基于三電平拓撲的電力電子變壓器研究

摘要：提出一種改進的基于三電平拓撲的電力電子變壓器(PET)。輸入級、隔離級與輸出級結(jié)構(gòu)分別采用二極管箝位式三電平PWM整流器、零電壓開關(guān)半橋三電平DC／DC變換器和兩電平逆變器。與兩電平PET相比，可在有效提高輸入電壓等級的同時降低開關(guān)損耗。針對變壓器各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了控制方案，并在配電系統(tǒng)環(huán)境下對其進行了建模和仿真。仿真結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)運行及電源波動、負載投切等動態(tài)運行條件下，三電平PET均能保持初、次級良好的電壓電流波形，且能維持輸出電壓恒定，有效抑制了電網(wǎng)與負載的擾動，實現(xiàn)了良好的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵詞：變壓器；三電平；零電壓開關(guān)

1 引言
近年來，一種基于電力電子變換技術(shù)的新型電網(wǎng)配電變壓裝置，即PET，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。它不僅體積小、重量輕，而且具有交直流轉(zhuǎn)換能力，可靈活地將各種分布式發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，比傳統(tǒng)變壓器更能適應(yīng)智能電網(wǎng)環(huán)境下用戶對電能的個性化需求。
在三電平結(jié)構(gòu)中，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為兩電平拓撲的一半，因此可以成倍提升輸入級的電壓，解決PET在配電系統(tǒng)中的實用化問題，且不存在開關(guān)管直接串聯(lián)電路中的器件均壓問題。與模塊串并聯(lián)拓撲相比，可以減少所用器件的數(shù)量，提高PET的可靠性并降低成本。但目前國內(nèi)還未見公開發(fā)表的有關(guān)三電平結(jié)構(gòu)PET的相關(guān)文獻。這里在上述文獻的基礎(chǔ)上提出改進的三電平PET，設(shè)計了三相系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的控制策略，并通過仿真驗證了其拓撲和控制策略的有效性。

2 三電平PET電路介紹
圖1為三電平PET的拓撲結(jié)構(gòu)。其工作原理為：輸入級將高壓工頻交流電經(jīng)整流后變成直流電，在隔離級被調(diào)制成高頻方波加載到高頻變壓器，降壓后在次級又還原成直流電，最后經(jīng)輸出級逆變成三相低壓工頻交流電。由于中間隔離級的存在，在電源發(fā)生電壓波動、頻率閃變、諧波注入或負載投切時，三電平PET能避免系統(tǒng)側(cè)與負載側(cè)的相互影響，維持初、次級良好的電壓電流波形，且輸出恒定的電壓。

2．1 輸入級
系統(tǒng)的輸入級采用二極管箝位式三電平PWM整流器，每一個橋臂由4個功率開關(guān)構(gòu)成，因此每一個主功率開關(guān)所承受的電壓峰值只有兩電平PWM整流器的一半，而且三電平PWM整流器有27個開關(guān)矢量，因此其在開關(guān)頻率不是很高的情況下也能保證網(wǎng)側(cè)良好的電流波形，其諧波和畸變率大大小于兩電平PWM整流器。高頻的PWM整流器可以保證網(wǎng)側(cè)電流與電源之間功率因數(shù)為1。
2．2 中間隔離級
系統(tǒng)的中間隔離級在原有三電平PET基礎(chǔ)上作了改進，采用零電壓開關(guān)半橋三電平DC／DC變換器，對配電變壓器不考慮能量的雙向流動，故在變壓器次級采用全橋不控整流電路，開關(guān)管兩端并聯(lián)電容為其自身結(jié)電容。與兩電平PET中的DC／DC變換器相比，通過變換器初級2只中點箝位二極管使得4只開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸入直流電壓的一半，且通過諧振電感Lk對4只開關(guān)管上的并聯(lián)結(jié)電容進行充放電，使相應(yīng)的結(jié)電容兩端電壓達到零，實現(xiàn)零電壓開關(guān)，飛躍電容Cs用來將2對開關(guān)管開關(guān)過程連接起來，這樣能有效減小開關(guān)損耗，提高變換器效率。
2．3 輸出級
由于隔離級已將高壓直流電變換為約600 V的低壓直流電，且PET輸出目標也是380 V低壓用電，在此電壓等級下，目前的IGBT器件已足夠成熟可靠，因此輸出級采用兩電平PWM逆變器，并輔以LC濾波器。