一种级联型电力电子变压器的拓扑结构

胡世勇， 邹海荣

(上海电机学院 电气学院， 上海 201306)

随着电网的不断发展，传统电力变压器在结构和功能上的缺陷日益突显，已渐渐无法满足当今电力系统发展的需求，于是电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)便应运而生。PET是结合电力电子变换技术和基于电磁感应原理将一种电力特征的电能转换为另一种电力特征的电能的电力设备[1]。它在实现电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还能实现潮流控制、电能质量控制等许多额外的功能[2]。

比较完善的PET结构由美国德州A&M大学的Kang等[3]提出，该方案基于直接AC/AC变换技术，大幅度地减小了变压器的体积和质量。2002年，美国学者Ronan等[4]提出了3级结构(输入级、隔离级、输出级)的PET(见图1)。此后，由于功能上的优势和技术上的成熟，3级式拓扑结构成为应用与研究中的主流。

图1 电力电子变压器的3级结构

近年来，国内外大量文献对PET拓扑结构、控制策略进行了研究，文献[5]中提到了一种基于二极管钳位多电平的拓扑，它可以很好地减少谐波，但其拓扑的硬件结构比较复杂，而且功率器件均为二极管，只能单相传递能量。文献[6]中提出输入级采用模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)的方案，该拓扑输出电压质量高、功率灵活可控，但功率模块多，限制了PET的功率密度，并且成本高，不经济。文献[7]中的隔离级采用了双主动桥(Dual Active Bridge，DAB)，该方案应用广泛，技术成熟，但如果考虑变换效率和开关损耗，其并不是最佳选择。文献[8]中虽然采用了比DAB更好的LLC谐振变换器，但其忽略了励磁电感的影响，对于一个非理想的高频变压器而言，励磁电感可以创造一个能量传输的条件。……