2017年1月电工技术学报Vol.32 No. 2 第32卷第2期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan. 2017
一种级联电力电子变压器直流电压
平衡控制策略
李响郝瑞祥游小杰王剑黄佳佳龚泽宇
（北京交通大学电气工程学院北京 100044）
摘要基于功率反馈的双闭环功率均衡策略是级联型电力电子变压器隔离级DC-DC变换环节的一种典型控制策略。该策略优点之一是控制过程中明确了变换器传递功率指令这一变量，可以通过对其作处理来调节隔离级传递功率，进而实现多种功能。基于此提出一种改进的整流电压平衡控制策略，在DC-DC变换器各级单元功率指令上引入相应前级整流电压偏差补偿量，通过调节隔离级各单元功率分配以自动实现整流侧直流电压平衡。最后通过仿真与实验验证了这种功率指令补偿式电压平衡策略的有效性。
关键词：级联型电力电子变压器功率指令补偿功率匹配电压平衡
中图分类号：TM41
A DC Voltage Balance Control Strategy for
the Cascaded Power Electronic Transformer
Li Xiang Hao Ruixiang You Xiaojie Wang Jian Huang Jiajia Gong Zeyu （College of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）
Abstract A traditional control strategy for DC-DC converters of cascaded power electronic transformer is double closed-loop control based on real-time power feedback. One of its advantages is that the strategy brings out the power reference and makes it possible to achieve more functions through regulating the transmission power. On this basis, a novel DC voltage balance control strategy is proposed in this paper. DC voltage deviation of the input cell is added onto the power reference of relevant cell, and power allocation can be adjusted to better realize DC voltage balance automatically.
Finally, simulation and experimental results verify the proposed feedforward control strategy.
Keywords：Cascaded power electronic transformer, power reference compensation, power matching, voltage balance
0引言
电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）是一种将电力电子器件和高频变压器相结合、通过电力电子变流技术实现电能变换的变压器[1]，和传统变压器相比，能够更好地实现变压、隔离、能量传递等功能，还具备可控性高，可以实现对波形、潮流、电能质量控制以及自动保护控制等优点[2]。由于受到器件耐压等级等方面限制，在高电压大容量应用场合，通常需要采用多个单元进行串并联，其中模块化级联型结构是主流趋势。进入21世纪以来，级联型PET的相关成果不断推出，其电压、功率等级不断提升，控制方法也在不断优化[3-5]。
由于各级单元电路参数存在差异，级联型PET 整流侧直流环节会产生直流电压不平衡现象，进而给PET系统带来一系列不利影响。因此，保证整流侧各级直流母线电压在整个运行过程中相对平衡是非常重要的。级联型PET的输入级采用单相级联H 桥整流器，并进行独立控制。一些典型的整流电压
国家自然科学基金资助项目（51507009）。收稿日期 2016-06-02 改稿日期 2016-08-15
第32卷第2期李响等一种级联电力电子变压器直流电压平衡控制策略 239
平衡策略，比如针对载波层叠PWM方式的排序法[6-8]以及针对载波移相PWM方式的脉冲补偿法[9-11]，都可以被应用到PET的输入级中。这些电压平衡策略的本质是通过调节各级整流单元充放电情况来实现对网侧吸收功率再分配，以匹配不均衡的各级输出功率，实现直流电压平衡。
由于级联型PET隔离级DC-DC变换环节的传递功率在一定程度上可控，输入级整流器的电压平衡还可以采用另一种思路，即利用DC-DC变换器的控制来调节整流侧各级输出功率大小，令其匹配相应整流单元输入功率，以实现直流电压平衡。文献[12]介绍了一种基于功率反馈的级联PET功率均衡控制策略，该策略可以直接调节各级DC-DC变换器传递功率指令，便于通过调节功率分配来平衡整流侧直流电压。
本文对上述功率均衡控制策略进行改进，在隔离级各单元功率指令中引入前级直流电压偏差，通过调节各级DC-DC变换单元的传递功率，即整流侧相应单元输出功率，实现整流侧各级输入、输出功率匹配进而保持直流电压平衡。最后，通过对上述功率指令补偿式电压平衡策略进行仿真及实验，验证了该策略的有效性。
1级联型电力电子变压器的控制
本文所研究的级联型PET拓扑结构如图1所示。其中，输入级采用级联H桥整流器（Cascaded H-Bridge Rectifier，CHBR）结构；隔离级采用双有源全桥（Dual Active Bridge，DAB）DC-DC变换器结构，且各级变换器相互独立；输出级采用各单元直流母线先并联后逆变的结构。
图1 级联型电力电子变压器拓扑结构
Fig.1 Topology of the cascaded PET
从拓扑结构中可以看到，级联型PET对电能的变换是依照几个层级依次进行的，即输入级AC-DC 变换、隔离级DC-DC变换以及输出级DC-AC变换。这些变换环节相对独立，彼此之间互为电源或负载，因此可以单独对每个环节的控制策略进行分析。1.1单相CHBR控制策略
一种比较典型的n级单相CHBR控制策略[10]如图2所示。其中u*dc为CHBR总直流电压指令，u*dc x、u dc x分别为第x单元直流电压指令值与实际值，x=1,2,…,n。I*s为交流电流幅值指令，i*ac、i ac分别为交流电流指令值与实际值，θ 为网侧交流电压相位，d为整流器交流端脉冲电压占空比（H桥单元交流端电压与直流电压之比，统称为占空比），Δd x、x d 分别为第x单元占空比补偿量及实际占空比，G v(s)、G c(s)分别为电压外环及电流内环调节器传递函数，G b(s)为电压平衡策略调节器传递函数。
图2 级联H桥整流器控制策略框图
Fig.2 Control strategy for cascaded H-bridge rectifier
control strategy
图2上半部分为CHBR整体控制策略，其控制目标是实现直流母线总电压维持于指令值以及实现网侧电流正弦且功率因数可控；图2下半部分为相应脉冲补偿控制策略，其控制目标是实现CHBR各级单元直流电压稳定且保持平衡。
根据单相CHBR结构特点，流过各级功率单元的电流相同，通常将CHBR看作一个单级单相PWM 整流器，其直流电压为CHBR各级单元直流电压之和。该整流器的控制策略采用双闭环矢量控制：外环为电压环，利用PI调节器G v(s)实现对总直流电压的控制，保持其与电压指令值u*dc一致；内环为电流环，利用PR调节器G c(s)实现对交流电流的控制，使其能够无静差跟踪指令电流i*ac。最后，通过一定的调制策略可以得到CHBR各级单元驱动脉冲。
CHBR的整体控制策略只能够实现对各级单元
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电 工 技 术 学 报 2017年1月
直流电压之和的调节，因此需要相应的电压平衡策略来调节各级单元直流电压，使其保持平衡。图2中采用的电压平衡控制策略基于脉冲补偿方式，通过调节各单元直流电压与相应指令值间的偏差，对整流单元交流端脉冲电压进行修正，进而得到各级单元实际驱动脉冲，用以实现直流电压平衡。
根据H 桥单元交流侧功率关系，有
ac ac dc ac x x x x P u i d u i == （1）
式中，P x 为第x 单元从网侧吸收的功率；u ac x 为第x 单元交流端电压。可以看到，整流单元的功率、直流电压及相应占空比之间存在密切关系。式（1）从能量角度说明了脉冲补偿式电压平衡策略的原理。
实质上，这种基于脉冲补偿的电压平衡策略是根据各级H 桥自身损耗与传递功率的大小，通过修正占空比调节各级单元充放电情况，对CHBR 从电网吸收的功率进行重新分配，进而动态地维持各级单元直流电压稳定与平衡。
1.2 双有源全桥DC -DC 隔离变换器的控制策略
根据文献[13-15]中相关结论，电力电子变压器隔离级DAB 式DC-DC 变换器的传递功率满足
Co Ci DAB ||1πU U P L ??ω??
