王 優(yōu)， 鄭澤東， 李永東

(清華大學電機工程與應用電子技術系， 北京 100084)

中高壓電力電子變壓器拓撲與控制應用綜述

王 優(yōu)， 鄭澤東， 李永東

(清華大學電機工程與應用電子技術系， 北京 100084)

電力電子變壓器(PET)作為一種新型的電能路由設備，在智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)領域有著極大的應用價值。本文針對中高壓的應用背景，對典型的PET拓撲及相關的控制策略進行了分析，總結了各類拓撲在系統(tǒng)效率、可靠型以及控制復雜度等應用方面的特點，其中帶有多模塊級聯(lián)高壓側變換器的三級式PET拓撲電平數(shù)易于擴展，且控制上較為簡單，但在系統(tǒng)體積與效率方面仍有優(yōu)化的空間。本文還對于隔離級中兩種不同類型的變換器進行了具體控制方法上的歸納與對比，對兩種不同變換器在中高壓應用場合的適應性進行了分析。

電力電子變壓器； 中高壓應用； 拓撲結構

1 引言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出以及智能電網(wǎng)相關技術的推廣應用，風能、光伏等可再生能源在現(xiàn)有能源系統(tǒng)中的比例將大大提升，這也表明了未來的電網(wǎng)將更加地智能與靈活。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，由于分布式的用戶與能源比例增加，電能的傳輸需要高度可控，在智能配電網(wǎng)中，電網(wǎng)需要具備高度穩(wěn)定且優(yōu)質的電能，在兼容大量分布式可再生能源的同時對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)測與管理，以上對于能源或電力網(wǎng)中設備提出了高度智能化的要求，而傳統(tǒng)的工頻變壓器在功能上存在著限制。

電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)是通過電力電子變換電路進行電能變換并采用中高頻變壓器進行磁耦合與隔離的電能變換裝置。相比于傳統(tǒng)工頻變壓器，PET能夠實現(xiàn)交直流形式的電能變換，且由于含有電力電子變換電路，PET兼具功率因素校正、無功補償、諧波補償和繼電保護等功能。由于其高度的可控性，PET在能源互聯(lián)網(wǎng)及智能配電網(wǎng)中具有較高的應用優(yōu)勢。

PET的概念早在1968年就已經(jīng)被提出[1]，應用場合也非常廣泛，如機車牽引[2-5]、風機[6]等。相比于其他應用場合的PET，應用于中高壓電網(wǎng)的PET具有以下特點：

(1)PET中連接中高壓電網(wǎng)側的電路具有承受中高壓電壓等級的能力，同時，由于另一側常與低壓的用戶電網(wǎng)相連接，PET應能夠完成較大變比的電壓變換。

(2)PET的容量能滿足中高壓等級配電變壓器容量的要求，由此低壓側的電流等級較高，具備較大的電流容量。

(3)為匹配現(xiàn)有電網(wǎng)，PET為三相交流輸入輸出，同時為了充分體現(xiàn)PET的智能化特點，PET兼具有功無功控制、無功和諧波補償以及功率因數(shù)校正等功能。

(4)整體系統(tǒng)在不同的負載范圍內(nèi)都有較高的效率，同時保證在不同工況下的可靠性。

由于PET的結構非常靈活，其在拓撲上有著非常大的選擇空間，針對于中高壓應用場合的PET來說，為了滿足以上的應用特點，在拓撲結構和相應的控制方法上與其他應用場合有著相應的區(qū)別。本文針對中高壓應用場合的PET，將對相關的拓撲結構與相應的控制方法進行總結與比較，并將就以上結構的應用可行性與存在的相關問題加以探討。

2 PET整體結構選擇

PET的拓撲結構形式多樣，根據(jù)能量變換級數(shù)的不同，可以分為單級、雙級和三級三大類[7]，其中雙級結構又包括具有高壓和低壓直流母線的兩類，如圖1所示。

