深度｜电力电子变压器技术研究综述

ABB公司在电力机车车载牵引变流系统中采用了级联型矩阵变换器作为高压交流输入的四级-I型PET拓扑[22],输入为15kV/16.7Hz交流电压,输出侧的AC/DC变换器直流电压为1800V,并通过输出DC/AC变换器为机车牵引逆变器供电,样机容量为1.2MW。该拓扑在PET输入侧采用与文  献[10]中类似的矩阵变换器进行级联连接以承受接触网的高电压,如图5所示。但是,基于矩阵变换器的PET存在换流控制复杂、开关器件保护困难、运行可靠性较差等问题,制约了其在实际系统中的应用。

为了减少高频变压器的数量,文献[20-21,72,89]等将MMC应用于PET中,如图6所示。由于MMC具有模块化、多电平、易冗余、交流端口电能质量高、运行效率高等优点,在PET中应用能改善系统运行可靠性、效率及运行性能。但是,由于MMC的子模块通常需要大量的功率半导体器件和储能电容,这导致基于MMC的PET功率密度和经济性难以提高。另外,MMC型PET难以实现功率半导体器件的软开关,如何实现其高效率运行尚需深入研究。

图5 文献[22]中的单相四级-I型PET拓扑

图6 文献[20]中的三相四级-I型PET拓扑

1.3 四级-II型PET

对于四级-II型PET,其电路一般包括输入AC/DC变换器、输入DC/AC变换器、高频变压器和输出AC/AC变换器。与四级-I型拓扑相比,四级-II型拓扑将AC/AC变换器设置在高频变压器的低压侧。文献[38]提出一种四级-II型PET电路拓扑,该拓扑包含背靠背连接的H桥、高频变压器和循环变流器。该PET拓扑不仅具备动态电压条件能力,还能够实现H桥和循环变流器的软开关,系统效率较高。但是,对于中、高压的应用场合,其输入侧的H桥很难实现电气隔离,这也使得此种类型的PET拓扑研究较少。

无论是四级-I型还是四级-II型PET拓扑,其中都存在AC/AC变换器,因此,都存在与三级型拓扑类似的矩阵变换器或电流型变流器的固有缺点。因此,四级-I型和四级-II型PET在实际中应用并不广泛。包括ABB公司在早年的机车牵引用PET中采用了四级型拓扑,而在后期的工程样机研制中则采用了五级型拓扑。

1.4 五级型PET

对于五级型PET,其电路一般包括输入AC/DC变换器、高频隔离DC/DC变换器及输出DC/AC变换器。其中,高频隔离DC/DC变换器一般由高压DC/AC变换器、高频变压器和低压AC/DC变换器三部分构成,即高频隔离DC/DC变换器本身就含有三级电能变换环节。由于无直接的AC/AC变换器,滤波电路简单,且具有多种交、直流端口,模块化程度高,在实际的PET研制中,五级型的PET获得了最广泛的关注和研究。

对于中、高压应用的五级型PET,受到功率半导体器件耐压水平的限制,其高压侧输入AC/DC变换器通常采用级联H桥(cascaded  H-bridge,CHB)变流器、MMC和中点箝位(neutral point clamped,NPC)变流器等拓扑。

由于CHB具有高度模块化、可扩展以及易实现冗余设计等优点,是PET常用的拓扑结构,如  图7所示[78]。ABB公司和Bombardier公司采用此拓扑研制了应用于15kV/16.7Hz交流输入、输出DC/AC变换器直流电压为1800V的机车牵引车载PET[23,27-28,30]。美国未来可再生电能传输与管理系统(the  future renewable electric energy delivery and management  system,FREEDM)基于此拓扑研制了Gen-I  PET样机[5,48,62],可应用于7.2kV交流输入、400V交流输出的电网中,并具有240V/120V直流端口。在输入级,Gen-I采用了6.5kV  IGBT构建H桥子模块。在隔离级,Gen-I采用了双有源桥(dual active  bridge,DAB)结构。瑞士苏黎世联邦理工学院多年来针对PET拓扑开展了较深入的理论研究,并面向10kV交流/400V交流的应用,对CHB型PET拓扑的输入级和隔离级功率单元的效率、功率密

图7 文献[78]中基于CHB的的五级型PET拓扑

度、经济性等指标在内的多目标优化设计开展了研究[4,83-84,97,102]。文献[75,78]提出了基于四有源桥(quad-active  bridge,QAB)的PET拓扑。其中QAB由高频变压器原边的三个H桥以及副边的一个H桥构成,充分利用了PET的高压侧高电压、小电流与低压侧低电压、大电流的特点,减少了变压器与子模块数量,提高了PET功率密度。

