電力電子技術在變壓器中的應用

摘 要：近幾十年來，隨著科學技術的不斷進步，電力電子技術已快速成為一門獨立的完善的學科。它作為集電路技術、功率半導體器件、現代控制技術、計算機技術于一身的技術平臺，已慢慢滲入國民經濟發展的各個領域。本文就主要探討電子電力技術在變壓器中的應用，從實例中反映電子電力技術廣泛的應用前景。

關鍵詞：電力電子技術；變壓器；應用

新世紀電力電子技術不斷提升，尤其是微電子技術的革新，使得電力電子技術的世界日新月異，帶動許多關鍵技術引領尖端科學技術的潮流。電力電子技術發展迅猛，應用能力廣泛，與其他學科的交叉應用性強，是目前頗具焦點性的一個專業領域。

通過半導體器件、計算機科技、電路科技、控制智能科技等等平臺構成電力電子技術，通過將近五十年時間的發展，其已經不斷融入生活、工作的方方面面，在新世紀中伴隨電力電子技術新的理論、實踐應用發展，成為了關鍵性的技術。目前，電力電子技術相關的研究，在國際上仍處于較為初級的階段，雖然為我們帶來了巨大的便利，但其仍有許許多多方面的理論和實際應用有待人們的開發與研究，相信在不久的將來，電力電子技術將成為我們生活中不可或缺的一部分。

本文基于電力電子技術在變壓器中的應用，通過其相關的理論與原理的闡述，設計電力電子變壓器的仿真，致力于提升電力質量，實現電力電子變壓器的優越性。

1 相關定義與原理

1.1 電力電子變壓器定義

電力電子變壓器，又叫做固態、柔性變壓器，通過對目前在用的電力電子變壓器進行結構研究，可以闡述為電力電子變壓器是一種將帶有電力特性的能量向另一種帶有電力特性的能量進行轉變的設備，而上述的兩種能量具有不同的頻率、相位等等特征。

1.2 電力電子變壓器原理

電力電子變壓器通過兩種不同的功率變換器實現變頻，屬于交-交式的轉化。它的工作原理主要是將一種電壓，經過一定的轉換器，變換為另一種交流的電壓，利用高頻電壓進行耦合，經變換器轉換為所需電壓。其可以利用增強變壓器的功率實現體積的縮小。運用目前的電力電子技術以及合理的工作技術，實現高頻交流電的\"制造\"，再利用電壓器進行電壓的交互，實現工頻交流電的\"制造\"，減少、減輕變壓器的體積，如此往返，即為電力電子變壓器的工作原理。

當前，因在用的基本所有電力系統相關器件，耐壓性與輸電系統方面都比較薄弱，因此電力電子變壓器需要在配電領域進行一定的技術開發，相較于常規的電力變壓器，配電系統的變壓器其電源兩側的繞組將固定為一次側，與高頻電壓器的繞組將固定為二次側，它們之間由高頻變壓器作為載體進行聯結，詳見圖1。

圖1 配電用電力電子變壓器基本原理

2 電力電子變壓器電路類型分析

2.1 斬控式電力電子變壓器

1995年，美國電科院首先研制出了電力電子變壓器的斬控式樣機，它選取了BUCK結構的電路，其簡單實用，易于調節變壓，但缺點是控制性不強，并不含有變頻的功能，還不能進行電氣隔離，以及無法對輸入的電流與功率進行相關的抑制作用，所以，該斬控式電力電子變壓器無法在輸配電工作中發揮交大的作用。

2.2 交-交-交變換電力電子變壓器

M·Kang（美國德州大學）在1999年，研制出一種新型交-交-交變換電力電子變壓器，其由初、次兩級功率進行交互變頻變壓器組成，通過兩種功率的轉換，連接功率器件，實現雙向流動電能的作用。其優勢為傳送容量增加，體積相對小，缺點為相關器件繁復，結構復雜。

2.3 反激式電力電子變壓器

反激式電力電子變壓器結構簡潔，裝置器件較少，避免了較多的中介環節，因此比前面兩種變壓器結構有更大的進步。其優勢為相關器件少，電感與電容組成電路，簡化了電能質量不足的缺陷。但其開關反應能力偏大，很難在高電壓環境下使用，還容易因漏感產生交稿的尖峰電壓，對電壓應力造成較大的壓力，因此電磁相關的干擾頗為明顯。