單級式PET中，中高頻隔離變壓器的兩端連接AC/AC變換器，如圖1(a)所示。原邊的AC/AC變換電路將輸入的工頻交流電壓調(diào)制成高頻交流電壓，經(jīng)過變壓器耦合后再通過副邊的AC/AC電路變換成工頻交流電壓輸出。單級式PET變換級數(shù)和使用器件數(shù)量少，變換效率高且功率密度大，然而由于沒有直流環(huán)節(jié)不便于應用在交直流混合電網(wǎng)中，同時功率解耦控制復雜。

雙級式PET在高壓或低壓側有直流母線，其隔離變壓器一側的拓撲與單級式PET類似，另一側通過AC/DC或DC/AC電路與直流母線相連，電路將高壓直流變換成高頻交流電壓，或者將高頻交流電壓整流成低壓直流，如圖1(c)及圖1(d)所示。由于擁有高壓或低壓的直流環(huán)節(jié)，雙級式PET能夠實現(xiàn)在高壓側與中高壓直流電網(wǎng)或者是在低壓側與光伏、儲能系統(tǒng)的連接，然而隔離變壓器兩端變換器傳遞的有功功率對于變壓器的漏感參數(shù)非常敏感，同時直流母線電容需要承受較大的二倍頻波動，且變換器電流波動較大[7]，在控制上存在困難。

三級式PET在高低壓側均有直流母線，輸入的工頻交流電通過AC/DC變換整流得到高壓直流母線，再調(diào)制成高頻方波，通過中高頻變壓器耦合至低壓側，整流得到低壓直流母線，再通過DC/AC逆變得到工頻交流電壓，如圖1(b)所示。三級式PET能夠連接高壓和低壓的直流系統(tǒng)，同時各變換級的控制相對獨立，易于實現(xiàn)解耦與補償控制，但變換次數(shù)多，結構最復雜。由于變換級數(shù)多，三級式的PET拓撲結構更易于實現(xiàn)高壓側的級聯(lián)與低壓側的并聯(lián)，能夠滿足中高壓場合的應用需要。因此，在中高壓等級的PET研究與應用中，三級式拓撲是使用得最多的拓撲形式。

對于應用于中高壓領域的PET來說，低壓側的電壓等級低，對于器件的電壓等級限制小，而高壓側整流級與中間隔離級由于電壓等級高，對電路拓撲和器件都提出了更高的要求。對此，現(xiàn)有研究重點主要針對兩個方向：①基于現(xiàn)有器件電壓等級的中高壓PET新拓撲與控制方法；②采用高電壓等級新器件的PET拓撲與控制，如10kV等級的SiC等[8，9]。然而目前高壓SiC器件尚處于實驗室研發(fā)階段，商用的器件電壓等級仍不能夠達到要求，故采用多模塊級聯(lián)或單一模塊多電平形式的拓撲滿足輸入的高電壓等級要求，典型的幾種拓撲如圖2所示，第3部分將針對各拓撲進行分析。

圖2 適用于中高壓的典型拓撲Fig.2 Typical topologies in medium and high voltage applications

3 中高壓應用領域的典型拓撲

3.1 級聯(lián)H橋拓撲

級聯(lián)H橋變換拓撲如圖2(a)所示，PET中每相整流級均由級聯(lián)的H橋子模塊構成，由于每個H橋子模塊需要隔離的直流母線，故PET的高壓側直流母線分立，需要連接相互隔離的DC/DC變換級。

文獻[9]針對FREEDM系統(tǒng)提出了第一代中壓等級的PET拓撲，輸入單相交流電壓，整流級采用三級級聯(lián)的H橋，高壓側直流母線分立，并通過后級隔離DC/DC變換電路隔離，如圖3所示。圖3中拓撲的方案已經(jīng)在一臺20kV·A、7.2kV～120/240V的樣機上得到了實現(xiàn)[4]，由于系統(tǒng)高度模塊化，樣機還通過增加冗余模塊以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻[5]基于類似拓撲，提出了一種應用于配電網(wǎng)的交直流混合多端口能量路由器，并進行了針對參數(shù)與能量路由器性能的仿真與實驗驗證。為了滿足能量路由器交直流混合的要求，文中的拓撲除了包含圖3中的高、低壓交流端口外，還將并聯(lián)的低壓側直流母線引出，得到能量路由器的低壓直流端口。

