[科普中国]-自平衡电子电力变压器

简介

自从变压器被发明以来，它已经成为输电系统和配电系统应用最为广泛的能量转换设备之一。它具有成本低、效率高、可靠性好等优点，因此被广泛地用来实现电压变换和隔离。然而，近十几年来，随着大量非线性负荷和敏感用户的增长，传统变压器固有的缺点，如直流偏磁、饱和、波形畸变等，变得越来越突出。因此，许多学者开始进行基于电力电子技术的新型电力变压器的研究。

于 AC/AC高频链接的电了变压器的思想，并实现了一种200V/3kVA的样机，对这种AC/AC直接高频链接的电了变压器的控制算法进行了优化，提高了效率，但它们无论是从功率等级还是电压等级上，都与配电系统的实际情况不相适应2。

可以实现整功率因数(即电压和电流同相位，功率因数为1)整流的多模块级联的单相电力电了配电变压器，通过低压模块的级联，达到配电系统的儿千伏至儿十千伏的电压水平。但该变压器只能实现功率单向流动，并且无功控制不灵活。以单相和三相电压源变换器(VSC)为基础，构造了一种新的三阶式电了电力变压器，但只是从原理上进行了拓扑结构设计和控制方案设计，而没有 具体的实现方案进行仿真或实验验证，并且，该电了电力变压器的中间隔离变压器制造和DC-DC模块的控制都非常复杂。

A-EPT结构设计A-EPT采用了3阶式(高压级、隔离级和低压级)设计思路，由3组高压侧采用级联多电平型变换器构成的一相变三相了单元构成，如概述图所示2。

高压级设计由于单个功率器件的耐压水平达不到配电系统和输电系统的电压等级，因此用于输、配电系统的电力电了装置需要采用多个功率器件或者模块串联技术。A-EPT高压级每一相都是由N个完全相同的单相全桥VSC模块级联而成，如概述图1(b)所示。为了保证高压侧系统的电流具有良好正弦波形和实现功率因数灵活控制，单相全桥采用PWM整流运行方式，各模块之问采用载波移相技术。

由于采用了N个无论是容量还是耐压等级都相同的单相全桥，所以只要采用适当的控制，就可以实现N个单相全桥的直流侧电压相等，进而实现交流侧高压平均地分配在N个单相全桥变换器上，从而可以避免开关器件直接串联，亦无需开关器件直接串联时复杂的保护电路。

隔离级设计隔离级需采用高频变压器，以实现高压侧系统和低压侧系统问的电压等级变换和电气隔离。

变压器体积大小是磁芯材料饱和磁通密度、最大容许温升和绕组最大容许温升的函数，而饱和磁通密度与频率成反比。因此，在相同容量下，高频变压器比工频变压器体积小很多。

从高压级单相全桥输出的是直流，在进入高频变压器之前需要把直流调制成高频交流。A-EPT的隔离级的每一相是由N个单相全桥DC/高频AC变换器模块、1个N输入3输出高频变压器和3个单相全桥高频AC/DC变换器组成。高频变压器输出端的个数也可以是3的倍数。当功率由高压级向低压级流动时，高压级DC/高频AC变换器将直流调制成高频方波，由高频变压器磁耦合到低压级，再由低压级高频AC/DC变换器重新还原成直流。反之，低压级高频AC/DC变换器进行直流调制，高压级DC/高频AC变换器还原成直流。如果只考虑功率单向流动，负责将高频交流还原成直流的变换器可以采用二极管整流代替。

低压级设计低压级主要实现将隔离级来的直流变成工频交流(或者所需的其他频率的交流)。它由单相全桥逆变器和LC滤波器构成。

在低压侧，面临的主要问题是功率器件的通流能力，为了满足大电流的需要，采用多个单相逆变桥并联。如图概述(b)所示，A-EPT的一个了单元结构，它的低压级由3组独立的单相全桥变换器模块组成，可以形成a, b, c三相低压输出。在构成三相A-EPT时，将每个单元形成的a, b, c三相输出，分别对应地并联在一起，组成三相A-EPT的低压级。这种交错并联的最大优点是从结构上解决了A-EPT高、低压侧系统不平衡的相互影响。低压级的连接示意图如图2所示。

从上述的分析可以看出，A-EPT实现白平衡的原理是:当实现从高压侧向低压侧传递能量时，原方系统的每一相电能，经过高压级调制成高频信号后，传递给隔离级，并耦合到低压级，分配到a,b, c三相，变换成所需的交流信号后输出;反之，当实现从低压侧向高压侧传递能量时，原方系统的

控制方案高压级控制高压级的控制目标主要有2个:一是实现直流电压恒定，二是实现交流侧电流正弦和功率因数灵活可调。

1)开关方式。

多电平控制技术有很多，在级联多电平中最常用的是载波移相正弦PW M技术。在这种控制技术下，由N个单相全桥级联成的变换器，其交流侧电压的电平数可以达到2N十1个，因此在较低的开关频率下，就可以使谐波含量大大降低，同时使开关损耗也大幅度减小。不失一般性，下面的分析将以3个单相全桥级联为例进行。

单相全桥模块如图3 (a)所示，开关Si~Sa的开关点由载波和调制波的交点决定。

S1和S3的开关信号互补，S2和S4的开关信号互补。S1和S3的开关信号分别由相位差为180°的正弦波和同一个三角载波比较的交点得到，如图3(b)所示。因此，每个模块的交流侧输出是PWM信号的叠加.

当N个单相全桥模块级联时，如果保持所有模块采用相同的调制信号，但各白的载波信号依次错开一定的角度;，就可以使交流侧叠加波形成多阶

直流电压控制从系统侧而言，高压级可以采用式(2)的微分方程来进行描述:

图4给出了A-EPT高压级的直流电压控制方案。它由2个独立的控制器Pu1和Pu2构成。其基本思路是将实际直流电压与参考值比较后的偏差作为反馈信号，经过调节器后形成有功电流参考值。为了尽可能避免因为模块特性或电路参数不完全一致导致级联模块问的直流电压不平衡，在直流电压控制环中，将单个模块的直流电压与平均直流电压之问的偏差经调节器，用以修正各个模块调制波的相角。因为直流电容电压的高低，与交流侧提供的有功功率相关，通过修正各个调制波的相角，就可以调整交流侧提供的有功功率，从而达到调整直流电压的目的。这里所设计的载波移相与传统意义上的有不同，称为改进载波移相技术。

交流电流控制从式(2)可以看出，d, q轴之问存在复杂的耦合关系，给控制器的设计带来很大的困难。为此，在电流控制环中引入状态反馈解祸，如图4所示。为了实现输入功率因数为1, q轴电流参考值被置为0.

隔离级控制隔离级要实现将直流转换成交流并耦合到副方后还原成直流，这里采用开环PWM控制就可以满足要求。对于高频变压器高压侧的单相全桥变换器，采用占空比为50%的PWM波进行逆变，而对于高频变压器低压侧的单相全桥整流器，同步进行整流即可。整个控制方案如图5所示。

低压级控制低压级控制目标是保证提供给低压侧系统的电压恒定。如果考虑低压侧为无源系统，则可以采用基于瞬时值反馈的定交流电压控制，如图6所示。