电力电子变压器研究综述

电力电子变压器研究综述

吴鹏

（哈尔滨变压器有限责任公司黑龙江哈尔滨150078）

摘要：电力电子变压器是以传统电力变压器为基础的新型智能电力变压器，应用了电力电子交换技术，可以实现一、二次侧电压的灵活控制。随着科学技术的快速发展，大功率电力电子器件制造能力有了显著提升，显著改善了电力电子交换控制措施，为解决电力系统中的诸多难题创造了有利条件。因此，本文将简要概述电力电子变压器的工作原理与应用优势，并对电力电子变压器的发展与应用进行综述，旨在为广大电力工作者提供参考信息。

关键词：电力电子变压器；工作原理；应用综述

电力变压器是支撑电力系统安全稳定运行的重要设备，变换交流电能的形式是电力变压器的重要功能。电力变压器历经一百多年的发展，产品结构不断得到改进，并应用了各种新材料，变压器性能与制造水平得到了很大提升，如今电力变压器的电压等级已经达到了1000kV，容量高达百万千伏安，有效增强了电力系统运行的安全性与稳定性。电力电子变压器是以电力电子技术、电力系统分析和自动控制等理论为基础的新型高电压变换器，不仅可以实现能量转换、潮流控制和电能质量控制功能，还有着解决海洋群岛供电和新型城市电网构建等难题的优势，为促进电力事业的发展提供强有力的技术支撑，电力变压器的发展已经成为电力工作者关注的热点话题。

一、电力电子变压器工作原理与优点

电力电子交换技术与电磁感应原理是电力电子变压器的核心技术，基础思想是利用高频变压器替代工频变压器来传输电力能源，初、次级功率变换器和两者相互关联的高频变压器是主要的电力电子器件。电力电子变压器工作原理如下：输入工频交流电历经初级变换器调制成高频交流电，利用高频变压器一次侧绕组、二次侧绕组把高频交流电耦合产生感应电动势，通过二次绕组把感应电动势施加至次级变换器，最终次级变换器会将高频交流电转换成工频交流电，从而向电力设备供给电力能源。在城镇化、工业化步伐不断加快的新时期，人们对于电力能源的需求有了很大提升，大大提高了电力变压器运行的安全性与稳定性，相对于传统电力变压器而言，电力电子变压器有着以下应用优势：首先，重量轻、体积小，不必使用变压器油，在实际工作时有着直流和交流两个环节，一些小容量的分布式电源能够通过电力电子变压器柔性接入电网；其次，电子电子变压器具备一般变压器变换电压等级、电能传递与电气隔离功能，同时还有着控制潮流、波形与调整电能效果的优点；最后，电力电子变压器能够隔离电压波动、失真和谐波传递，促使电网侧和负载侧的解耦，有效增强了电网系统运行的稳定性，具有很大的发展前景和应用优势。

二、电力电子变压器的发展与应用

1.电力电子变压器拓扑结构发展

在上世纪七十年代末，国外一些专家和学者就开始了电力电子变压器的研究，由最初的AC/AC型电力电子变压器发展到如今的AC/DC/AC型电力电子变压器，在刚开始的研究阶段，因为电力电子器件与功率的变换技术水平较低，研究出的实验样机有着容量小与电压等级低的弊端，难以得到大规模应用。直到上世纪九十年代末，国外电力行业的专家在研究配电网电力电子变压器方面取得显著突破，电力电子变压器样机达到了配电网的电压等级要求，容量突破了兆瓦大关，早在2011年，GE、Cree和Powerex三大公司合作研制的单相电力电子变压器，容量就达到了1MW，并在电力系统变电站得到了成功应用。近年来，ABB公司为机车牵引研制的一台电力电子变压器，容量为1.2MW，显著提升了电力电子变压器的性能水平。我国在电力电子变压器方面的研究较晚，新世纪初才开始关注和研究，华中科技大学与东南大学的研究学者对电力电子变压器的拓扑结构与控制措施提出了新见解，同时获得了一定的研究成果，丰富了电力电子变压器的研究成就。

2.电力电子变压器数学模型和控制策略

大大改善电能质量是电力电子变压器的最大特征，一、二次侧变流器控制技术的设计是实现这一功能的关键，因此电力变压器控制策略是促使其得到广泛应用的重要因素。如今，国内针对三相电压型变换器普遍应用的控制策略有预测电流控制法、双闭环直接电流控制法、非线性控制法和间接电流控制法等等。直接电流控制法是由于电流控制法动态响应慢、对参数依赖程度高的弊端提出的，并且有着诸多的应用优势，在电力系统中得到了广泛应用。其中，双闭环控制系统结构较为简单，有利于相关电力技术人员理解，针对网侧电压的扰动量可以采取前馈补偿的方式，独立解耦控制两轴的电流，显著增强了电力网络的静动态响应，解决了间接电流控制法对参数精确度依赖性强的不良问题，同时有着良好的电路保护作用，大大提高了电力网络的稳定性。

3.电力电子变压器在电力系统中的应用

电力电子变压器在电力系统中的应用主要表现在以下三个方面：其一，改善配电网的供电质量。电力电子变压器具有改善动态补偿响应速度的优点，结构由输入级、中间隔离级和输出级三部分构成，可以有效控制直流输出电压和输入功率参数，灵活独立控制电压变压功能，并利用复合控制措施，有效改善电压补偿效果；其二，改善电力系统动态特性。电力电子变压器具有灵活调节电压、电流和功率的优点，并依照系统运行情况，实现变压器与电力系统之间的迅速交换和双向流动，以此来抑制电力系统的振荡，增强电力系统的暂态稳定性；其三，在分布式电源并网中的应用。在未来一段时期，大量分布式电源会接入电力系统中，极大地威胁着电力系统的稳定运行，而电力电子变压器中包含直流环节，能够灵活控制输入、输出电压，在降低成本的同时，为电力系统的安全稳定运行也提供了保障。

三、结论

总而言之，相对传统变压器而言，电力电子变压器有着诸多应用优势，能够增强电力系统运行的安全性与稳定性，相关电力技术人员要加强电力电子变压器的研究，促使电力电子变压器在电力行业的广泛应用，为我国电力事业的快速发展奠定技术基础。

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