圖3 采用級聯(lián)H橋整流級的單相PETFig.3 Single phase PET with cascaded H-Bridge rectifier

級聯(lián)H橋整流級的拓撲還被應用于單相供電的機車牽引變流器上。瑞士ABB公司研制的一臺15kV/1.2MV·A的牽引變流器樣機，PET中頻變壓器頻率為1.8kHz，變壓器原邊變換器采用不對稱半橋結構，副邊變換器采用對稱半橋結構[10]。加拿大龐巴迪公司研制的400kV·A牽引變流器樣機，PET輸入整流器為10級級聯(lián)的H橋，高頻變壓器頻率為8kHz，變壓器原副邊連接H橋變換器，低壓側直流母線相互并聯(lián)，驅動單個牽引逆變器負載[11]。對于牽引變流器來說，多級級聯(lián)的拓撲增大了等效開關頻率，減小了牽引變壓器由于整流帶來的諧波，降低了輸入濾波的要求。

在三相配電網(wǎng)中，由于以上PET拓撲高壓側直流母線分立，往往使用三套單相PET星接或者三角接[12，13]，如圖4所示。由于級聯(lián)H橋拓撲高度模塊化，易于擴展，當選擇的級聯(lián)數(shù)合適時，可以在較高的輸入電壓下使用較低電壓等級的器件。對于H橋結構的控制相對成熟，無需額外的復雜算法，同時級聯(lián)結構輸出電平數(shù)多，諧波特性較好。然而由于級聯(lián)結構各個子模塊流過的電流相同，各級聯(lián)模塊輸出直流電壓控制存在耦合，導致各直流母線電壓不均衡，需要增加額外的電壓平衡控制算法進行控制，如文獻[14]基于有無功定義利用負序電流注入的方法對級聯(lián)子模塊的直流母線電壓進行控制，電壓在穩(wěn)態(tài)與動態(tài)均有較好的平衡效果。由于高壓側直流母線分立，三相PET采用三個單相系統(tǒng)，需要三套隔離級和逆變級裝置，且在輸入單位功率因數(shù)的條件下每相的直流母線還會存在二倍頻電壓波動，需要較多的器件數(shù)量和較大的母線電容。

圖4 采用級聯(lián)H橋整流級的三相PETFig.4 Three phase PET with cascaded H-Bridge rectifier

3.2 模塊化多電平拓撲

模塊化多電平(Modular Multilevel Converter, MMC)拓撲結構如圖2(b)所示，拓撲中每相橋臂由級聯(lián)的半橋子模塊構成，每相橋臂的上半與下半部分連接非耦合電感作為電流的緩沖。MMC拓撲在作為整流級連接高壓交流電網(wǎng)時，通過整流得到高壓直流母線，連接高壓直流電網(wǎng)，同時拓撲模塊擴展簡單，使用低電壓等級器件進行多模塊級聯(lián)能夠增加電平和等效開關頻率，減小諧波、降低濾波要求，在高壓直流輸電方面有著較為廣泛的應用。