=
?????
（2） 式中，U Co 、U Ci 分别为DC-DC 变换器输出侧、输入侧直流电压；ω 为变换器工作角频率；L 为隔离变压器漏感；? 为变换器前后两个H 桥驱动脉冲移相角。根据传递功率与移相角间的关系，DC-DC 变换器通常采用调节移相角的方式来调节传递功率。
对于输出侧直流母线并联的级联型PET ，由于各级单元高频变压器参数间存在差异，相同移相角控制下各级传递功率也存在差异。为了实现对各级高频变压器充分利用，保证系统可靠性，同时尽量缩小整流环节各级单元等效负载间差距，通常需要采用一定的功率均衡控制策略使隔离级各单元DC-DC 变换器传输功率均衡。
基于功率反馈的DC-DC 变换器功率均衡控制原理[12]如图3所示。其中P *为PET 隔离级总功率
指令，P *
DAB
为隔离级单个单元功率指令，G 1(s )、G 2(s )
分别为电压外环及功率内环的调节器传递函数，?x 为第x 单元驱动脉冲移相角，I DAB x 为第x 单元DC-DC 变换器输出电流。
该策略是一种双闭环控制策略，其中外环为电压环，利用PI 调节器G 1(s )实现对输出电压的控制，保持其与电压指令值
U *
Co
一致；内环为功率环，利
图3 DC-DC 变换器功率均衡控制原理 Fig.3 Power balance control strategy for
DC-DC converters
用PI 调节器G 2(s )实现对各级单元输出功率的控制，使其能够跟踪隔离级单个单元功率指令值P *
DAB 。内环反馈量采集环节对各级单元输出直流电流值进行采样，通过将其分别与输出直流、电压相乘得到各级单元传递的有功功率，作为内环反馈量参与控制。最后，控制器通过一定的调制策略对输出的各级单元脉冲移相角进行调制，得到相应单元驱动脉冲。
这种控制策略下每个DC-DC 变换器单元的功率均为实际检测得到，并且直接参与了功率均衡控制，因此变换器参数差异造成的输出功率差异能够很快被消除。
此外，这种控制方法明确了变换器传递功率指令这一变量，使得控制中既可以通过各级变换器功率对指令值实时跟踪来实现功率均衡，也方便在功率指令上作处理以实现更多控制功能。
2 功率指令补偿式直流电压平衡控制
对于级联型PET 的输入级CHBR 来说，保持各级单元直流电压平衡是保障整流器安全可靠运行的前提。造成CHBR 直流电压不平衡的因素主要有各级单元间参数差异以及各级单元所带负载差异两种情况。根据文献[16]中相关结论，单元间参数差异可以根据损耗模型作等效处理，影响各级单元直流电压不平衡的两方面因素可以统一归结为各级单元损耗存在差异。
CHBR 拓扑的特点决定了其各级功率单元只能流过相同大小的电流。根据式（1）可知，在不采用任何平衡策略的情况下，当CHBR 运行达到稳定状态时，各级单元所分配到的功率与其相应的直流电
第32卷第2期李响等一种级联电力电子变压器直流电压平衡控制策略 241
压成正比。因此，当各级单元损耗存在差异时，会发生CHBR直流电压不平衡现象。
传统CHBR电压平衡控制策略无论是基于排序轮换还是基于脉冲补偿，其本质都是调节CHBR各级单元的功率分配使其适应不同的单元损耗，使得各级单元功率与损耗相匹配，以维持直流电压平衡。
根据前文所述，级联型PET隔离级变换器采用了基于功率反馈的功率均衡控制策略，可以令各级单元传递功率跟踪相同的功率指令以实现功率均衡，换言之，各级功率单元向后传递的功率是可调节的。因此，对于级联型PET的输入级CHBR，可以通过另一种方式实现各级直流电压平衡：在PET 隔离级控制中对各级DC-DC变换单元传递功率进行调节，使相应前级整流单元损耗保持一致。这种情况下，即使前级CHBR不采用任何电压平衡策略，也能够实现各级整流单元功率与损耗相匹配，进而实现直流电压平衡。
上述电压平衡控制方案可以通过在DC-DC变换器控制中加入整流侧电压调节功率指令补偿量来实现，如图4所示。在DC-DC变换器内环指令（即各级单元需要传递功率指令）上加入补偿修正，以相应整流单元直流电压U Ci x跟踪电压指令U*Ci x为目标，通过实际直流电压与指令的偏差调节出相应的DC-DC变换器单元功率指令补偿量，以调节其传递
图4 DC-DC变换器功率指令补偿式整流电压平衡控制Fig.4 Rectifier DC voltage balance control with power reference compensation for DC-DC converters 功率大小，实现前级各单元等效损耗一致，使直流电压达到平衡状态。
为了更好地对这种功率指令补偿式整流电压平衡控制方案进行分析，以辅助设计相应调节器，本文尝试建立近似模型。在建模时，需要将DC-DC 控制器内环当作一个独立的单输入、单输出环节处理。由于内环控制主要用于使各级单元传递功率能够跟踪相应功率指令，再考虑建立近似模型时需要尽量降低模型阶数，因此可以将控制器内环近似看作一个系数为1的比例环节。
考虑到DC-DC变换器控制效果良好，输出直流电压稳定，因此可以根据变换器单元的传递功率P x得到相应直流电流i dc x为
dc*
Co
x
x
P
i
U
=（3）
忽略DC-DC变换器的损耗，可以认为式（3）电流即为输入侧直流电流。因此，根据前级整流环节直流侧电流关系，有
CHBR dc
Cx x x
i i i
=?（4）式中，CHBR x
i、Cx i分别为整流侧相应单元直流输出电流和电容支路电流。
根据上述分析，可以建立功率指令补偿式整流电压平衡控制的近似模型，如图5所示。其中，k p、k i为PI调节器参数，该调节器位于图4中电压平衡调节模块中。
图5 功率指令补偿式整流电压平衡控制近似模型Fig.5 Approximate model of power reference compensation control for DC voltage balance of CHBR 根据近似模型，可以推导级联PET整流侧电压平衡的闭环传递函数为
p i
**
Ci Co Co
*
p
2i
Ci
Co Co
()
()
()
x
x
k k
s
U s U C U C
s
k k
U s
s s
U C U C
Φ
+
==
++
（5）
根据该近似模型闭环传递函数，通过配置一定的动态性能指标，即可设计出相应调节器参数。
此外，由于这种功率指令补偿式电压平衡策略不针对输入侧CHBR各级驱动脉冲做任何处理，各
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级单元脉冲仍然保持在整流器整体控制下的状态，对于载波移相PWM方式来说，CHBR各级单元脉冲占空比仍保持一致。因此在移相后，CHBR交流端合成的多电平电压在单个控制周期内是对称的，和传统电压平衡策略下的合成多电平电压相比，其高次谐波成分明显减少。
