电力电子变压器原理、现状、应用场合介绍VIP免费

第1页共18页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共18页电力电子变压器介绍0、前言电力电子变压器(PowerElectronicTransformer简称PET)作为一种新型的能量转换设备，与传统的变压器相比，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。1、基本原理PET的设计思路源于具有高频连接的AC/AC变换电路,其基本原理见图1,即通过电力电子变换技术将变压器原边的工频交流输入信号变换为高频信号,经高频变压器耦合到副边后,再经电力电子变换还原成工频交流输出。因高频变压器起隔离和变压作用,因铁心式变压器的体积与频率成反比,所以高频变的体积远小于工频变压器,其整体效率高。图1电力电子变压器基本原理框图PET的具体实现方案分两种形式:一是在变换中不含直流环节,即直接AC/AC变换,其原理是:在高频变压器原边进行高频调制,在副边同步第2页共18页第1页共18页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共18页解调;二是在变换中存在直流环节,通常在变压器原边进行AC/AC变换,再将直流调制为高频信号经高频变压器耦合到副边后,在副边进行DC/AC变换。比较两种方案,后种控制特性良好,通过PWM调制技术可实现变压器原副边电压、电流和功率的灵活控制,有望成为今后的发展方向。2、研究现状自1970年美国GE公司首先发明了具有高频连接的AC/AC变换电路后,很多科研工作者对各种不同结构的具有高频连接的AC/AC变换器进行了深入的探讨和研究,并提出了PET的概念。美国海军和美国电力科学研究院(EPRI)的研究小组先后提出了一种固态变压器结构,KoosukeHarada等人也提出了一种智能变压器,他们通过对高频技术的使用,使变压器体积减小,实现恒压、恒流、功率因数校正等功能。早期的PET的理论和实现研究由于受当时电力电子器件和功率变换技术发展水平的限制,所提出的各种设计方案均未能实用化,特别是在可用于实际输配电系统(10kV以上)的PET的研究方面进展不大。进入20世纪90年代,国外在这一研究领域中取得了一些新进展,提出了新的技术方案,并制作了与配电系统电压等级相当的实验室样机。如美国密苏里大学在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10kVA，7200V／240V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。美国威斯康星一麦迪逊大学与ABB公司合作，德克萨斯农机大第3页共18页第2页共18页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页共18页学也于20世纪90年代末对电力电子变压器进行了研究，但以上工作只对其电压变换的功能进行了分析和研究。另外，美国德州A&M大学提出了一种基于直接AC/AC变换的PET的结构,见图2。这种PET的首要设计目标是减小变压器体积和重量并提高其整体效率,其工作原理为: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。为了减小器件开关过程中由于电流突变造成的过电压,该方案采用了一种4级开关控制策略,可使功率器件在无吸收电路的条件下安全换向。图2中的中频隔离变压器采用了常规的硅钢铁心变压器。试验表明,对于常规变压器,当其工作频率由60Hz提高到110kHz后,变压器的输送容量可提高3倍,效率也有所提高。这种PET的体积比同容量的常规变压器小1/3,总体效率与常规变压器相当,其原理和控制较简单,易于实现。但变压器副边波形基本是对原边波形的还原,可控性不高。图2基于AC/AC变换的PET（单相）第4页共18页第3页共18页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第4页共18页为简化结构,降低成本,ManjrekarM.D.和KieferndorfR等人在buck-boost变换器的基础上提出一种直接AC/AC变换结构的PET(见图3)。图3基于buck-boost的PET这种变...