在中高壓PET方面，文獻[15，16]針對高壓直流電網(wǎng)與低壓交流電網(wǎng)的電壓變換，將MMC應用于如圖3類型的級聯(lián)H橋型PET拓撲中，得到如圖5(a)的MMC型PET拓撲，其中三相MMC連接高壓直流母線和三相高壓交流電網(wǎng)，各子模塊之間的能量通過三相的雙主動橋(Dual Active Bridge, DAB)傳遞至低壓側，通過同樣的低壓MMC拓撲變換成低壓交流和直流母線。文獻[17，18]中的拓撲則是將連接單相MMC各子模塊的DAB輸出并聯(lián)，得到低壓直流母線。在圖5(a)的拓撲中，由于母線電壓依靠各子模塊支撐，高壓直流母線電容僅作電壓支撐，系統(tǒng)體積減小。文獻[19]基于MMC提出的三相PET拓撲通過三相MMC整流變換器的高壓直流母線進行能量的傳遞，高壓直流母線連接輸入級聯(lián)輸出并聯(lián)的LLC諧振變換器，而各子模塊的電容懸空作為電壓支撐，如圖5(b)所示。由于拓撲中隔離級只有一套，減少了中高頻變壓器的數(shù)量。同時，電容電壓的二倍頻波動僅存在于子模塊電容中，高壓母線上輸入的三相瞬時功率二倍頻分量相互抵消，電壓恒定。以上拓撲還在一臺10kV交流輸入750V直流輸出的能量路由器樣機上實現(xiàn)[20，21]，系統(tǒng)用于中壓配電網(wǎng)與分布式直流電網(wǎng)的連接。

圖5 采用MMC整流級的PETFig.5 PET with MMC rectifier

由于能連接單一的直流母線，MMC變換器還可以作為隔離級的原邊變換器連接PET的高壓直流母線與隔離變換器，如圖6所示。文獻[22]將DAB連接高壓側直流母線的變換器替換成MMC拓撲，子模塊為半橋與全橋混合模塊，應用于分布式儲能與高壓直流電網(wǎng)的連接，該拓撲僅需一臺中高頻變壓器，同時具有低電壓穿越能力。文獻[23]針對直流分布式電網(wǎng)和高壓直流電網(wǎng)的連接也采用了類似的拓撲結構。然而以上拓撲僅完成了模型的仿真驗證，在實際應用中尚未實現(xiàn)。

圖6 采用MMC高壓變換器的隔離變換器Fig.6 Isolated converter with MMC converter in high voltage side

MMC型PET拓撲雖然子模塊結構更為簡單，但在控制上算法較為復雜。首先，MMC的三相橋臂并聯(lián)在同一母線上，各相橋臂間存在環(huán)流，環(huán)流疊加在上、下橋臂電流內(nèi)會使開關器件額定電流容量提高，增加器件損耗。針對MMC的環(huán)流問題，文獻[24，25]分析了MMC中環(huán)流產(chǎn)生的機理，并針對MMC橋臂間水平、垂直環(huán)流和二倍頻環(huán)流提出了相應的抑制方法。其次，由于模塊級聯(lián)，MMC變換器橋臂中的子模塊同樣存在電壓不平衡問題。文獻[26]基于電容電壓排序平衡算法進行改進，優(yōu)先控制電壓偏離額定值較多的子模塊，降低了器件的開關頻率。另外，當高壓直流母線出現(xiàn)短路時，由于半橋子模塊續(xù)流二極管仍然導通，會產(chǎn)生較大的故障電流，通過改進子模塊的結構能夠對MMC拓撲低電壓穿越特性進行改善[27，28]。

3.3 鉗位型多電平拓撲

中點鉗位型(Neutral Point Clamped, NPC)多電平拓撲如圖2(c)所示，除了圖2(c)中的二極管鉗位型NPC拓撲外，NPC拓撲還有飛跨電容型及混合鉗位型等其他類型的拓撲，但由于電容體積較大，NPC拓撲仍多采用無源或有源的開關器件進行鉗位。以二極管鉗位型多電平拓撲為例，三相整流級拓撲中每相橋臂由級聯(lián)的開關管和其中的鉗位二極管構成，并聯(lián)在單一高壓直流母線上。文獻[7]中提出了整流級采用四電平二極管鉗位電路的單相PET拓撲，單一高壓直流母線后連接輸入級聯(lián)輸出并聯(lián)的DAB，如圖7所示。以上拓撲可以擴展成為三相結構，同時根據(jù)器件耐壓水平和高壓側的電壓等級對電路的電平數(shù)進行改變。同MMC拓撲一樣，NPC拓撲還可以應用于隔離級中，連接高壓直流母線與隔離變壓器，如圖8所示。文獻[29]將三電平二極管鉗位NPC變換器應用于LLC諧振變換器的高壓側，并在一臺166kW/2kV～400V的樣機上進行了驗證，文獻[30]將三電平二極管鉗位NPC電路應用于三相DAB中，得到了較理想的DAB電壓電流特性。

