分配，完成自平衡的功能。其優(yōu)勢(shì)就是可以解決有可能出現(xiàn)的不平衡問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和應(yīng)用場(chǎng)合，但是也存在控制系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題。

本文結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)[7]提出了一種新的完整的電力電子變壓器結(jié)構(gòu)：由于輸入級(jí)電壓較高，因此整流電路可以采用三電平電壓型整流器，理論功率元件的耐壓值可以減少一半，功率器件的利用率得到很大提高。而且，由于采用了三電平，輸出的電平數(shù)比二電平多一個(gè)，因此du/dt降低一半，輸出電壓諧波也減少一半，輸出電壓波形的正弦化性能更好，尤其適合大功率高壓的電子電力系統(tǒng)。并且可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需求，級(jí)聯(lián)多個(gè)三電平整流器來(lái)提高可承受的電壓和功率等級(jí)；中間級(jí)采用帶有高頻隔離變壓器的三電平半橋直直變換結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電路電壓變換以及高頻控制；輸出級(jí)主要是供給低壓負(fù)載，因此采用多種逆變器并聯(lián)的形式，也可直接輸出直流電，以適應(yīng)不同功率、不同負(fù)載的要求。

3 PET級(jí)聯(lián)型整流器控制策略與控制方法

3.1 PET控制策略

由于電力電子變壓器的主要控制技術(shù)在輸入端的整流環(huán)節(jié)，因此本文主要對(duì)整流器的控制策略進(jìn)行分析。

圖8 自平衡電子電力變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖9 中壓電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖10 PWM整流器控制技術(shù)研究框圖

目前常用的 PWM 整流器基本上都是電壓型，對(duì)其控制技術(shù)研究也主要是對(duì)三相電網(wǎng)平衡條件下的研究，包括滯環(huán)控制、預(yù)測(cè)電流控制、功率控制、直接功率控制策略、功率預(yù)控制策略、扇形邊界死區(qū)的控制、雙開(kāi)關(guān)表的控制、功率前饋解耦控制、功率內(nèi)環(huán)和電壓平方外環(huán)控制、利用功率輸出子空間、空間矢量調(diào)制、無(wú)源功率控制。

非線(xiàn)性控制電流解耦控制是通過(guò)計(jì)算并調(diào)節(jié)電流指令值與實(shí)際值的偏差，而后通過(guò)計(jì)算得到所需的空間電壓矢量[6]。因此在坐標(biāo)系下，其可以獨(dú)立的調(diào)節(jié)有功、無(wú)功電流。使實(shí)現(xiàn)整流器的四象限更加容易，并且可以進(jìn)行無(wú)差調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)的精度相對(duì)較高。

模糊控制的核心是通過(guò)電腦來(lái)模仿人的行為，其設(shè)計(jì)的精確數(shù)學(xué)模型具有不依賴(lài)被控對(duì)象的特點(diǎn)，具有設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，方便應(yīng)用，抗干擾能力較強(qiáng)，易于控制和掌握，響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。而傳統(tǒng)的控制中有一些被控對(duì)象難以獲得精確數(shù)學(xué)模型，因此通常不能達(dá)到預(yù)期的效果，但是模糊控制卻是一種行之有效的方法[7]。

三電平PWM整流器的直接功率控制（DPC）方法是在三電平電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合瞬時(shí)功率理論，推導(dǎo)出輸入有功、無(wú)功和整流器矢量的關(guān)系。這種方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功、無(wú)功的直接控制，而且還可以避免矢量切換時(shí)線(xiàn)電壓、相電壓幅值的跳變，有效的控制了中點(diǎn)電位的平衡[8,9]。

空間電壓相量控制法主要是從作用時(shí)間的計(jì)算、輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)的確定、坐標(biāo)變換和基本相量選擇等幾個(gè)方面研究了坐標(biāo)系的算法，并且也分析了基本相量對(duì)中性點(diǎn)電壓的影響[10]。

