[科普中国]-特种电子电力变压器

研究特种电子电力变压器的意义及前景

国外对多相输电方式的研究已经进行了20多年，相对于三相交流输电来说，多相特别是四相交流输电可以提高线路的传输容量和降低损耗。同时，目前在电热加工等装置中常采用单相大容量的用电设备(如工频感应炉、电渣重熔炉等)，如果前一级电源的容量与单相负载的容量相比不是很大，则必然会给前一级电源变压器带来三相负载不平衡问题。在电气化铁道牵引供电系统中，国内外牵引变压器的发展经历了非平衡牵引变压器和平衡牵引变压器(指三相一两相变换的降压变压器)两个时期，依然无法很好的解决电力机车负荷注入电网的负序电压电流和谐波。为了解决单相电力负载注入电网的负序和谐波问题，以及为单相供电中如电气铁道机车上及电气化车站内的三相负载提供所需要的电能并且不给电网造成污染，国内的相关研究人员相继 了一系列的方案来解决这些特殊负载对电力系统的负序和谐波影响。但是由于他们采用的仍然主要是基于电容器和电抗器串并补的方法，并且使用传统方法来实现电压相制的变换，不能从根本上解决给负荷供电的电源质量问题，因此并没有达到很好的效果并且也未见有大规模应用的报道1。

另一方面，电能质量问题造成了巨大的经济损失，据估计每一次电能质量问题使生产流水线中断或重启动可能造成30万一100万美元的损失。美国每年由于电能质量问题造成200亿美元的损失。然而，系统即使按最大可靠性设计也无法避免电能质量问题的发生。采用电子电力变压器来解决上述问题有最佳的性价比。因为其他任何一种方法除了需要补偿设备外，还要配备与负荷等容量的传统变压器和相应的保护设备。

由于特种变压器所要实现电能变换的特殊性，它所供给的负载或者需要实现相数的变换，或者需要实现频率的变换，而这里面的任何一种变换都无法避免的会一方面使得变压器供给给负荷的电能质量不高，另一方面由于负荷端和电源侧相数及频率的不同，它会向电源侧反馈一系列的谐波电流，给电网造成污染，影响到电源给其他负荷的供电质量。

电子电力变压器将电力电子技术应用到变压器的设计和制造当中，它通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递。EPT的基本工作原理框图如图1.1所示。它的设计思路来自于具有高频连接的AC/AC变换电路，即输入的工频交流信号通过电力电子变换器件变成换高频信号，再通过高频变压器藕合到副方，得到的高频信号再通过电力电子变换器件变换成工频交流信号输出。选择适当的控制算法，通过合适的控制电路控制两侧的电力电子变换器的导通和关断，对其交流侧的电压幅值和相位进行实时控制，从而实现变压器原副方电压、电流和功率的灵活调节。中间的高频变压器起隔离和变压作用，由于频率很高，铁心式变压器体积与它的频率成反比，因而可以把体积做的很小。

将电子电力变压器的原理引入到特种变压器的制造领域里来，相当于把传统变压器及其配套的监测、电力有源滤波器、综合电能质量调节器等电能质量补偿装置的功能合而为一，可大大降低成本 。特种电子电力变压器(Special Electronic PowerTransformer, SEPT不仅能够在电源侧正常时为负荷供给高质量的电能，即使在电源端出现畸变和谐波的情况下，它也能为负荷端提供高质量的电能，并且能够最大限度的消除负荷端向反馈电源端的谐波和畸变电流，保证变压器两侧的电能质量。同时，在变压器两侧出现异常时，它都能够在第一时间做出反应。

目前，大功率电力电子变换技术在输配电系统中已得到广泛的应用。电力电子变换技术应用于电力系统可改善电能质量和提高供电可靠性，同时使电气设备重量减轻、体积变小，节省大量铜、钢等原材料。广泛采用电力电子技术以后，还可以大幅度节省电能，从而节约大量资源和一次能源，改善人类的生活环境。随着电子电力技术的发展，特种电子电力变压器的理论和制造工艺将得到充分的发展，它在电力系统中也将具有十分光明的前景。

