配電系統電力電子變壓器拓撲結構的思考

裴慧霞 金光

摘 要：新時期，電力行業得到了全面的發展，配電系統的整體運行水平也在不斷的提升，同時也對電能傳輸設備提出更高的要求，因此本文針對電力帶腦子變壓器的拓撲結構進行分析。首先簡單了解配電系統電力電子變壓器的現狀，然后深入分析電力電子變壓器拓撲結構以及具體功能，最后有針對性的提出了幾點電力電子變壓器拓撲結構中還需要進一步發展的方面，以期為電力電子變壓器實際應用提供建議。

關鍵詞：配電網；三級型；雙向流動

電力電子變壓器在國家的配電系統中，發揮著十分重要的作用，不僅能夠保證配電系統的穩定運行，還能夠輔助電力生產計劃的落實實施，完善配電系統的服務功能。但是隨著社會的發展，對配電系統運行提出了新的要求，因此必須要加強對電力電子變壓器拓撲結構的研究分析，深入了解電力電子變壓器的功能特性和應用效果，讓電力電子變壓器的作用得到充分發揮，以此滿足新時期配電系統運行的需求。

1 配電系統電力電子變壓器的發展狀況

電力電子變壓器這一概念最早出現在1970年，由美國的GE公司提出，以變換電路的形式在配電系統中發揮作用，在高頻變換原理提出后，電力電子變壓器的發展速度逐漸加快，到了1980年時，美國海軍在設置電力電子變壓器拓撲結構時，引入了AC/AC變換器，讓電力電子變壓器具有了降壓功能，在此基礎上，推動電力電子變壓器拓撲結構的應用價值得到進一步提升。隨著科學技術的發展，電力電子變壓器拓撲結構不斷地完善，在保障配電系統和電能傳輸設備的穩定運行中起到了關鍵性的作用。雖然早期的電力電子變壓器結論并不成熟，但是在大功率電力電子器件技術的廣泛應用后，也出現了符合電力電子變壓器特性的拓撲結構。

2 配電系統電力電子變壓器拓撲結構分析

現階段，常見的拓撲結構有三種，分別為：單級型、雙級型、三級型，這種拓撲結構是根據電能變換次數完成的分類，其中雙級型的拓撲結構還可以進一步劃分為高壓直流環節和低壓直流環節兩種，具體內容如下。

2.1 單級型電力電子變壓器拓撲結構

單級型的電力電子變壓器的變換環節較少，且結構簡單，只需要通過以此電能變換就能夠實現變壓，在實際應用這種單級型的電力電子變壓器時，還需要考慮具體的配電系統運行情況，有選擇性的使用[1]。這種單級型PET的工作原理為輸入到電力電子變壓器中的工頻交流電壓在高頻變壓器的原變種直接被調制成為高頻交流電壓，而電壓在耦合到副邊后又直接被還原成為工頻交流電壓，下圖為一種典型的AC/AC單級型PET結構：

在這種單級型PET結構中可以通過對自身重量的控制，提高運行效率，進而采用科學的方法調整工作頻率，能夠讓單級型PET所傳遞的能力不斷遞增。比如，在單級型PET的拓撲結構中加入傳統的硅鋼心變壓器后，該PET傳遞能量的能力可以達到工頻變壓器的三倍。雖然AC/AC單級型PET結構有點突出，但是這種PET功能較為單一，也不具備功率因數校正功能，還對原邊、副邊開關信號的同步性有著較高的要求。面對這種情況，可以在PET中引入高頻耦合電感，以此提高工作效率，減少在工作過程中產生的諧波電流。

2.2 雙級型電力電子變壓器拓撲結構

雙級型電力電子變壓器的拓撲結構有兩種，分別為：具有高壓直流環節的拓撲結構和具有低壓直流環節的拓撲結構兩種，兩種結構原理較為相同[2]。其中高壓直流環節電力電子變壓器是將工頻高壓交流電整流成為高壓直流后，經過隔離型逆變器轉換為低壓交流，需要注意的是使用的隔離型逆變器中需要含有高頻降壓變壓器，而低壓直流環節的電力電子變壓器只是先通過隔離型整流器將工頻高壓交流電轉變為低壓直流后，在逆變為低壓交流。下圖為雙級型單相電力電子變壓器的拓撲結構：

需要注意的是，這種拓撲結構中只有低壓直流環節，采用的是DAB整流變換器，因此這種結構的電流波動較大，且低壓直流側的調節功能相對較弱。而在其他的雙級型電力電子變壓器拓撲結構中，也只是對單級AC/AC結構的改進，在可控性、簡化性上都無法和單級型以及三級型的電力電子變壓器拓撲結構向比較，因此雙級型電力電子變壓器拓撲結構并不常用。