在国内,相关科研机构针对基于CHB的五级型PET拓扑也开展了研究,并研制了样机。华中科技大学研制了10kV交流输入、380V交流输出的500kVA样机,并完成了挂网运行试验[64]。根据其运行场景需求,电能仅需从10kV侧向380V侧单向流动,因此在隔离级中高频变压器低压侧采用不控整流桥,以提高运行效率,降低成本。挂网运行试验中样机运行效率约93.72%。湖南大学研制了10kV交流输入、380V交流输出的CHB型PET[92],该PET隔离级输出也采用二极管不控整流桥,并完成了运行试验。

另外,基于MMC的五级型PET也得到了相关学者的关注和研究。该种拓扑具有稳定可控的高压与低压直流端口,适用于高压大功率应用场合。中国科学院电工研究所于2010年提出MMC型PET拓扑,先后研制了两代PET样机,并完成挂网运  行[49,55],该PET的电路原理图如图8所示。第一代PET样机为10kV交流输入、380V交流输出、额定容量为100kVA,低压侧可同时提供直流、交流连接端口。第二代PET主要用于连接10kV交流电网和750V低压直流微网和部分交流负荷,额定容量为1MVA,其主要功能是实现交流电网与直流微网的功率协调控制与能量管理。

图8 文献[49]中基于MMC的五级型PET拓扑

文献[49,61]针对基于MMC和CHB的五级型PET拓扑进行了对比分析,分析结果表明,在同样的电压等级和功率半导体器件耐压水平下,MMC型拓扑比CHB型PET拓扑需要更少的开关器件和高频变压器,并且可以具备高压直流端口,可实现更丰富的接入与互联功能。但MMC型拓扑的主要缺点是子模块和储能电容数量多,在考虑满足中高压场合应用的电气绝缘、散热、隔离等设计需求的情况下,PET功率密度较低。

另外,为了尽量减少功率器件和储能电容数量,提高PET功率密度,NPC拓扑在PET中的研究也得到了相关研究机构的关注。美国电科院(Electric  Power Research Institute,EPRI)采用此类拓扑,研制了三相2.4kV交流/277V交流的PET样  机[34-35],其拓扑如图9所示。该PET中NPC变流器采用三电平结构,隔离级副边变流器采用不控整流桥,只能实现电能单向流动。FREEDM基于15kV SiC  IGBT和10kV SiC  MOSFET器件研制了三相PET[56]。该PET高压交流侧采用三相NPC型整流器,并将高压侧直流母线电压升高到22kV,隔离级采用了多绕组高频变压器。

图9 文献[34]中基于NPC的五级型PET拓扑

对于五级型PET来说,MMC型和NPC型拓扑能够同时提供高压和低压直流端口,而CHB型拓扑无公共高压直流母线。虽然MMC型和CHB型PET拓扑易于在不同电压等级应用的扩展,但随着电平数的增加,两种拓扑的储能电容数量也会显著增加。而NPC型PET拓扑电容数量相对很少,因此比MMC型和CHB型具有更高的功率密度。但是NPC型拓扑不具有模块化结构,且随着电平数的增加,电路拓扑变得极其复杂,而电容电压均衡也变得更加困难。

前文主要针对单输入、单输出的PET拓扑进行了归纳和总结。而多端口PET通常具有多种电能形式或电压等级的电气端口,可接入不同类型的电源、储能及负荷设备,在微网、交直流混合配电网、智能电网等领域具有广泛的应用前景,近年来也受到了众多国内外学者的关注[1,15,33,36-37,39,45,50]。对于多端口PET,现有文献中的拓扑大多基于五级型方案实现或者拓展。

文献[37]提出基于公共低压直流母线的多端口PET拓扑,各端口电路均经过隔离型DC-DC变换器连接到公共直流母线,如图10所示。该拓扑可实现各端口独立控制,但是各端口之间功率交互需要经过较多的电能变换环节,效率较低。

图10 文献[37]中基于公共直流母线的多端口PET拓扑

由欧洲多家大学和企业联合承担的通用柔性电能管理项目(universal and flexible power  management,UNIFLEX-PM)提出一种三端口PET拓扑,并研制了实验样机,其拓扑如图11所示[39]。该PET中三个端口均为交流端口,各端口通过直流节点交错连接,实现端口间的能量交互。而文献[50]提出基于高压直流母线的多馈入PET,形成输入级的多端口PET拓扑,可接入多个高压交流电网。

图11 文献[39]中UNIFLEX-PM提出的多端口PET拓扑

为了减少高频变压器数量,文献[33,45]利用多绕组变压器构建基于多有源桥(multi-active  bridge,MAB)的多端口PET拓扑,如图12所示。此类拓扑所需高频变压器数量少,具有更好的功率密度优势。但是由于多绕组变压器使得PET的多个端口之间的功率存在很强的耦合,因此需要较复杂的解耦控制实现各端口功率协调与均衡。