圖7 采用二極管鉗位NPC整流器的PETFig.7 PET with diode clamped NPC rectifier

圖8 采用二極管鉗位NPC高壓變換器的PETFig.8 Isolated converter with diode clamped NPC converter in high voltage side

NPC拓撲作為整流級時不需要隔離的直流母線，隔離級變壓器的數(shù)量減少，且三相結構的母線上不存在二倍頻電壓波動。然而由于鉗位型拓撲需要大量的鉗位器件，在電平數(shù)增加時鉗位器件數(shù)量增加，電平數(shù)擴展困難，同時難以實現(xiàn)冗余。在控制上，流入NPC變換器各母線電容的電流不相同導致電容電壓不均衡，在三電平以上的NPC拓撲中尚未有有效的電壓平衡算法，且橋臂內(nèi)外開關管工作時間不一致導致發(fā)熱不均，僅能通過改變電路整體拓撲解決[31]。

電平數(shù)擴展所帶來的諸多困難使得NPC拓撲只能通過器件串聯(lián)或應用SiC的高壓器件實現(xiàn)在中高壓等級的應用，然而在低電壓等級下，相較于單H橋拓撲，三電平NPC在各個開關管的承壓以及電壓應力上僅為前者的一半，同時輸出電平數(shù)多，輸出濾波要求低，作為PET低壓側的逆變級時有相當?shù)膽脙?yōu)勢。如文獻[32]采用三電平二極管鉗位NPC作為PET的逆變級驅動三相電機，并進行了實驗驗證，得到良好的電機的驅動性能與噪聲性能。

3.4 輸入并聯(lián)輸出級聯(lián)的隔離級結構

對于應用于中高壓場合的PET來說，由于隔離級兩側電壓等級發(fā)生了較大改變，拓撲的選擇須兼顧高壓側的高電壓等級以及低壓側的高電流等級，由此常采用輸入級聯(lián)輸出并聯(lián)(Input Series Output Parallel, ISOP)型的多模塊組合式拓撲，如圖9所示。

圖9 ISOP型隔離級結構Fig.9 ISOP isolation topologies

當PET系統(tǒng)對于模塊化程度要求較高時，如在圖3與圖5(a)的拓撲中，采用圖9(c)與圖9(d)中的拓撲形式對多個低電壓等級的變換子模塊進行組合更為適合，此時變換子模塊往往采用單輸入單輸出的隔離DC/DC變換器。圖3與圖4中PET的隔離級即為連接于級聯(lián)H橋整流器分立直流母線上ISOP型的DAB，而圖5與圖7中PET的隔離級也采用了相同拓撲結構。當選擇的隔離DC/DC子模塊容量相同時，電路參數(shù)分散會導致各子模塊電流不均衡，影響系統(tǒng)實際容量，故以上ISOP型的拓撲需要增加各子模塊間功率或電流的均衡控制。另外，由多個小變換模塊以ISOP形式構成的隔離級拓撲需要多個中高頻變壓器，所占體積較大，故也有文獻提出了采用單一雙繞組中高頻變壓器的新拓撲，如在2.2節(jié)中提到的高壓側采用MMC拓撲的DAB[22]，該拓撲僅需一臺中高頻變壓器，適用于中高壓場合，但大容量的PET對隔離變壓器的電流等級有較高的要求。