值得注意的是，由于这种电压平衡策略对PET 隔离级DC-DC变换器各级单元传递功率指令进行微调，相当于在功率已经均衡的DC-DC变换器上再次进行功率分配调整，这会造成各级DC-DC单元实际传递功率并未严格地实现均衡。但实际上，这种功率指令补偿式电压平衡策略基本上不会影响DC-DC变换器环节的功率均衡控制。
从能量角度看，CHBR各级单元传递功率的差异是造成其直流电压差异的根本原因，这种差异分为两类：CHBR单元本身损耗差异（由CHBR单元参数决定）以及CHBR单元输出功率差异（由CHBR 单元所带负载决定）。对于级联PET，其隔离级功率均衡控制已经消除了CHBR单元输出功率差异，因此本文电压平衡策略所进行的功率调节是用于补偿输入侧CHBR各级单元间等效损耗差异的。相比整个DC-DC变换器传递功率，这种功率调整所占的比例极小，有时甚至小于功率均衡控制中的系统误差。因此，变换器各级单元仍然能够实现功率均衡，不会影响级联PET正常运行。
3仿真与实验
为了验证功率指令补偿式整流侧电压平衡控制策略，本文以三级PET为例进行仿真及实验验证。为了更好地分析控制策略的效果，在模型中给各级单元配置不同参数。
首先对这种电压平衡策略进行仿真证明。输入级CHBR不采用任何电压平衡控制策略，隔离级DC-DC变换器控制中引入功率指令补偿前后CHBR 各级直流电压波形如图6所示。其中，A区为DC-DC 变换器未运行前整流侧单独启动运行的仿真波形，
（a）引入整流侧电压平衡功率指令补偿前
（b）引入整流侧电压平衡功率指令补偿后
图6 整流侧直流电压仿真波形
Fig.6 Simulation waveforms of DC voltages for
input stage
B区为DC-DC变换器启动后的仿真波形，隔离级DC-DC变换器在t=1s时刻启动。
从图6中可以看到，在未引入整流侧电压平衡功率指令补偿时，由于CHBR没有采用任何电压平衡控制策略，各级直流电压在运行中出现一定偏差。在引入整流侧电压平衡补偿环节后，各级直流电压具备了良好的平衡效果。两组仿真结果的对比证明了这种功率指令补偿式整流侧电压平衡策略的有效性。
本文搭建了一个简易的三级PET实验平台对上述电压平衡策略进行实验验证，实验平台如图7所示。为了观察功率指令补偿式电压平衡控制对整流侧直流电压平衡效果的影响，分别给PET实验平台三级单元配置不同的直流放电电阻，使得整流侧单元间等效并联损耗存在差异。
图7 三级PET实验平台
Fig.7 Experimental platform of a three-level PET
三级PET运行实验波形如图8所示，其中图8a、图8b为隔离级DC-DC变换器控制中引入电压平衡功率指令补偿量前、后CHBR各级直流电压波形，图8c为采用功率指令补偿平衡算法后CHBR稳态下网侧电压及电流波形。实验中，CHBR的运行分
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为三个阶段：a阶段为不控整流运行，此时整个装置处于未启动状态，电网侧通过整流桥反并联二极管给直流电容预充一部分电量；b阶段为PET整流侧启动运行，整流控制环节不采用任何电压平衡策略，通过在直流环节加入不同的放电电阻使单元间损耗产生差异，因此该阶段直流电压出现一定偏差；c阶段为DC-DC变换器启动运行，DC-DC输出电压指令为100V，与整流侧单级电压指令保持一致。
（a）引入整流侧电压平衡功率指令补偿前CHBR直流电压
（b）引入整流侧电压平衡功率指令补偿后CHBR直流电压
（c）采用功率指令补偿算法时网侧电压、电流稳态波形
图8 三级PET运行实验波形
Fig.8 Experimental waveforms of three-level PET
从实验结果对比中可以看到，在DC-DC变换器控制中引入整流电压平衡补偿环节后，整流侧各级直流电压很快地实现了平衡，说明该控制环节能够有效地根据前级整流侧直流电压偏差情况来对各级DC-DC变换器单元传递功率大小的分配情况进行微调，进而使整流侧各级单元等效总负载达到一致以实现电压平衡控制，验证了功率指令补偿式整流侧电压平衡控制策略的有效性。此外，由于实验中PET投入负载非常小，故稳态下网侧电流幅值不大。
根据前文分析，与传统脉冲补偿式电压平衡策略相比，功率指令补偿式电压平衡策略下CHBR交流端移相合成的多电平电压在谐波特性方面更具优越性。为了对这一结论进行验证，本文利用三级PET 实验平台分别测试两种平衡策略下CHBR交流端电压波形并分析相应的谐波特性，如图9所示。其中，图9a、图9b分别为CHBR直流电压平衡后其交流端总电压的实验波形；图9c、图9d为交流端总电压进行FFT分析后所得到的各频率谐波含量柱状图。
从实验波形中可以看到，传统脉冲补偿式电压平衡策略下CHBR各级单元交流端电压脉宽存在差异，移相合成得到的交流端总电压在单个控制周期内不对称；而功率指令补偿式电压平衡策略下的CHBR交流端总电压不存在这一现象。对比两种策
（a）脉冲补偿式电压平衡策略下CHBR交流端总电压
（b）功率指令补偿式电压平衡策略下CHBR交流端总电压
（c）脉冲补偿式平衡策略下CHBR交流端总电压谐波特性
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（d）功率指令补偿式平衡策略下CHBR交流端总电压谐波特性图9 两种电压平衡策略下CHBR交流端
电压波形及谐波特性
Fig.9 Experimental waveforms and harmonic
characteristics of AC voltages of CHBR
略下该电压的谐波特性，可以看到功率指令补偿式电压平衡策略下CHBR交流端总电压的高次谐波，尤其是在2kHz、4kHz、8kHz附近的谐波簇含量明显较少，谐波特性较好。实验结果证明了功率指令补偿式电压平衡策略在交流端谐波特性方面的优越性。
4结论
级联型PET隔离级DC-DC变换器采用了基于功率反馈的双闭环控制策略，可以有效实现各级单元传输功率均衡。这种策略通过直接调节DC-DC 各单元传递功率的方式来实现控制，既可以令各单元传递功率跟踪相同指令值来实现均衡，也可以对功率指令做补偿修正等处理来实现更多控制效果。
本文在这种基于功率反馈的双闭环控制策略基础上进行改进，将前级整流单元直流电压偏差作为补偿量引入到了DC-DC控制器的功率指令中，以实现对隔离级各单元间功率分配进行微调。在闭环系统稳定时，不仅各单元实际传递功率能够跟踪相应指令值，前级整流单元直流电压也能够跟踪给定的平均电压指令，进而实现PET整流侧电压自动平衡。仿真和实验验证了这种功率指令补偿式整流侧电压平衡控制策略的有效性，以及该策略相对于传统脉冲补偿式策略在交流端谐波特性方面的优越性。
参考文献
[1] 张明锐, 刘金辉, 金鑫. 应用于智能微网的SVPWM
固态变压器研究[J]. 电工技术学报, 2012, 27(1):
90-97.