2.3 三級型電力電子變壓器拓撲結構

三級型拓撲結構下，電力電子變壓器的工作原理為：通過AC/DC變換器后的工頻交流電壓成為直流電壓，在經過DC/DC變換器，進行直流變壓，最后還需要經過DC/AC逆變器，形成所需要的交流電壓，和二級型相似，在DC/DC變換器中需要具有高頻變壓器。和前兩種拓撲結構相比，三級型的拓撲結構的變換次數較多，且結構復雜，但是其本身的控制特性較為優越，能夠讓PET得到更加廣泛的應用。且三級型PET中的低壓直流環節，能夠有效整合能量存儲設備，提高PET的穿越能力，因此這種三級型PET也被應用在為電動汽車充電的環節中。下圖為一種典型的三級型PET拓撲結構：

目前，三級型PET拓撲結構在配電網中也得到了一定的應用，比如，針對配電網使用的電力電子變壓器輸入端和輸出端的特點，在三級型PET拓撲結構中采用了輸入串聯輸出并聯的方式，并且采取模塊化的結構，實現了冗余控制。

2.4 不同拓撲結構可實現的功能分析

由上可知，將電力電子的變換技術合理的應用到變壓器中，就能夠讓電力電子變壓器在適當的控制下形成全新的特點，但是不同的PET拓撲結構之間的功能能力各不相同。其中在單級型PET拓撲結構中可以實現的功能有功率雙向流動、調節輸出電壓，而雙級型PET拓撲結構中可以實現的功能有功率雙向流動、調節無功功率和輸出電壓和輸入電流、輸入電壓跌落穿越、直流電壓輸出、接入能量存儲系統和光伏發電系統，過流保護、諧波消除，但是以上功能中并沒有效果較好的功能，最后是三級型PET拓撲結構，和雙級型PET拓撲結構相同，其中功率雙向流動、過流保護、諧波消除的功能可以實現，而其他的功能是在實現的基礎上，以更加優秀的效果實現。

3 電力電子變壓器拓撲結構中的關鍵技術問題

3.1 運行穩定可靠性

PET之所以能夠取代傳統變壓器成為引用最廣泛的能量轉換設備是因為其本身具有的高穩定性和可靠性，但是隨著傳統變壓器的發展和改善，對PET也造成一定的沖擊，因此未來PET的優化設計中必須要進一步強化其運行的穩定性和可靠性，減少高壓側開關的數量，將新材料和新技術引入其中，推動PET得到全面的發展。

3.2 轉換效率的提升

PET本身的優點較多，但是工作效率相對較低，同時這也制約PET實用化發展的主要原因，因此在PET的設計研究工作中，還需要提高PET的工作效率，尤其是針對開關頻率較高的隔離環節，常見的PET結構中開關頻率可以達到1020kHz[3]。比如，可以將PET中的開關換成軟開關，以此降低開關的損耗率，提高PET的工作效率。但是對于隔離級而言，開關頻率并不是身高，反而是輸入側和輸出側的導通電流較大，因此在隔離級中，高壓側的開關需要實現ZVS，低壓側的開關則需要實現ZCS，這種方法也可以有效降低開關的損耗。

3.3 功率的雙向流動

想要讓PET完全取代傳統變壓器，就要在實現PET隔離變壓功能之外，必須要具備能量雙向傳輸功能，而本文的三種PET拓撲結構中都能夠實現雙向傳輸能量，但是都沒有實現能量的雙向流動。因此還需要進一步完善PET的控制方案，要求PET的控制系統不僅能夠處理大量的數據，還需要快速響應。

3.4 PET的并聯技術

PET在產品化的過程中，經常會出現PET和傳統變壓器并聯的情況，或者是多臺PET并聯運行的情況。這是因為并聯技術的使用能夠有效提高配電系統的可靠性，提高運行效率，減少總體的備用容量，但是在實際的應用環節中，也存在一定的問題，比如，同步、保護、均流等。縱觀國內外關于PET的研究后發現，關于PET并聯引發的不平衡負載、以及非線性負載情況的研究相對較少，因此還需要進一步對PET的并聯技術進行分析，找到科學合理的PET并聯控制策略。

4 總結

綜上所述，想要保證配電系統的穩定運行，就要在配電系統中配置一個拓撲結構良好的電力電子變壓器，通過電力電子變壓器提高配電系統的運行效率，實現電力行業生產效率最大化。根據實際的行業發展情況，深入分析電力電子變壓器的拓撲結構，保證拓撲結構的良好性，為國家配電系統的長期運行提供必要支持，提高國家電能輸送水平，讓電力行業以飽滿的狀態面對新時期的形勢變化。

參考文獻：

[1]陳啟超，紀延超，潘延林，等.配電系統電力電子變壓器拓撲結構綜述[J].電工電能新技術，2015（3）：4148.

[2]龐英俊.配電系統電力電子變壓器拓撲結構綜述[J].科學技術創新，2017（36）.

[3]盧子廣，趙剛，楊達亮，等.配電網電力電子變壓器技術綜述[J].電力系統及其自動化學報，2016，28（5）：4854.

作者簡介：裴慧霞（1981），女，河南許昌人，碩士，講師，研究方向：電工技術。