為了減小多個雙繞組中高頻變壓器帶來的體積增加，另一種解決方式是在隔離級采用多繞組的變壓器，如圖9(a)和圖9(b)所示。多主動橋(Multiple Active Bridge, MAB)拓撲由多繞組變壓器和連接在變壓器各繞組兩端的變換器構成，數(shù)學模型與DAB類似，可以解耦成為多個DAB拓撲進行控制[3]，由此可以通過與DAB類似的移相的方法控制多繞組變壓器中各個繞組功率的分布以及MAB各個端口的電壓。目前MAB結構多作為多端口PET實現(xiàn)。文獻[33]提出一種應用于微電網(wǎng)中分布式儲能及光伏接入的四端口電力電子變壓器，采用四端口MAB實現(xiàn)，同時還討論了功率的流向關系及相應的控制策略。文獻[34]基于家庭式能源路由器提出了一種基于六端口MAB的電力電子變壓器，應用于含有光伏、儲能、交直流負載的微網(wǎng)中。將MAB拓撲應用于中高壓PET的隔離級中的實例僅存在于專利中，在實際樣機中尚未出現(xiàn)，然而由于MAB拓撲對控制各個端口電壓與功率的分布較為方便，可以作為解決級聯(lián)母線電容電壓不均衡以及單相高壓直流母線電容電壓波動的一個研究方向。

當變壓器的總功率、額定電壓以及額定電流都不變時，采用多繞組變壓器和多個雙繞組變壓器方案的總損耗基本相同。相比于雙繞組變壓器，多繞組變壓器的各繞組間相互隔離，連接各繞組的負載靈活性高，且由于多個繞組共用鐵芯，使得變壓器體積小，然而相對地，多繞組變壓器模塊化程度差，制造難度大，且控制較為復雜。在隔離級變壓器的選擇上，需要根據(jù)使用的端口數(shù)量以及體積、重量等要求綜合考慮決定兩種拓撲形式。

4 隔離級典型拓撲的控制

對于三級式PET的隔離級來說，其主要結構包括連接高壓側直流母線的高頻逆變單元、連接低壓側直流母線的高頻整流單元，以及承擔隔離作用的中高頻變壓器。隔離DC/DC變換電路主要有兩種類型，即DAB與LLC諧振變換器，如圖10所示。下文將針對以下兩種隔離DC/DC變換電路的控制方法進行分析。

圖10 典型隔離級變換電路Fig.10 Typical isolation converters

4.1 DAB變換器

DAB變換器由隔離變壓器和連接在各繞組上的變換器構成，如圖10(a)所示。由于MAB拓撲可以解耦成多個DAB拓撲進行分析，在此僅討論采用雙繞組隔離變壓器的形式。對于變壓器兩端的變換器來說，除了最常見的全橋拓撲外，半橋及三電平NPC等也有應用。采用半橋變換器的DAB隔離級拓撲由于控制簡單、使用器件數(shù)量較少，也在較多場合有應用[8,35]。但相較于全橋變換器，半橋變換器中每個開關器件的電流應力和通態(tài)損耗大，且采用的兩個級聯(lián)母線電容中點電壓存在波動。另外，在DAB拓撲中采用全橋變換器可以輸出占空比改變的方波，使得系統(tǒng)控制更加靈活。

DAB通過原副邊之間的移相角傳遞能量，共有兩個內(nèi)移相角和一個外移相角三個控制變量。在目前針對DAB控制的研究中，為了提升整體系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)DAB兩側變換器開關器件的零電壓開通(Zero Voltage Switching, ZVS)是所有策略的基礎，在此基礎上進一步對開關器件的導通損耗、電壓電流應力和負載特性等參數(shù)進行優(yōu)化。針對DAB器件的通態(tài)損耗問題，文獻[36]采用通用移相調(diào)制，通過對DAB變壓器漏感電流進行最優(yōu)控制以降低兩側開關器件的通態(tài)損耗，在實現(xiàn)ZVS的同時實現(xiàn)了最小開關損耗，極大提升了系統(tǒng)效率，文獻[37]同樣針對DAB漏感電流進行優(yōu)化控制，使得在較大的母線電壓范圍內(nèi)開關器件的導通損耗最低。在軟開關實現(xiàn)問題上，文獻[38]在低負載的條件下采用三角波電流調(diào)制實現(xiàn)了部分器件的零電流開通(Zero Current Switching, ZCS)，減小了系統(tǒng)的開關損耗。在器件開通的電流應力方面，文獻[3]針對多端口MAB拓撲，利用通用移相調(diào)制實現(xiàn)了在不同負載條件下的ZVS，并減小了器件開通時的電流尖峰。