Zhang Mingrui, Liu Jinhui, Jin Xin. Research on the
SVPWM solid state transformer applied in smart
micro-grid[J]. Transactions of China Electrotechnical
Society, 2012, 27(1): 90-97.
[2] 武琳. 级联型电力电子变压器控制策略研究[D].
北京: 北京交通大学, 2014.
[3] 兰征, 涂春鸣, 肖凡, 等. 电力电子变压器对交直
流混合微网功率控制的研究[J]. 电工技术学报,
2015, 30(23): 50-57.
Lan Zhen, Tu Chunming, Xiao Fan, et al. The power
control of power electronic transformer in hybrid
AC-DC microgrid[J]. Transactions of China Electro-
technical Society, 2015, 30(23): 50-57.
[4] 王丹, 毛承雄, 陆继明. 自平衡电力电子变压器[J].
中国电机工程学报, 2007, 27(6): 77-83.
Wang Dan, Mao Chengxiong, Lu Jiming. Auto-
balancing electronic power transformer[J]. Proceedings
of the CSEE, 2007, 27(6): 77-83.
[5] 李伟, 张黎. 铁道牵引单相电力电子变压器及控制
[J]. 铁道学报, 2013, 35(4): 37-42.
Li Wei, Zhang Li. Railway traction single-phase
power electronic transformer and control[J]. Journal
of the China Railway Society, 2013, 35(4): 37-42. [6] 顾春阳, 郑泽东, 李永东. 用于机车牵引的新型级
联H桥整流器电压平衡方法[J]. 电工技术学报,
2013, 28(12): 168-172, 181.
Gu Chunyang, Zheng Zedong, Li Yongdong. A novel
voltage balancing method of cascaded H-bridge
rectifiers for locomotive traction applications[J].
Transactions of China Electrotechnical Society, 2013,
28(12): 168-172, 181.
[7] 杜少通, 杨擎, 汪山林, 等. 五电平H桥级联型
STATCOM脉冲轮换控制策略研究[J]. 电力系统保
护与控制, 2014, 42(21): 17-22.
Du Shaotong, Yang Qing, Wang Shanlin, et al.
Research on pulse rotation control strategy for
5-level cascaded H-bridge STATCOM[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(21): 17-22.
[8] Tao Xinghua, Li Yongdong, Sun Min. A phase-
disposition PWM method for DC voltage balance in
cascaded H-Bridge rectifier[C]//International Conference
on Electrical Machines and Systems, Incheon, 2010:
243-248.
[9] Dell’Aquila A, Liserre M, Monopoli V G, et al.
Overview of PI-based solutions for the control of DC
第32卷第2期李响等一种级联电力电子变压器直流电压平衡控制策略 245
buses of a single-phase H-bridge multilevel active
rectifier[J]. IEEE Transactions on Industry App-
lications, 2008, 44(3): 857-866.
[10] Tao Xinghua, Xu Lie, Song Yichao, et al. A trans-
formerless cascaded AC-DC-AC converter for multi-
phase propulsion drive application[C]//International
Conference on Electrical Machines and Systems,
Beijing, 2011: 1-5.
[11] 姚钢, 方瑞丰, 李东东, 等. 链式静止同步补偿器
的直流电容电压平衡控制策略[J]. 电力系统保护
与控制, 2015, 43(18): 23-30.
Yao Gang, Fang Ruifeng, Li Dongdong, et al. DC
capacitor voltage balancing control of cascaded static
synchronous compensator[J]. Power System Pro-
tection and Control, 2015, 43(18): 23-30.
[12] Zhao Tiefu, Wang Gangyao, Bhattacharya S, et al.
Voltage and power balance control for a cascaded
H-bridge converter-based solid-state transformer[J].
IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(4):
1523-1532.
[13] Kheraluwala M H, Gascoigne R W, Divan D M, et al.
Performance characterization of a high-power dual
active bridge DC-to-DC converter[J]. IEEE Transa-
ctions on Industry Applications, 1992, 28(6): 1294-
1301. [14] Nan Chenghao, Ayyanar R. Dual active bridge con-
verter with PWM control for solid state transformer
application[C]//Proceedings of the IEEE Energy Con-
version Congress and Exposition, Denver, 2013:
4747-4753.
[15] Qin Hengsi, Kimball J W. Solid-state transformer
architecture using AC-AC dual-active-bridge con-
verter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,
2013, 60(9): 3720-3730.
[16] 耿俊成, 刘文华, 袁志吕. 链式STATCOM电容电
压不平衡现象研究[J]. 电力系统自动化, 2003,
27(17): 35-39.
Geng Juncheng, Liu Wenhua, Yuan Zhilü. Research
on the voltage unbalance of DC capacitors of cascade
STATCOM[J]. Automation of Electric Power Systems,
2003, 27(17): 35-39.
作者简介
李响男，1987年生，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
E-mail: 11117371@https://www.doczj.com/doc/2311749186.html,