3 電力電子變技術在變壓器中的仿真應用

3.1 電力電子變壓器在改善電能質量中的應用

電能質量在國際上的基本既定為：運用電力相關設施設備無法進入工作，以及使得其出現問題的電流、電壓或者頻率等等誤差，其基本內容以電壓波動與閃變、頻率偏移及短時供電中斷等等內容為主，其次還有電壓的偏差、電流波形的畸變以及三相電壓不平衡等等問題，本文主要以前面兩種為主要仿真目標進行研究。說明其常規變化與故障隔離等等作用，對電能質量進行一定的改善。

3.1.1 電壓波動與閃變

在電壓波動與閃變的問題中，由于電力系統的母線出現非整數倍的影響，假設PET一次側的母線頻率是10Hz，幅值為10%左右的和諧波，使得母線電壓有異常的波動，具體的仿真結果圖如圖2所表示。

（1）PET輸入相電壓 （2）PET輸出相電壓

圖2母線電壓波動時的仿真結果

從圖2可見，由于實驗中有一定的間諧波影響，使得PET一次側的母線電壓有較大明顯的波幅，而另外的二次側電壓未受到一定的影響，還是可以對負荷提供有效的供電，對母線電壓閃變有交大的影響。

3.1.2 電壓跌落及供電中斷

本文所實驗的仿真條件為0.2s（10周波）的持續時間，額定值為40%的跌幅，時間為0.3s-0.5s左右的跌落時間，電網電壓跌落供電中斷的特定問題。按照美國電力研究協會的報告指出，電壓跌落幅值一般小于40%，具體的實驗仿真圖詳見圖3，在電網電壓出現跌落的間隙，PET的相關數值仍然保持較為未定的狀態，也就是其輸出電壓并未受到影響，保證一定的輸出。

（1）PET輸入相電壓 （2）PET輸出相電壓

圖3 電網電壓跌落時仿真結果

根據上述的仿真實驗圖可得，電力電子不進可以操作電壓器的轉換與系統的隔離等等功能，還能對電能質量起到良好的控制作用。如圖3（1）中顯示，電網電壓即使出現一定的閃變、不對稱或者跌落，二次側的輸出電壓仍然保持相對穩定的狀態，進行可靠的供電功能。

3.2 電力電子變壓器進行微電網孤島應用研究

從上述的研究可得，如電壓短時供電不足，或者出現一定的跌落，電力電子變壓器的輸出仍然處于穩定的狀態，對于點電能的質量也能給予滿足。通過對電能質量的影響研究，發現頻率偏差，將大幅度的影響電能的質量，尤其是電網中出現可再生能源的時候。

近年來，我國對于可再生能源的重視可見一斑，不斷的有新的可再生能源進入電網中，另外微電網、發電等科研技術廣泛的得到發展，其在電網出現故障以及電能的質量無法達到用電需求的期間，能夠運用孤島方案，持續不間斷的功能，對供電的安全性和可靠性提供了很大的保證，基本微電網結構圖見圖4。

圖4 微電網的基本結構

由于微電網的容量不大，功率波動性大，使得其頻率的控制偏繁復，尤其是主網和微電網分開以后，其功率的波動性就很大，穩定性不強，對于頻率要求高、敏感性強的功能負荷帶來比較嚴重的影響。

通過對可再生能源的研究，主要的一種能源即為風能，通過風能發電，在可再生能源的比例占據越來越高的比重。其中，風力發電機有風能和風機相關理論、異步發電機的參數以及電路設計等等問題，風力發電主要包含了雙饋感應發電機、 普通異步發電機以及多極同步電機等等。

作為一種新型的、智能型的變壓器，電力電子變壓器運用相關器件以及高頻交流變壓器進行交互，充分展示了不同于傳統型的電力變壓器的工作效用和功能，最大限度的保持了下述三種優勢：（1）給予較為穩定、安全的二次側輸出電壓，不受負荷的影響，輸出電壓可控性強，穩定性強；（2）如一次側電壓有一定的故障、電壓跌落、閃動、暫停等問題，也不會受太大的影響，恒定性強，保障性強；（3）不斷吸收、發出武功，使得無功率處于電網中有較小的線損，降低成本。

時代不斷進步，社會不斷發展，不同的、新型的變壓器層出不窮，要使得電能質量有一定的保障、電的負荷得到保障，尤其的配電系統的質量保障，是目前變壓器相關研究中最為重要的問題。電力電子變壓器在上述問題中均能得到較好的體現，解決了許多以前存在的問題，通過無功補償、APF等等功能進行電能質量的調節。相信不久的將來，電力電子變壓器將更加良好的運用于配電系統中，這將在很大程度上幫助調節電能質量，降低相關費用，取得良好的收益。

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作者簡介：黃仲安（1982.05），男，廣西南寧人，廣西電力職業技術學院，本科，研究方向：電氣自動化技術。