以上控制方法優(yōu)化了DAB的性能，在中高壓PET的應用場合中，有助于提升系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。然而對于DAB來說，其軟開關范圍窄，以上控制在某些特定的工況下并不能達到全范圍的軟開關。同時，由于從電源發(fā)出的瞬時功率隨時間變化，在DAB的開關周期內(nèi)會出現(xiàn)反向功率流動，導致DAB導通損耗較大，且DAB在連續(xù)電流調(diào)制模式下并不能夠實現(xiàn)開關的ZCS，ZCS僅能在電流斷續(xù)模式的調(diào)制下實現(xiàn)。

4.2 LLC諧振變換器

LLC諧振變換器主要使用三個諧振器件Lr、Cr、Lm構成諧振網(wǎng)絡，其中Lr常作為變壓器漏感出現(xiàn)，如圖10(b)所示。諧振型變換器還有其他類型的拓撲，如LC串聯(lián)、LC并聯(lián)拓撲等，但由于LLC諧振變換器在電壓可控性和軟開關范圍等方面特性較好，在應用中較多使用。

LLC諧振變換器的控制一般采用占空比50%的對稱方波作為變壓器一側H橋的驅動信號，另一側H橋作為二極管橋使用，驅動信號始終為低電平，當需要實現(xiàn)能量反向流動時，將驅動信號改為施加在另一側的H橋上。LLC諧振變換器通過諧振網(wǎng)絡傳遞能量，目前針對LLC諧振變換器的研究主要集中在針對兩端器件軟開關的實現(xiàn)、針對不同負載的特性的參數(shù)選擇以及傳輸效率優(yōu)化等方面。針對變換器參數(shù)的選擇，文獻[39]對LLC諧振電路的工作模態(tài)進行建模，提出了優(yōu)化的諧振參數(shù)設計方法，使得變換器中開關器件的導通損耗最優(yōu)。在輸入電壓與負載特性優(yōu)化方面，文獻[40]提出了LLC諧振變換器變頻與移相混合的控制方法，保證了寬輸入電壓范圍內(nèi)系統(tǒng)的效率，并實現(xiàn)了全電壓、負載范圍內(nèi)開關管的ZVS和整流二極管的ZCS，文獻[41]采用類似的方法實現(xiàn)了在不同負載工況下對于輸出電壓穩(wěn)態(tài)的準確控制，同時減小了變換器兩側器件的電流尖峰與輸出電壓紋波。

對于PET的應用場合，在網(wǎng)側電壓波動或負載變化較大時，需要DC/DC變換器的電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)，以提升輸出性能，針對于LLC諧振變換器的控制與參數(shù)優(yōu)化能夠提升系統(tǒng)的效率，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相對于DAB變換器，LLC諧振變換器可以同時實現(xiàn)全部器件的ZVS和副邊的ZCS，效率較高，但在同等電壓功率時電流幅值偏大，有較大的器件應力，在實現(xiàn)閉環(huán)的電壓控制時，LLC諧振變換器對于電壓的調(diào)節(jié)范圍有限，也不能實現(xiàn)與DAB相同的寬電壓范圍控制。