郝瑞祥男，1975年生，博士，副教授，主要研究方向为电力电子与电力传动。
E-mail: haorx@https://www.doczj.com/doc/2311749186.html,（通讯作者）
（编辑陈诚）
作者简介：晏阳(1988- )，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。 电力电子变压器理论研究综述 摘 要：介绍了目前国内外电力电子变压器的研究概况，对电力电子变压器发展过程中出现的斩 控式电力电子变压器、交-交-交型电力电子变压器、反激型电力电子变压器、双PWM 变换型电力电子变压器几种典型的设计构想进行了梳理，并且给出了相应的主电路拓扑。通过分析电力电子技术在电力电子变压器研究领域的相关理论及其应用，阐述各种拓扑的优缺点，并给出了主要的研究方向和发展趋势。 关键词：电力电子变压器；电力电子技术；电能质量中图分类号：TM401+.1 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2012)03-0005-04 晏阳 (东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096) Abstract: Introduction was made to the present research survey of power electronic transformers at home and abroad. This paper hackled several typical design schemes such as chop-controlled power electronic transformer, AC-AC power electronic transformer, flyback power electronic transformer and double PWM power electronic transformer and gave the corresponding main circuit topolo-gy. Via analysis to the relevant theory and its application of power electronic technology in power electronic transformer field, this paper expatiated on advantages and disadvantages of various topologies and summarized the main research direction and developing trend of power electronic transformers. Key words: power electronic transformer; power electronic technology; quality of power supply YAN Yang （School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China ） Research Summary of Power Electronic Transformer Theory 0 引言 电力电子变压器(power electronic trans-former，PET)，又称固态变压器(solid trans-former)，是一种通过电力电子技术实现电力系统电压变换和能量传递的新型变压器。相对于传统变压器而言，电力电子变压器具有如下优点[1]：(1)体积小，重量轻，环境污染小；(2)运行时二次侧输出电压幅值恒定，不随负载变化，且平滑可调；(3)一次、二次侧电压为正弦波形，功率因数可调；(4)一次、二次侧电压、电流和功率均高度可控[2]；(5)本身具有断路器的功能，无需传统的变压器继电保护装置。电力电子变压器是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体的电力系统前沿研 究课题，也是解决电能质量问题，建设“绿色电网”、“数字电网”的可行途径之一。目前在国内外，都有很多相关的研究和开发。 在电力电子变压器的设计和研发中，大规模的电力电子器件以及相应的电力电子变流技术得到了广泛的应用。本文总结电力电子变压器研究的发展历史及主要的电路拓扑，并分析各个拓扑的电路原理和应用情况。 1 国内外研究现状 电力电子变压器起源于美国。通用电气公司的W.McMurray于1970年在一份专利中首先提出了基于AC/AC变换电路的电力电子变压器[3]。在随后的发展过程中，科研人员提出了传统AC/AC变换、buck 变换、AC/DC/AC变换等多个研究课题，并取得了一
直接能量平衡控制策略 直接能量平衡控制策略是基于火力发电厂而提出的机炉协调控制策略,是为电站单元机组协调控制而设计的一种先进的控制方案。其从能量平衡的概念出发,将锅炉和汽机作为一个有机紧密联系的整体来控制,它以锅炉跟随为基础，将汽机的能量需求作为锅炉指令,在锅炉燃料调节器入口直接同锅炉的热量信号比较,使机、炉之间的能量供求关系得到快速平衡,进而简洁且有效地实现机炉一体化协调控制。 直接能量平衡策略中，能量需求信号是基于汽机对能量的要求计算出来的，这个能量要求称为"能量平衡信号"，它代表了在任何工况下汽机对蒸汽的需求量。"能量平衡信号"随着汽机调节阀的开度变化而变化，即使在故障或手动调节时，计算的结果也是正确的。能量平衡是通过直接控制输入炉膛的能量使之与能量需求信号相匹配而实现的，送入锅炉炉膛的能量通过对锅炉放热量的连续计算确定，直接能量平衡由燃料控制调节器维持。 能量平衡信号采用PS×P1/PT表示， 其中P1为汽机调节级压力，直接反映的是进汽流量也就是机组负荷 PT为机前压力即主汽门前压力 PS为机前压力设定值 P1/PT与汽机调节阀开度成正比，无论什么原因引起的调节阀开度变化，该值都能作出灵敏的反映，所以无论在静态或动态，PS×P1/PT可以表征定压运行或滑压运行等不同运行工况下汽机的能量输入（即汽机对锅炉的能量需求）。 输入能量必须同能量需求相匹配，输入的燃料量如采用给粉机转速等直接测量，易受制粉系统延迟，煤质变化等诸多因素的影响，在直接能量平衡控制策略中，采用热量信号P1+CdPb/dt作为燃料量反馈， 其中C为汽包锅炉的蓄热系数， Pb为锅炉汽包压力,其微分信号代表了锅炉蓄热量变化。 热量信号提供了一个在稳态和动态工况下都适用的燃料量工程测量方法。协调控制系统将能量平衡信号和热量信号直接引入锅炉燃料调节器入口，进入燃料调节器入口的能量偏差信号为: ef=PS×P1/PT-(P1+CdPb/dt) =P1×(PS-PT)/PT-CdPb/dt =ΔPT×P1/PT-CdPb/dt 式中：ΔPT=PS-PT为机前压力偏差。 在静态工况下，dPb/dt=0，有ef=ΔPT×P1/PT。燃料调节器的积分作用总是消除调节器入口偏差，使ef最终等于零。由于机组带负荷后，P1/PT恒不等于零，这就必须使ΔPT=0，即使机前压力PT等于给定值PS。可见，系统的燃料调节器具有保持机前压力PT等于给定值的能力，而无需另加压力校正调节器。 在动态工况下，汽包压力的微分信号具有防止PT过调，使过程稳定的作用。例如，由于锅炉内扰作用使PT增高时，ΔPT=PS-PT成为负值，dPb/dt将为正值，燃料调节器入口的偏差信号为负值，使燃料量输入减少，校正PT的上升。当PT开始回降时，dPb/dt变为负值，使燃料量得以增加，防止PT出现过调。直接能量平衡协调控制系统同时还设有能量平衡信号的动态前馈：（PS×P1/PT）×[d（PS×P1/PT）/]dt，用以补偿机前压力设定值变化或负荷变化时锅炉蓄能的变化和机、炉动态响应的差异。定压运行时，动态前馈补偿了负荷变化时要求改变汽包压力所需的锅炉蓄能变化。负荷不变时，则补偿机前压力定值提高所需的锅炉附加蓄能。而在滑压运行时，更要补偿负荷和机前压力二者同时变化时，要求汽包压