特种电子电力变压器的基本结构采用具有自平衡功能的电子电力变压器(A-EPT)的基本拓扑结构作为所设计特种变压器的基本模板，它由M个一相变N相电子电力变压器单元以星形连接而成，电子电力变压器单元为由高压级，隔离级和低压级构成的三级结构，高压级由P个变换器模块级联而成，低压级为N个独立的AC/D C/AC变换器，隔离级为中频或高频变压器(工作频率不低于400Hz)。这种结构不仅可以实现常规电力变压器的隔离、变压和传递能量等基本功能，实现功率双向流动，可以实现M相到N相的灵活变换，能够实现前述的各项变换功能，而且它的功率既可以从高压侧向低压侧流动，即作为降压变压器使用，也可以从低压侧向高压侧流动，即作为升压变压器使用，并且可以保证无论副方系统出现什么样的不平衡，原方系统始终可以平衡运行;当原方供电出现不平衡时，副方仍然可以保证平衡输出。

如图2.3所示，电子电力变压器单元1是由高压级2,隔离级3和低压级4构成的一种三级结构。高压级2由P个变换器模块5级联而成，P>1，这P个变换器模块5的一个端口串联起来，构成高压级2的交流端口，而它们的另一个交流端口则分别与隔离级3的一次侧绕组相连。变换器模块5可以是AC/DC/AC变换器，也可以是AC/AC变换器或其它形式的变换器，在 中我们采用AC/DC/AC变换器。低压级4由N个独立的AC/D C/AC变换器6构成，N≥1，每个AC/D C/AC变换器6的一个端口与隔离级3的二次侧绕组相连，其另一端口则作为电子电力变压器单元1的一相输出。隔离级3为中频或高频变压器(工作频率不低于400Hz)，其一次侧绕组的数量与高压级2的变换器模块5的数量一致(即P个)，其二次侧绕组的数量与低压级4的AC/DC/AC变换器6的数量一致(即N个)。因此，电子电力变压器单元1为一相变N相结构。

3/N相电子电力变压器3/N相特种变压器包括最常见的三相变单相，三相变两相，以及最近兴起的三相变四相乃至多相等三相到其他相的变压器，将对它们分别进行讨论。

3/1相电子电力变压器配电系统中，很多用户都是采用单相电源，典型的如照明负荷。传统的做法是直接将单相负荷接在三相电源的某一相，为了实现相间负荷平衡，将多个单相负荷大致平均地分配到三相。在某些国家(如印度和法国)，为了充分利用变压器的容量，电气化铁道也直接采用单相电源分别给牵引网的上下两行供电臂供电，牵引变压器按照周期顺序分别接至三相传输线的两相之间以减少三相网络的不平衡。牵引变压器投入运行时，由于机车型号、数量分布和其运行状态以及路况的不同，这种用于电气化铁道的单相变压器以及用于电热加工等装置中的单相大容量用电设备，都有可能直接导致前一级电源变压器三相输入电流不平衡。

对于上述负荷，如果直接采用3/1相变压器供电，既简单又方便。跟传统的3/1相电力变压器相比，即使在负载波动的情况下，3/1相电子电力变压器也能够给负荷提供高质量的电能，而且能够保证变压器原方三相电流的平衡，不会给电源侧带来谐波污染。

3/2相电子电力变压器两相供电是牵引电力系统(如电气化铁道)的主要供电方式。常规实现3/2相供电的变压器主要有 a}-sod:斯科特(Scott-Teaser)变压器、李布朗克(Le Blanc)变压器、伍德桥(Wood Bridge)变压器和阻抗匹配平衡变压器等等。其中，阻抗匹配平衡变压器是我国自主开发的牵引变压器，其一次侧可抽出中性点，与我国110kV电网接线形式匹配，再加之优点突出，在我国电气化铁路上得到了较广泛的应用。近几年来，为了进一步提高牵引变压器的性能，在阻抗匹配平衡变压器的基础上进一步开发出了多功能平衡变压器

目前的电气化铁道供电系统，无论是采用斯科特变压器、还是采用阻抗匹配平衡变压器，都普遍会对电力系统造成如下影响:

一是，在电力系统(变压器的一次侧)引入负序分量。尽管斯科特变压器和阻抗匹配平衡变压器理论上可以实现一次侧三相绕组电流对称，但其前提条件是变压器二次侧的两个供电臂具有相同的负载(具有相同的功率因数，且电流的幅值相同)。然而，由于机车负荷的大小及位置分布的随机性，两供电臂有相同负载的情况几乎是不会发生的。如果定义三相电流不平衡度为负序分量与正序分量的比，那么，即使采用阻抗匹配平衡变压器，当其只有一个供电臂有机车时，不平衡度将达到100%。为了缓解这一状况，普遍采取的措施是换接相序:各相邻牵引变电所牵引变压器的原边各端子轮换接入电力系统中的不同相。以期在大范围内能够基本实现电网三相平衡。然而，这种措施效果非常有限，并且使机车操作的复杂性增加，并带来了安全隐患，制约了机车牵引力的发挥，难以满足安全、高速、重载的牵引发展要求。

二是，会向电网注入谐波。电力机车采用单相整流桥供电，机车变压器的原边电流波形是周期性的非正弦波，含有大量的谐波成分，导致牵引变压器的一次侧(注入电网)的电流波形发生明显的畸变。整流型电力机车已成为电力系统的主要谐波源之一。为了尽可能减小牵引供电系统对电网的注入谐波，可采取的措施包括:采用多脉波变流器以减少谐波的发生量、在变电所牵引侧或电力机车上加装并联电容滤波补偿装置等。

三是，功率因数低。对于整流型电力机车，牵引变压器高压侧的功率因数普遍在0.8以下，远低于电力系统的要求。过低的功率因数，会增大电网的电能损耗、增加网络电压损失，不利于电力系统的经济运行。为了提高牵引负荷的功率因数，目前普遍采用在变电所牵引侧装设并联无功补偿设备，如固定电容器((FC)或晶闸管投切电容器(TSC)等。

此外，为了减小电力系统电压波动、电压损失对机车牵引力的影响，往往需要在牵引变压器装设分接开关或者采取其它措施，以保证供电电压水平。

3/N相电子电力变压器随着我国西部特大型水利发电中心的逐渐建立，以及大区域电网互联的进一步深入，超远距离、超大容量的电力传输将变得越来越重要和普遍。由于我国人口众多，土地资源更加珍贵，输电走廊问题越来越成为制约电网发展的关键因素，因此，提高单位线路走廊的输电能力是我国现代以及未来电网建设的核心问题之一。多相(四相及以上)输电技术和特高压输电技术都可以有效地提高输送功率密度，节约输电走廊，因此，引起了众多电力研究者的重视。

多相输电技术于1972首先由美国学者H.C.Barne与L. T. Barthold 。已有的研究表明，多相输电线路与三相输电线路相比，具有以下优点:

第一、降低线路线电压与相电压比值。相数增加后，线电压和相电压的比值变小，从而使得架空导线间的距离减小，线路变得紧凑，正序电抗下降，相间电容上升，较易实现与现有三相系统的协调，兼容运行。而且对高压断路器触头断流容量的要求较低。

第二、提高线路输送功率。与三相输电方式相比较，在线间电压相同，各相导线截面相同的条件下，四相输电容量为三相输电容量的1.633倍，电压损耗较三相输电减少了18.4%;在相电压相同，相导线截面相同的条件下，四相输电容量为三相输电容量的1.333倍，其电压损耗与架空线路的相邻线间距离较三相输电减少了18.4%

第三、提高传输功率的稳定性。与三相输电线路相比，在电压相同的情况下，多相输电系统不仅相数增加，而且由于其正序电抗下降，进一步使得其稳定极限功率上升。

第四、其他优越性。多相输电系统还具有导线表面电场强度较小，架空线路走廊窄等优越性，而且运行时可闻噪声、无线电噪声、地面电磁场等环境指标较好。此外，四相输电还可抑制谐波对通信的干扰。

现有多相输电方式主要有两类:一类是相数为3的倍数相 ，如六相输电、十二相输电等;另一类是四相输电方式

第一类输电方式的优点是实现三相电量到多相电量变换简单，只要改变三相变压器接线方式即可实现三相与三的倍数相间的多相变换。缺点是导线悬挂困难，杆塔结构复杂，线路故障组合类型迅速增加导致故障分析计算困难和继电保护设计困难，而且相间过电压高。

