深度｜电力电子变压器技术研究综述

 摘要

随着智能电网、能源互联网等未来电网技术的快速发展,能实现变压、电气隔离、功率调节与控制、可再生能源接入等多种功能的电力电子变压器(也称为固态变压器、智能变压器等),相关理论和技术的研究得到了越来越广泛的关注。但是,从总体而言,PET的大规模推广应用还有诸多问题需要解决。该文在分析PET发展历史的基础上,对PET涉及的关键技术,尤其是PET的电路拓扑、控制保护技术、高频变压器优化设计技术、功率电路紧凑化设计技术、高压宽禁带半导体在PET中的应用等进行了梳理和总结。最后对PET发展存在的关键制约因素以及发展的趋势进行了总结和展望。

关键词 : 电力电子变压器; 固态变压器; 智能变压器; 高频变压器;

0 引言

电力电子变压器(power electronic transformer,PET),也称为固态变压器(solid-state  transformer,SST)或智能变压器(smart  transformer,ST)等,一般是指通过电力电子技术及高频变压器(相对于工频变压器工作频率更高)实现的具有但不限于传统工频交流变压器功能的新型电力电子设备。电力电子变压器一般至少包括传统交流变压器的电压等级变换和电气隔离功能,此外,还包括交流侧无功功率补偿及谐波治理、可再生能源/储能设备直流接入、端口间的故障隔离功能以及与其他智能设备的通讯功能等。需要说明的是,本文主要针对具有高压交流端口的PET相关技术进行分类研究。而具有电气隔离功能的DC-DC变换器在有些文献中也称为“直流变压器”或“直流电力电子变压器”,这类DC-DC变换器实际上与很多PET中的高频隔离环节功能与结构十分类似,本文不单独分析。

PET一般应用于中、高压大功率的场合,可以替代传统的工频变压器。但是相比于传统变压器,PET更加适用于丰富系统功能、提高系统性能等方面的应用。综合分析现有的PET文献可以发现,PET的应用目前主要集中在电力机车牵引用的车载变流器系统、智能电网/能源互联网和分布式可再生能源发电并网系统[1-6]。

由于PET采用高频变压器实现电气隔离功能,其相对于工频变压器所需铁心材料更少,可以减少铜、铁等矿物金属的用量,为提高系统功率密度、降低造价提供了可能。早在20世纪60年代末,也就是电力电子技术发展的初期,PET就得到了相关学者的关注和研究[7-8]。然而,受到当时电力电子功率半导体器件发展水平的限制,PET的发展一直较慢[9-17]。但是,在一些对工频变压器占用空间限制较高的特殊场合,PET的研究得到了关注,并进行了实用化的尝试。其中之一便是通过PET替代欧洲部分铁路系统的机车牵引用工频变压器。欧洲的部分铁路供电系统额定工作频率为16.7Hz,这导致了机车上的车载牵引变压器体积大、重量重,也影响了机车的牵引变流系统性能。从上个世纪90年代末开始,PET的研究就得到了欧洲工业界的关注,ABB、Bombardier、Siemens等公司先后研制了中压等级的工程样机[18-33]。特别是ABB公司,其研制的机车牵引用单相PET容量达到1.2  MW,并于2012年2月在瑞士铁路的电力机车上实现了首次应用[27,30]。另外,需要特别指出的是,近年来在高压大容量领域,尤其是柔性高压直流(voltage-  source converter based high-voltage direct  current,VSC-HVDC)领域获得广泛应用的模块化多电平变流器(modular multilevel  converter,MMC)就是为应用于机车牵引用车载PET而被发明[20-21]。

在美国提出智能电网(smart grid)计划之后,以及随着近年来可再生能源发电系统并网技术、能 源互联网(energy  internet)技术等电力领域新兴技术的发展,PET因其高度的可控性、兼容性和良  好的电能质量等特性在上述未来电网技术领域的应用研究引起了广泛的关注,并成为近年来电力电子领域的研究热点[1,3-6,34-95]。针对电网和可再生能源领域的应用,国内外的科研机构也先后研制了从几个kVA到MVA级别的多台PET样机,并完成了实验验证[1,35-36,39,43,47,49-50,53,55-57,59-60,62,64-66,69-70,78-80,  83,86,96-99]。

需要指出的是,PET的多项功能,例如直流接入、变频输出、故障隔离、无功/谐波治理等已经超出了传统工频变压器的概念。因此,将PET与工频变压器进行效率、造价、功率密度等性能的直接比较也不尽合理。更合理的比较是从功能相近的角度出发,将PET与集成了工频变压器及电能质量治理功能的综合电能管理装置进行对比,而非仅仅将PET与其中的工频变压器进行比较。

实际上,PET也一般不应该用于直接替代传统的工频变压器的交流-交流变压及电气隔离功能,而是在特定的场合更能发挥其多方面的价值。以  图1(a)所示的中压-低压配电(微网)应用为例,假如低压侧含有大量的光伏、风电、充电桩、储能设备等以直流为中间电能变换环节的设备,则传统方案中这些设备为了连接交流电网,前端都需要配置逆变器。另外,为了提高低压交流侧的供电质量,还可能需要无功补偿、谐波治理等电能质量治理设备。而如果将PET用于此场合,如图1(b)所示,则PET的直流端口可以直接连接光伏、风电、储能设备等中间直流环节,即可以取消这些设备中的前端并网逆变器,以及原有交流系统中的电能质量治理设备;当然,也可以取消原有工频变压器中的继电保护及自动化相关的一次和二次设备。这为优化整个低压配电(微网)系统的架构、效率和经济性等提供了可能,也更能发挥PET的优势。而若将PET用于直接替代图1(a)中的工频变压器,则可能很难实现系统的经济高效运行。