电力电子变压器简介 编者按：电力电子变压器是一种有发展前途的电力电子设备。它与目前使用的铁芯铜线变压器，有明显的优点，特别是耐高压（15kV）的碳化硅器件的成熟会给电力电子变压器的发展带来新的机遇。它是未来智能电网的得利电力电子设备。作为一种新型的电力变压器，得到了国内外研究人员越来越多的关注。 此外，电力电子变压器能否将电压变换与电能质量调控结合一起解决？如一条轧钢生产线使用的变压器，采用电力电子变压器，可以即变压，又能实现电能质量调控，能否有可能？我公司已开发成功的‘’27.5k V转10k V‘’装置也是一种电力电子变压器。轻型直流输电系统也可兼有电力电子变压器功能。可见，公司已具备生产电力电子变压器的能力。 根据现有资料选编成“电力电子变压器简介”一文。文中内容不一定十分准确，供公司开发新产品参考。 王春岩2010.10.22 1、定义 电力电子变压器，又称为固态变压器——P E T ( P o w e r E l e c t r o n i c T r a n s f o r m e r )，也有称为EPT。 电力电子变压器是一种含有电力电子变换器，且通过高频变压器实现磁耦合的变电装置，它通过电力电子变换技术和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递。 2、电子电力变压器的基本组成和工作原理 2、1 基本组成（以单相为例）
基本组成见图2.1 2、2 直接、AC/AC变换的电力电子变压器（以单为例） 2、3 含直流环节的PET
2、4 单相含直流PET的电路结构 2、5 用于风电、光电和小水电单相并网PET 图2.5用于风电、光电和小水电单相并网PET 3、电力电子变压器优点和缺点： 3、1 优点 1）．体积小，重量轻，无环境污染； 2）．运行时可保持副方输出电压幅值恒定，不随负载变化； 3）．始终保证原、副方电压电流为正弦波形，并且原、副方功率因数任意可调；4）．具有高度可控性，变压器原副方电压、电流的幅值和相位均可控：
物理实验报告 年级专业： 姓名： 学号： 组别： 一、实验名称：非平衡电桥测量热敏电阻的温度系数 二、实验目的：掌握用非平衡电桥测量热敏电阻的温度系数的实验方法，求出具体热敏电阻的特性参数和温度系数 三、实验器材：热敏电阻、数字万用表、ZX-21型电阻箱、滑线变阻器、固定电阻器、水浴锅、温度计、直流稳压电源。 四、实验原理： （1）直流电桥：直流电桥是一种精密的非电量测量仪器，有着广泛的应用。它的基本原理是利用已知阻 值的电阻，通过比例运算，求出一个或几个未知电阻的阻值。直流电桥可分为平衡电桥和非 平衡电桥。平衡电桥需要通过调节电桥平衡求得待测电阻阻值。 平衡电桥可用来测定未知电阻，由于需要调节平衡，因此平衡电桥只能用于测量具有相 对稳定状态的物理量，比如固定电阻的阻值。而对变化电阻的测量有一定的困难。如果采用 直流非平衡电桥，则能对变化的电阻进行动态测量，直流非平衡电桥输出的非平衡电压能反 映电阻的变化。 在电桥平衡时，桥路中的电流 =g I ，桥臂电阻之间存在如下关系： t R R R R //321= 如果被测电阻的阻值t R 发生改变而其他参数不变，将导致 ≠g I ， g I 是t R 的函数。因此，可以通过 g I 的大小来反映t R 的变化。这种 电桥称为非平衡电桥。 当电源的输出电压E 一定时，非平衡电桥桥路的输出电压Ut 为： ???? ??+-+=t t R R R R R R E U 22 31 1 则 )()]([3113132R R U E R R R U E R R R t t t +-++= （2）热敏电阻：用半导体材料制成的非线性电阻，其特点是电阻对温度变化非常灵敏。与绝大多数金属电阻率随温度升高而缓慢增大的情况完全不同，半导体热敏电阻随温度升高，电阻率很快减少。在一定温度范围内，热敏电阻的阻值可表示为 T b t ae R = 式中T 为热力学温度，a 、b 为常量，其值与材料性质有关。热敏电阻的电阻温度系数a 定义为 2 T b dT R dR a t t -== 通过记录相应温度t 下的Ig ，再用电阻箱替代热敏电阻，调节电阻箱阻值，使前后Ig 相等，电阻箱的阻值即为热敏电阻对应温度下的阻值。
编者导读：本文以某电厂 2 ×300MW 机组DEB 设计和运行情况为背景，阐述并分析了采用直接能量平衡策略的技术原理、工程实现、过程实际响应以及运行效果。结果表明：DEB 协调控制策略的控制目标直接、明确活，而且具有适应性强、稳定性好等特点。 0 前言大型火力发电机组由于机组容量大、运行参数高，若运行操作不当将对机组本身甚至电网的安全带来很大的危害，故对自动控制的要求和依赖越来越高。发电机组自动控制的最终目标是安全快速地满足电网的负荷需求并保证电力品质，由于组成火力发电机组的锅炉和汽轮机对负荷响应特性的差异很大，所以在设计机组级控制时必须充分考虑这两个对象的不同特性，使锅炉和汽轮机协调地运转，以机组实际最大能力来满足电网的要求。 协调控制系统CCS （Coordinated Control System ）的任务是协调锅炉和汽轮机两个不同的工艺系统共同来满足电力负荷需求。因此，协调控制系统的设计应将锅炉和汽轮机作为一个整体来考虑，使机组在实际能力下，能最大限度地满足电网要求的发电数量（功率）和质量（频率），确保发电机组安全、稳定、经济地运行，这是协调控制的基本要求。协调控制系统在理论上可以有许多方法来实现，但对于一个特定的发电机组来说，当主设备和工艺系该选择一种最适合该机组特定条件的技术方案作为控制系统设计的基本策略。随着分散控制系统（DCS ）熟，为火电机组实现复杂的协调控制创造了技术和物质的基础。本文阐述的是DEB 直接能量平衡控制系统制策略以及机组在协调控制方式下的实际负荷响应情况，采用的系统硬件是MAX1000 分散控制系统。 1 DEB 原理分析[1] 直接能量平衡（Direct Energy Balance ；DEB ）协调控制系统是由美国原Leeds & Northrup 公司创立的美国metsoMAX 公司继承此项技术，上海自动化仪表股份有限公司通过技术引进获得使用许可）。其著名的表式中P TS 为机前压力设定值；P 1 为汽机一级压力；P T 为机前压力；P D 为汽包压力；C b 为锅炉蓄热左边是汽机的能量需求信号，等式的右边是锅炉的热量信号。 DEB 实质上是以锅炉跟随为基础的协调控制，汽机侧控制功率，同时以汽机的能量需求作为锅炉负荷指令炉的热量信号相平衡，而满足这种平衡的控制手段是调节输入锅炉的燃料量，因此在燃料调节器入口代表燃料
配电系统电力电子变压器的研究 作者：佚名转贴自：电力安全论坛点击数： 35 更新时间：2008-7-28 配电系统电力电子变压器的研究 方华亮，黄贻煜，X澍，陆继明，毛承雄 (华中科技大学电气与电子工程学院，XX430074) 摘要: 供电可靠性及电能质量一直是用户和供电部门密切关注的问题。在电网中，变压器是电能转换的最基本的元件，但常规变压器难以对供电可靠性的提高和电能质量的改善作出贡献。本文介绍了一种全新的产品－电力电子变压器，它具有提高供电可靠性、改善电能质量并且体积小、重量轻、环保效果好等一系列优点，可以较好地解决这些问题。在对电力电子变压器现有方案进行分析的基础上，本文提出了一种新的实现方案，计算机仿真结果表明：变压器原方可以实现输入电流波形为正弦和功率因数接近于1，变压器副方可以获得良好的输出电压、电流。 关键词: 电力电子变压器; 高频变压器; 供电可靠性; 电能质量; 脉宽调制 1引言 当今社会经济的快速发展，使得人们对供电可靠性以及改善电能质量提出了越来越高的要求。如果一个供电系统的可靠性不能保证，停电不只是给供电企业带来损失，给用户将造成更大的经济损失。就电能质量而言，一种频率、电压、波形的电能已远远不能满足用户要求，经过变换处理后再供用户使用的电能占全国总发电量的百分比比值的高低，已成为衡量一个国家技术进步的主要标志之一。如在美国，2000年末，发电厂生产的40%以上的电能都是经变换和处理后再供负载使用，预计到21世纪二、三十年代，美国发电站生产的全部电能都将经变换和处理后再供负载使用。 如何更进一步提高供电可靠性和改善电能质量已成为供电部门十分重视和不断努力解决的问题，在供电系统中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的元件之一，对供电可靠性和电能质量有着重大的影响。目前广泛使用的配电系统变压器通常是采用铁芯油浸式，其运行可靠和效率较高；但同时，也存在以下一些不足之处［1］： ·不能维持副方电压恒定； ·铁芯饱和时，会造成电压电流的波形畸变，产生谐波； ·原副方电压、电流紧密耦合，负荷侧的波动会影响到电网侧； ·需装备继电保护装置； ·体积大，笨重； ·矿物油会带来环境问题，且不易维护； 基于以上常规变压器的一些不足之处，如何进一步提高变压器的功能、改善其运行特性以更好的发挥其在供电系统中的作用，从而实现进一步提高供电可靠性、改善电能质量的愿望，是一个十分值得我们深入研究的课题。目前随着电力电子变流技术和大功率电力电子器件的迅速发展，以及在电力系统中的应用日益广泛，所有的这些为我们研制新型变压器奠定了很好的基础。我们要研制的新型变压器主要是采用电力电子技术实现的，我们称之为电力电子变压器。 对电力电子变压器的研究，国内在这方面还基本上未开展，国外在十多年前就已提出了这个概念。首先是美国海军的一个研究计划，提出了一种“交流－交流”的降压变换器构成的电力电子变压器；在这之后，由美国电力科学研究院(EPRI)赞助的一个研究项目