5 中高壓電力電子變壓器應用亟待解決的關鍵技術問題

由前文的分析總結可知，針對于中高壓應用場合的PET在各類拓撲與相應的控制方法上都有了大量研究，然而在實際應用中，仍有以下幾個方面并不成熟，亟待完善與改進：

(1)運行可靠性問題

在中高壓應用場合，PET作為取代傳統(tǒng)變壓器的新一代技術，需要在惡劣的工作環(huán)境下有著同樣甚至更高的可靠性。在使用普通硅基的開關器件時，中高壓PET需要進行多模塊的級聯(lián)或采用多電平拓撲，器件數(shù)量將大大增加，由此對系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性提出了很高的要求。對于PET來說，運行的可靠性涉及到器件、電容、變壓器等諸多環(huán)節(jié)，其可靠性的提升也需依賴于以上方面制造工藝與相關技術的提升，例如高壓SiC新器件的使用能夠減少系統(tǒng)的開關器件數(shù)量，同時SiC器件的溫度特性相較硅基器件也有了提升。由此，SiC等寬禁帶材料新器件的使用是中高壓PET技術發(fā)展的一個新的方向。

(2)系統(tǒng)功率密度與效率優(yōu)化問題

在PET的隔離級，已經(jīng)有大量針對開關器件ZVS與ZCS的研究，使系統(tǒng)效率得到提升。由于開關器件工作在較高的開關頻率下，可采用中高頻的隔離變壓器，使隔離變壓器體積減小，然而當系統(tǒng)工作頻率提升，器件開關損耗增加，同時變壓器與開關器件工作溫度上升，需要更大的散熱裝置，散熱部分體積增加，由此在PET系統(tǒng)參數(shù)設計中需對隔離變壓器與散熱等部分的體積進行平衡，系統(tǒng)功率密度的優(yōu)化有待進一步研究。另外，相較于傳統(tǒng)工頻變壓器，PET在高負載工況下的效率仍有待提升。由此，在系統(tǒng)層面，系統(tǒng)的功率密度、效率和工作頻率以及相關的拓撲結構、電容、電感器件與變壓器的參數(shù)選擇問題需要進行綜合的優(yōu)化分析。而在器件材料方面，低損耗的開關器件與高頻、高效、大容量的變壓器相關新材料的開發(fā)與采用新材料產(chǎn)品的未來應用也是中高壓PET技術發(fā)展的一個方向。

由以上分析，可以看出中高壓PET的實現(xiàn)除了拓撲選擇與控制方法優(yōu)化外，還涉及到器件與材料相關技術，以及實際工程應用如散熱系統(tǒng)設計等其他問題。隨著研究的深入和技術難題的解決，PET的應用將會更為普及。

6 結論

本文對應用于中高壓領域PET進行了分析，針對適用于中高壓場合的典型拓撲進行了分析，對比了各拓撲在系統(tǒng)體積、可靠程度以及控制難易程度等方面的優(yōu)缺點，并就PET隔離級常用的兩種不同類型的變換器進行了具體控制策略上的總結與適應性分析。隨著新器件的普及和電力電子變換技術的發(fā)展，應用于中高壓場合的PET在系統(tǒng)效率、功率密度和可靠性方面的性能會逐步提高，在智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)中將有著非常廣泛的應用前景。

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Review of topology and control application of medium and high voltage power electronic transformer

WANG You, ZHENG Ze-dong, LI Yong-dong

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

As a new intelligent power transmission equipment, power electronic transformer (PET) shows great value in the smart grid and energy Internet applications. In this paper, typical PET topologies and related control strategies are analyzed in view of medium and high voltage application. The characteristics of various topologies in terms of system efficiency, reliability and control complexity are summarized. The three-stage PET with multi-module cascade converter in the high voltage side is easy to expand, and the control is simple, but still there is room for optimization in system volume and efficiency. In this paper, two different types of converters in the isolation stage are summarized and contrasted, and the adaptability of the two different converters in medium and high voltage applications is analyzed.

power electronic transformer; medium and high voltage applications; topology

2017-01-03

北京市自然科學資金項目(3161001)

王 優(yōu)(1994-), 女, 廣西籍, 碩士研究生, 研究方向為電力電子變壓器與能量路由器; 鄭澤東(1980-), 男, 山東籍, 副教授, 博士, 研究方向為電力電子與電力傳動。

TM 922

A

1003-3076(2017)05-0001-10