5.1 电力电子变压器及隔离型DC-DC变换器概述（上）在线视频

大家好

我是来自华北电力大学的田艳军

今天我们来学习一下电力电子变压器

首先我们来介绍一下

电力电子变压器相关概述

传统的变压器大家都已经很熟悉

它是利用电磁感应原理

来改变交流电压的装置

主要结构也比较简单

包括初级线圈

次级线圈和磁芯

变压器的电压源力最初由法拉第发现

但是直到19世纪八十年代才展开应用

在著名的电流大战当中

直流电和交流电展开竞争

由于交流电能够通过变压器很容易的实现

电压的升压和降压的变化

从而在电能传输的过程当中

可有效控制并减小电能损耗

使得输电距离大为延长

从而形成了世界上大多数电力系统都采用

交流电压的这样的一个格局

电力电子变压器也称为固态变压器

它是指通过电力电子技术及高频变压器

实现的

具有变压功能的一个新型的电力电子设备

但是并不局限于

传统的工频交流变压器所提供的功能

固态变压器当中

固态指的是功率半导体器件

因为我们知道在电子领域

第一代半导体器件通常称为气态电子器件

比如真空二极管

水云弧整流器等

因为他们工作时电反应是在气态下进行

因而称为气态电子器件

固态电子器件是指由功率半导体

所形成的电子器件

因而固态变压器是指由IGBT等

固态功率半导体器件形成的

能够实现对电压进行变换的变流装置

跟固态硬盘当中的固态两个字

具有相似的意思

电力电子变压器的发展有着明显的

一个时代技术背景

近年来

电力系统运行方式发生着巨大的变革

电网由传统的交流电网

向交直流混合电网转变

分布式电源与电力电子设备

在电力系统中的渗透率不断增加

直流负荷持续增长

传统交流电网

在供电效率

输电容量以及电能质量等方面

存在诸多的限制

而直流电网凭借在提高新能源渗透率

直流直流负荷接入等方面

展现出来的优势得到广泛关注

在此背景下

促进了电力电子变压器的一个应用

电力电子变压器的功能一般包括

传统交流变压器的电压等级变换

和电气隔离等

此外

还包括交流侧无功功率补偿及谐波治理

还可提高可再生能源或储能设备的

直流接入端口

并能够实现端口间的故障隔离

同时

能够实现通讯功能等

如下图所示是

电力电子变压器在直流配网当中的应用

从图中

我们可以看出

电力电子变压器可实现新能源储能装置

及负载的接入

以及连接不同电压等级的交直流母线

在电力系统当中

电力电子变压器可发挥重要的

电能节点控制作用

也是能源互联网当中

实现电能路由器的一个核心装备

电力电子变压器一般应用在

中高压大功率场合

用于替代传统的工频变压器

相比于传统变压器

它可以提高系统性能

它的特点比较突出

接下来我们对比一下

传统的工频变压器和电力电子变压器

它们各自的特点

传统的工频变压器体积大

效率高

成本低

使用寿命长

动态调节能力较差

电力电子变压器它的特点是功率密度大

清洁无污染

输出电压灵活控制

谐波抑制能力突出

可实现无功功率补偿和故障隔离等

另外

他的动态响应速度快

电力电子变压器除了实现

传统的电压等级变换和电气隔离功能外

还可以实现系统闭环控制

无功功率补偿

谐波抑制、隔离故障等功能

方便可再生能源和储能设备的接入

由于应用场合不同

电力电子变压器的高、低压端口

电能形式及隔离方式也不同

因而才需要采用定制化的电路拓扑

从而导致固态变压器拓扑

没有统一的设计标准

但从大体上可以进行如下分类

根据端口电压极性

电子电子变压器可以分为

交流到交流

交流到直流以及直流直流的三种类型

从电力电子变换器的级数考虑

可以分为单极型

双极型和三级性三类

AC/AC型

电子变压器

传统的交流变压器功能类似

我们以它为例来进行介绍

单机型电力电子变压器是

一种直接的交流变换

由输入AC/AC变换器

高频变压器

输出AC/AC变换器构成

高频变压器原副边各只有一级变流器结构

所以称为单击

它的工作原理

为输入侧AC/AC

变换器将工频交流电调制为高频交流电

通过高频变压器连接至输出侧的

AC/AC变换器

经变换后最终还原为工频交流电

单极型电力电子变压器的特点是

拓扑简单

仅经过一级变换

从而易于实现高效运行

但是它的缺点是可控性较差

输入输出测扰动互相耦合

并且输出谐波含量较大

对电能质量的调节和改善能力十分有限

并且他不具备直流端口功能

相对来说比较单一

仅在体积和重量有较高要求的场合

具有一定的应用前景

两极型电力电子变压器增加了一级变流器

因而可以提供直流端口

根据直流端口所处的电压等级

在高压侧还是在低压侧可以分为

两级-I级和两级-II型结构

两级-I型电力电子变压器

在高压侧AC/DC变换器

提供了直流端口

其结构包括输入侧

AC/DC变换器

DC/AC变换器

高频变压器和输出侧AC/DC变换器

两级二型的电力电子变压器

与两级一型拓扑相似

提供了低压侧的直流端口

可以在低压侧提供

并网输入直流端口

两极性电力电子变换器拓扑

由于引入了一级直流环节

其可控性较单级型电力电子变压器更强

可以实现功率因数调节

阻断交流扰动的传播

提供直流单元接入端口

但由于依然存在AC/AC变换器

因此都存在与单极型拓扑类似的固有缺点

对于3三级型电力电子变压器

拓扑结构包括

输入侧AC/DC变换器

隔离型DC/DC变换器

以及输出侧

DC/AC变换器

其中隔离型DC/DC变换器一般由

DC/AC变换器

高频变压器

和AC/DC变换器三部分构成

尽管三级型电力电子变压器

增加了电能变换环节

但由于没有直接的AC/AC变换器

所以具有更好的控制特性

可以实现输入输出侧电压、电流

及功率因数的灵活控制

并提供了多种交直流电压母线

因此

三级型电力电子变压器

获得了广泛的关注和研究

由于输入输出侧的AC/DC环节

可采用的拓扑结构主要有

H桥、MMC、NPC等

而隔离型的DC/DC变换器是

电力电子变压器的核心环节

目前大多数电力电子变压器均采用

隔离型的DC/DC变换器作为中间级

因此下一节

我们将介绍隔离型DC/DC变流器