LSDYNA中的能量平衡time........................... 4.99735E-03 time step...................... 4.45000E-06 kinetic energy................. 3.80904E+09 internal energy................ 5.15581E+09 spring and damper energy....... 1.00000E-20 hourglass energy .............. 1.34343E+08 system damping energy.......... 0.00000E+00 sliding interface energy....... 1.72983E+07 external work.................. 4.54865E+09 eroded kinetic energy.......... 0.00000E+00 eroded internal energy......... 0.00000E+00 total energy................... 9.11649E+09 total energy / initial energy.. 1.09716E+00 energy ratio w/o eroded energy. 1.09716E+00 global x velocity.............. -6.63878E+01 global y velocity.............. 3.44465E+02 global z velocity.............. -1.86129E+04 time per zone cycle.(nanosec).. 11286 GLSTAT(参见*database_glstat)文件中报告的总能量是下面几种能量的和： 内能 internal energy 动能 kinetic energy 接触(滑移)能 contact(sliding) energy 沙漏能 houglass energy 系统阻尼能 system damping energy 刚性墙能量 rigidwall energy GLSTAT中报告的弹簧阻尼能”Spring and damper energy”是离散单元(discrete elements)、安全带单元(seatbelt elements)内能及和铰链刚度相关的内能(*constrained_joint_stiffness…)之和。而内能”Internal Energy”包含弹簧阻尼能”Spring and damper energy”和所有其它单元的内能。因此弹簧阻尼能”Spring and damper energy”是内能”Internal energy”的子集。由SMP5434a版输出到glstat文件中的铰链内能”joint internal energy”跟*constrained_joing_stiffness不相关。它似乎与*constrained_joint_revolute(_spherical,etc)的罚值刚度相关连。这是SMP 5434a之前版本都存在的缺失的能量项，对MPP 5434a也一样。这种现象在用拉格朗日乘子(Lagrange Multiplier)方程时不会出现。与*constrained_joint_stiffness相关的能量出现在jntforc文件中，也包含在glstat文件中的弹簧和阻尼能和内能中。回想弹簧阻尼能”spring and damper energy”，不管是从铰链刚度还是从离散单元而来，总是包含在内能里面。在MATSUM文件中能量值是按一个part一个part的输出的(参见*database_matsum)。沙漏能Hourglass energy仅当在卡片*control_energy中设置HGEN项为2时才计算和输出。同样，刚性墙能和阻尼能仅当上面的卡片中RWEN和RYLEN分别设置为2时才会计算和输出。刚性阻尼能集中到内能里面。
电力电子应用课程设计 课题：50W三绕组复位正激变换器设计 班级电气学号 姓名 专业电气工程及其自动化 系别电气工程系 指导教师 淮阴工学院 电气工程系 2015年5月
一、设计目的 通过本课题的分析设计，可以加深学生对间接的直流变流电路基本环节的认识和理解，并且对隔离的DC/DC电路的优缺点有一定的认识。要求学生掌握单端正激变换器的脉冲变压器工作特性，了解其复位方式，掌握三绕组复位的基本原理，并学会分析该电路的各种工作模态，及开关管、整流二极管的电压电流参数设计和选取，掌握脉冲变压器的设计和基本的绕制方法，熟悉变换器中直流滤波电感的计算和绕制，建立硬件电路并进行开关调试。 需要熟悉基于集成PWM芯片的DCDC变换器的控制方法，并学会计算PWM控制电路的关键参数。输入：36～75Vdc，输出：10Vdc/5A 二、设计任务 1、分析三绕组复位正激变换器工作原理，深入分析功率电路中各点的电压 波形和各支路的电流波形； 2、根据输入输出的参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流等级， 并给出所选器件的型号，设计变换器的脉冲变压器、输出滤波电感及滤波电容。 3、给出控制电路的设计方案，能够输出频率和占空比可调的脉冲源。 4、应用protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试。 三、总体设计 3.1 开关电源的发展 开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。 开关电源分为DC/DC和AC/DC两大类。前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。按转换电能的种类，可分为直流-直流变换器（DC/DC变换器），是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；逆变器，是将直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；整流器是将交流电转换成直流电的电能变换器和交交变频器四种。 开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领
#科普园地# 电力电子变压器及其发展综述 Summary of Development of Power Electronic Transformer 潘诗锋,赵剑锋 (东南大学电气系,江苏南京210096) 摘要:介绍了电力电子变压器的优点、工作原理、目前研究状况。指出了用电力电子变压器解决电能质量问题是今后 的发展趋势,拓宽了电力电子变压器的应用场合,使得其不但可以使用在对能量转换装置的体积、重量有特殊要求的场 合,如航海、航空、航天等领域,还可以为电能质量敏感负荷供电。它是建设/绿色电网0/数字电网0的关键设备之一,对 其进行研制和使用可取得巨大的经济和社会效益。 关键词:电力电子变压器;电能质量;绿色电网;数字电网 中图分类号:TM41文献标识码:E文章编号:1009-0665(2003)06-0052-03 收稿日期: 2003-06-28 传统的电力变压器具有制作工艺简单、可靠性高 等优点,在电网中得到广泛应用。但是,它的缺点也十 分明显,如体积、重量、空载损耗大;过载时易导致输出 电压下降、产生谐波;负载侧发生故障时,不能隔离故 障,从而导致故障扩大;带非线性负荷时,畸变电流通 过变压器耦合进入电网,造成对电网的污染;电源侧电 压受到干扰时,又会传递到负载侧,导致对敏感负荷的 影响;使用绝缘油造成环境污染;需要配套的保护设备 对其进行保护[1]。 作为一种新型的能量转换设备,与传统的变压器 相比,电力电子变压器具有体积小、重量轻、空载损耗 小、不需要绝缘油等优点。它是集电力电子、电力系 统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为 一体的电力系统前沿研究课题,通过电力电子器件和 电力电子变流技术,对能量进行转换与控制,以替代传 统的电力变压器。 研究电力电子变压器的初衷是为了降低传统变压 器的体积和重量。因为,变压器的体积和重量与它的运 行频率成反比,借助于电力电子技术提高其变换频率, 就可减小体积和重量。美国海军于20世纪70年代末 至80年代初,首先对其进行了研究[2],美国电科院于 1995年也进行了相关研究[3]。以上2个项目研究,试验 样机都不实用,因为它们采用的是降压型变换器 (Buck),不能很好地抑制输入的谐波电流,而且变压器 输入和输出是不隔离的[1]。20世纪90年代末,美国密 苏里大学在ABB和爱默生公司资助下对电力电子变压 器进行了研究,完成了10 kV A,7 200 V/240 V的实验 样机,但仅实现了基本的电压变换功能和对输入的功率 因数控制。另外,设计时为减小对开关器件的应力,输