第二类输电方式是最接近三相的多相输电方式，它既有多相输电的优点，又克服了第一类多相输电方式所存在的缺点，技术经济价值较高，因此具有重大的理论与应用研究意义。

实现多相输电，首要解决的问题是如何实现三相电量与多相电量之间转换。因此实现三相与多相变换的电力变压器是多相输电技术的关键设备，也是研究的重点和难点。

电子电力变压器理论上可以比较容易地实现三相与多相之间的转换，而且由于其具有自平衡的特点，比现有的3/4相变压器要优越。

N/3相电子电力变压器N/3相电子电力变压器包括单相变三相电子电力变压器，四相变三相电子电力变压器以及N相变三相电子电力变压器等。

1/3相电子电力变压器微型三相异步电动机的结构与原理同一般的三相异步机，转子笼型异步电动机，采用三相工频供电。与单相异步电动机相比三相异步电动机具有较高的力能指标，适用于小型机床、泵等机械设备。在小型加工工业和农业专用设备中，一般不需要调速，只需要在一定的转速范围内运行，这些电动机容量小，但需要有较好的起动性能和运行性能，也需要采用三相鼠笼电动机。因此小功率传动一般首选三相电动机，但是由于输电铺设成本高等原因，不少地区至今无三相电源，而且家庭供电也多为单相，这些客观条件 了单相变三相电力变换的要求 fs}l。另外，单相变三相电子电力变压器还广泛应用在电气化铁路系统，而且大量应用在工业电力系统上。

由于电子电力变压器能够实现能量的双向流动，N/3相电子电力变压器实际上是3/N相的反变换。由于现实中单相电源到三相电源的变换，通常都是小容量系统，因此只要将上一章所述的三相变单相电子电力变压器逆向使用，就可以成为单相变三相电子电力变压器了。另一方面，在高电压等级和大容量的场合，利用电子电力变压器来实现单相电源到三相电源的变换，比起上一章所讨论的特种电子电力变压器来说要容易实现得多，而且由于是一相电源，不会出现原方电源不平衡的问题。因此在不再详细讨论单相变三相电子电力变压器。

N/3相电子电力变压器四相输电是一种非常有潜力的输电方式，而四相变三相变压器是四相输电的一个重要组成部分。由于输电线路电压等级相对较高，对稳定性的要求也比较高。

N/3相电子电力变压器采用的也是如图2.3所示的子单元结构，其工作原理为:变压器一次侧所提供的N相电源侧，电源侧的每一相工频交流电，经高压级变换成直流电，传递给隔离级，在隔离级被转换成高频交流电，经高频变压器变压藕合到二次侧并还原成直流电，然后传递到低压级，分配到a, b, c三相，变成所需要的三相工频电输出到负载。无论二次侧的负载情况如何，能量都是由电源侧的N相平均供给的，不会造成电源侧的不平衡或不对称运行情况。而且，即使当电源侧因为其它原因出现不平衡或不对称时，也不会影响二次侧的三相正常供电。反之亦然。

其他特殊用途的电子电力变压器以图2.3所示的子单元结构为基础，通过改变输出侧参考电压的参数特性，就能够得到需要的具有各种不同特性的电源，如脉冲电源，方波、三角波等各种定制波形电源，以及变频电源等，并且输入侧和输出侧都可以选取任意相数。

变频电子电力变压器分频输电是我国西安交通大学王锡凡教授于1994在东京IEE年会上首次 的。输电系统的最大输送功率可用式(6-1)估算。

P=U/x (6-1)

其中，U为输电系统的额定电压，x为系统电抗。

由(6-1)可知，要提高输电系统的输电容量，除了提高输电系统的额定电压外，还可降低系统电抗。由于输电线路的等效电抗和输电频率成正比，因此降低输电频率可以大幅度降低输电系统的电抗，从而大幅度提高输电系统的输电容量，可以达到减少输电线路的回路数和出线走廊数的目的。

其他特种电源开关电源技术是现代电力电子技术应用的核心之一:例如在通信系统应用广泛的高频开关电源，用于交流电机变频调速的变频器电源，用于静电除尘、水质改良、医用x光机和cT机上的大功率开关型高压直流电源，等等。这些电源亦可以直接利用EPT实现。这种实现方式的优点是可以省去常规工频变压器，获得更小的体积。

除了上述几种特种电子电力变压器外，EPT还可以用作脉冲变压器，或者提供各种非正弦的定制波形(如方波、三角波，等等)。