图1 PET在低压配电网中的应用

作为一台具有实用价值的复合型电力电子变流器,PET的研究和开发涉及电力电子变流器的电路拓扑理论、低损耗且低谐波的调制方法、高性能控制技术、故障保护方法、高频变压器的多物理场优化设计方法、PET的软开关及损耗精确评估方法、高压绝缘及冷却技术、功率电路的电磁兼容及多物理场紧凑化设计技术、功率半导体理论及应用等多个学科相关的理论和技术,属于电气工程领域的多学科交叉研究。而综合分析目前的研究可以发现,与实际需求相比,PET尚有很多理论及技术问题需要解决,尤其是电能转换效率低、功率密度低、造价高及可靠性较差等突出问题。造成这些问题的主要原因是目前的电力电子功率半导体耐压水平有限,PET中的变流器通常采用级联拓扑,使得PET中的功率半导体和储能电容、电感等数量巨  大[1-2,70]。而为了简化PET中的电力电子变流器拓扑,采用更高电压、更低损耗的功率半导体,特别是基于碳化硅(SiC)的宽禁带半导体器件的研究在近年来也得到了广泛关注[31-32,56-57,77,82-83,87,96,100-101]。

本文针对PET相关的关键技术研究文献进行了梳理和总结,其中：第1节介绍PET的电路拓扑特点、分类和典型拓扑的优缺点;第2节介绍PET中变流器的调制及软开关技术、开环及闭环控制技术、故障保护技术等;第3节介绍PET中的高频变压器的电、磁、热、绝缘等优化设计技术;第4节介绍PET中变流器功率电路的电、磁、热、绝缘的紧凑化设计技术及宽禁带功率半导体,尤其是高压碳化硅(SiC)器件在PET中的应用及其特点;第5节对PET发展现状进行总结,对其发展趋势进行归纳。

1 PET的电路拓扑

PET一般可应用于智能电网、可再生能源接入或电力机车牵引变流系统等需要对电能形式进行变换并要求电气隔离的场合。根据应用场景的不同,PET的高、低压端口电能形式及隔离方式一般也不相同,通常需要采用定制化的电路拓扑,很难实现统一标准化设计。这也促成了PET电路拓扑的多元化技术路线。

作为应用于交流电网的PET,其输入侧一般为中高压交流端口,而为了能够涵盖传统工频变压器的基本功能,在很多场合也要求PET能够输出低压交流。因此,本文以中高压交流输入、低压交流输出的PET作为基本的分类对象。而对于具有直流端口的PET来说,大多数情况下其可以作为低压交流输出型PET的一部分。

PET包含电力电子变流器构成的AC/AC、AC/DC或DC/AC等电能变换环节。电能变换环节数量的多少是影响PET效率的重要因素。对于中高压交流输入、低压交流输出的PET来说,为了便于直观地区分不同类型的PET拓扑电能变换环节数量及复杂程度,本文依据从输入到输出经过的电能变换环节的数量将现有拓扑分为三级型、四级-I型、四级-II型和五级型四种基本类型,如图2(a)—(d)所示。需要说明的是,由于高频变压器在实现AC/AC电能变换时也会产生损耗,本文也将其单独作为PET电能变换的一个环节。

图2 基于电能变换环节数量的PET拓扑分类

1.1 三级型PET

对于三级型PET,其电路一般由输入AC/AC变换器、高频变压器和输出AC/AC变换器构成。三级型PET的典型实例拓扑包括：

美国德克萨斯A&M大学针对配电应用提出基于双向开关构成的直接矩阵变换型PET拓扑[10],如图3所示。其中,双向开关由两只绝缘栅双极型晶体管(insulated  gate bipolar transistor,IGBT)器件反向串联构成。PET输入侧AC/AC环节将工频交流电通过调制产生1000  Hz交流电,并通过高频变压器连接至输出侧AC/AC环节进行解调,将高频交流电还原成工频交流电。文献[11]提出一种基于升压-降压(buck-boost)式PET拓扑。这类矩阵变换式PET的拓扑和控制相对简单,且所需电容器数量少,运行效率也较高,但是不具备谐波电流抑制的功能。该拓扑为了满足端口并网电能质量需求,一般需配置额外的无源滤波元件[47]。

美国佐治亚理工学院在2016年提出了基于电流源型变流器的三级型PET拓扑,如图4所示[99]。该PET中电流源型变流器的开关器件可以采用IGBT串联二极管,或者逆阻型IGBT的形式;通过辅助谐振回路可实现所有开关器件的软开关,因而可以工作在较高开关频率,减小高频变压器铁心体积。同时,该拓扑可以实现端口电能质量治理,并可抑制启动和故障工况下的冲击电流。但是,电流源型变流器在开路故障下由于高的di/dt(电流变化率)易触发过压保护,需要额外配置谐振电容、电涌保护装置等。这就增加了系统的复杂性,降低了PET的功率密度。

图3 文献[10]中的单相三级型PET拓扑

图4 文献[99]中的三级型PET拓扑

三级型PET拓扑结构较为简单,易于实现高效率运行。但是,由于此类PET不具备直流端口,因此,其功能较为单一,不能满足具有直流设备接入场合的应用需求。

1.2 四级-I型PET

对于四级-I型PET,其电路一般包括输入AC/AC变换器、高频变压器、输出AC/DC变换器和输出DC/AC变换器。四级-I型PET的典型拓扑实例包括：