虛擬磁鏈定向控制策略是一種無(wú)電壓傳感器的控制策略。將虛擬磁鏈定向矢量控制策略引入三電平整流器中，通過(guò)引入虛擬磁鏈，而后利用電壓和磁鏈的關(guān)系來(lái)獲得電網(wǎng)電壓角度信息，省去了過(guò)零檢測(cè)電路和電網(wǎng)屯壓傳感器[11,12]。

表1 整流器控制策略對(duì)比

無(wú)源功率控制可以使整流器實(shí)現(xiàn)功率解耦控制，具有快速跟蹤直流電壓和功率的能力，即使在負(fù)載擾動(dòng)的情況下，也可以保持功率快速響應(yīng)、直流輸出電壓穩(wěn)定的特性，無(wú)論穩(wěn)態(tài)還是負(fù)載擾動(dòng)，交流電流都保持正弦化，功率因數(shù)接近1。

3.2 一種級(jí)聯(lián)型整流器的控制方法

目前各種電力系統(tǒng)對(duì)電能的質(zhì)量要求越來(lái)越高，高壓大功率需求較大，因此級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文就對(duì)電力電子變壓器中級(jí)聯(lián)型整流器的控制方法進(jìn)行對(duì)比分析。

模塊化級(jí)聯(lián)型全橋整流屬于多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此可以采用適合多電平拓?fù)涞恼{(diào)制方式[15]。多電平拓?fù)涞闹饕{(diào)制方式有：諧波注入式脈寬調(diào)制、開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化脈寬調(diào)制、空間矢量調(diào)制、載波移相SPWM調(diào)制和階梯波脈寬調(diào)制等。

目前級(jí)聯(lián)型多電平整流器主要采用載波移相SPWM調(diào)制技術(shù)，載波相移 SPWM 調(diào)制法的主要目標(biāo)是使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦波，因此諧波特性好。

載波相移SPWM調(diào)制法的原理是N個(gè)串聯(lián)的整流器單元均采用低開(kāi)關(guān)頻率的SPWM，并且都具有相同的幅度調(diào)制比Mr和相同的頻率調(diào)制比 k，采用同一個(gè)正弦調(diào)制波信號(hào)，但是每個(gè)整流器單元的三角載波的相位角依次相差 360°/（N·k），利用SPWM 調(diào)制的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加結(jié)構(gòu)產(chǎn)生載波相移SPWM 波形[15]。并且采取單極性倍頻SPWM調(diào)制可以進(jìn)一步減少諧波。

圖11 載波移相SPWM調(diào)制示意圖

空間矢量法具有電壓的利用率高、諧波較小、開(kāi)關(guān)損耗低并且控制方法簡(jiǎn)單，便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[16]。但隨著電平數(shù)的增多，尤其是超過(guò)五電平以后，開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)和電壓矢量數(shù)成倍地增加，電壓矢量的選擇和計(jì)算都變得極為復(fù)雜，很難在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

因此對(duì)于級(jí)聯(lián)型整流器一般采取的控制方式是載波相移SPWM調(diào)制法。

4 結(jié)論與展望

本文研究分析了電力電子變壓器的原理、發(fā)展概況、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略，對(duì)大功率電力電子變壓器的應(yīng)用情況進(jìn)行了重點(diǎn)分析。通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的電力變壓器，電力電子變壓器在大功率領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)十分明顯，一是體積重量小，二是空載損耗小，三是可控性好，四是諧波小。

本文還提出了一種新型的電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)控制策略進(jìn)行了分析對(duì)比，為控制策略的選取提供了很好的參考依據(jù)，并且針對(duì)級(jí)聯(lián)型整流器的控制方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的對(duì)比分析，提出了一種新型的完整的電力電子變壓器結(jié)構(gòu)。

對(duì)于大功率電力電子變壓器的發(fā)展來(lái)說(shuō)，還有很多技術(shù)難題需要解決，比如如何解決控制系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題、功率器件的耐壓值以及新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等問(wèn)題。相信在后續(xù)發(fā)展中電力電子變壓器將在大功率領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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