电力电子变压器原理、现状、应用场合 介绍
电力电子变压器介绍 0、前言 电力电子变压器(Power Electronic Transformer 简称PET)作为一种新型的能量转换设备，与传统的变压器相比，具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点。它是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体的电力系统前沿研究课题，通过电力电子器件和电力电子变流技术，对能量进行转换与控制，以替代传统的电力变压器。 1、基本原理 PET 的设计思路源于具有高频连接的AC/AC变换电路, 其基本原理见图1, 即通过电力电子变换技术将变压器原边的工频交流输入信号变换为高频信号, 经高频变压器耦合到副边后, 再经电力电子变换还原成工频交流输出。因高频变压器起隔离和变压作用, 因铁心式变压器的体积与频率成反比, 所以高频变的体积远小于工频变压器, 其整体效率高。 图1 电力电子变压器基本原理框图 PET 的具体实现方案分两种形式: 一是在变换中不含直流环节, 即直接AC/AC变换, 其原理是: 在高频变压器原边进行高频调制, 在副边同步解调; 二是在变换中存在直流环节, 通常在变压器原边进行AC/AC变换,
再将直流调制为高频信号经高频变压器耦合到副边后, 在副边进行DC/AC 变换。比较两种方案, 后种控制特性良好, 通过PWM 调制技术可实现变压 器原副边电压、电流和功率的灵活控制, 有望成为今后的发展方向。 2、研究现状 自1970 年美国GE 公司首先发明了具有高频连接的AC/AC 变换电路后, 很多科研工作者对各种不同结构的具有高频连接的AC/AC 变换器进行了深 入的探讨和研究, 并提出了PET 的概念。美国海军和美国电力科学研究院(EPRI)的研究小组先后提出了一种固态变压器结构, Koo suke Harada等人也提出了一种智能变压器, 他们通过对高频技术的使用, 使变压器体积减小, 实现恒压、恒流、功率因数校正等功能。 早期的PET的理论和实现研究由于受当时电力电子器件和功率变换技 术发展水平的限制, 所提出的各种设计方案均未能实用化, 特别是在可用 于实际输配电系统(10kV以上)的PET的研究方面进展不大。进入20 世纪 90 年代,国外在这一研究领域中取得了一些新进展, 提出了新的技术方案, 并制作了与配电系统电压等级相当的实验室样机。如美国密苏里大学在ABB 和爱默生公司资助下对电力电子变压器进行了研究，完成了10kVA，7200 V ／240 V的实验样机，但仅实现了基本的电压变换功能和对输入的功率因数控制。另外，设计时为减小对开关器件的应力，输入采用多个变流器串联 工作，使系统的可靠性大大降低，当其中任意一个器件出现故障都会导致 工作异常。美国威斯康星一麦迪逊大学与ABB公司合作，德克萨斯农机大 学也于20世纪90年代末对电力电子变压器进行了研究，但以上工作只对 其电压变换的功能进行了分析和研究。
电力电子变压器研究综述 李璟 摘要：电力电子变压器(PET ) 是一种采用电力电子变换器和高频开关变压器的电能传输装置。首先，介绍了电PET 的基本工作原理及其研究现状。其次，介绍了发展过程中出现的几种典型拓扑结构。再次，对PET 的控制方法进行了总结。最后，对将来PET 的应用及发展做出了展望。 关键词：电力电子变压器 电力系统 控制 拓扑 0 引言 PET 除了具有传统电力变压器电能变换与传输功能外，其突出优点在于体积小、重量轻，通过变压器原、副方电压源变换器对其交流侧电压幅值和相位的实时控制，可以实现变压器原、副方电压、电流和功率的灵活调节，在暂态过程中控制性能良好，本身具有断路器的功能，无需传统的变压器继电保护装置等[1~3]。因此PET 具备解决电力系统相关问题的潜力，应用前景广阔。随着电力系统朝着智能电网不断发展，PET 也受到越来越多的专家学者的关注。 1 PET 基本工作原理 电力电子变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合,实现将一种电力特征的的电能转变为另一种电力特征的电能的静止电气设备。[4]上述电力特征包括电压或者电流的幅值、相位、相序、波形、频率和相数等。它的主要功能包括变压、变流、电气隔离、能量传递和电能控制。 在结构上,电力电子变压器主要包括两个部分:高频变压器和电力电子变换器。电源接到一次侧时,电力电子变换器1将输入的工频交流电变换成高频交流电,高频交流电经高频变压器耦合后与这电力电子变换器2相连接,通过电力电子变换器2输出到负载上。 图1 电力电子变压器中电力电子变换器的主要功能是实现电压或者电流的频率控制、相位控制和谐波控制；电力电子变压器中的高频变压器主要功能是电压等级的变换和电气隔离。变压器容量S 可以表示为下式： m e c B A A J f K S ******=22.2 (1) 式中K 为铜导线饱和因数；f 为励磁频率（Hz ）；c A 、e A 分别表示为铁芯和绕组导线面积（m 2）；J 为导体中的电流密度（2 /m A ）；m B 为最大磁通密度(T)。可见在其他条件相同的情况下，f 与e c A A *成反比，因此高频变压器体积远小于同容量的工频变压器。[5]
直流非平衡电桥(实验讲义) 2012 年 09 月 08 日 直流电桥是一种精密的非电量测量仪器，有着广泛的应用。它的基本原理是利用已知阻值 的电阻，通过比例运算，求出一个或几个未知电阻的阻值。直流电桥可分为平衡电桥和非平衡电桥。平衡电桥需要通过调节电桥平衡求得待测电阻阻值，如惠斯登电桥、开尔文电桥均是平衡式电桥。 平衡电桥可用来测定未知电阻，由于需要调节平衡，因此平衡电桥只能用于测量具有相对稳定状态的物理量，比如固定电阻的阻值。而对变化电阻的测量有一定的困难。如果采用直流非平衡电桥，则能对变化的电阻进行动态测量，直流非平衡电桥输出的非平衡电压能反映电阻的变化，在实际应用中许多被测物理量都与电阻有关，如力敏电阻、热敏电阻、光敏电阻等，只要将这些特殊的电阻装在电桥的一个桥臂上，当某些被测量发生变化时，就引起电阻值的变化，从而输出对应的非平衡电压，就能间接测出被测量的变化。利用这种原理我们可制作电子天平、电子温度计、光通量计等。因此直流非平衡电桥与平衡电桥相比，有着更为广泛的应用。 实验目的 （1） 了解非平衡电桥的组成和工作原理以及它在实际中的应用。 （2） 学会用外接电阻箱研究非平衡电桥的输出电压与应变电阻的关系，通过作图研究其线性规律。 （3） 了解桥臂电阻大小对待测电阻的灵敏度和线性范围的影响，学会根据不同的测量需求来选择合适的桥 臂电阻。 （4） 学会利用非平衡电桥测量 Cu 丝的电阻温度系数。 实验仪器 图 1：非平衡电桥电路图 稳压电源、电阻箱、万用表（用作毫伏表）、Keithy2000（用作微伏特表）、铜丝（漆包线）、加热台、温度计、导线等。 实验原理 非平衡电桥原理如图 1 所示，当 R 3/R 2=R 4/R 1 时，电桥平衡，即：I g =0，U g =0；当用 R 4+ΔR 代替R 4 时，R 3/R 2 不等于R 4+ΔR/R 1，此时，I g 不等于 0，U g 不等于 0，为非平衡状态。 U g 为数字电压表电压（电压表内阻为无穷大），应用电路分析知识，可算出输出的非衡 电压为：U = R 2 R 4 + R 2?R - R 1R 3 U (1) g (R + R )(R + R ) + ?R (R + R ) s 1 4 2 3 2 3 分析上式，可以得到电桥的三种形式：（1）等臂电桥：R 1=R 2=R 3=R 4=R （2） 卧式电桥：R 1=R 4，R 2=R 3 （3） 立式电桥：R 1=R 2，R 4=R 3 将等臂和卧式条件带入（1）式经简化得： U = U s δ 1 ...... (2) δ = ?R / R 称为电阻的应变（即：相对变化量） g 4 1+ δ / 2 4 我们在设计电桥时，令?R ，则 δ → 0 ，于是有：U = U s δ = U s ?R 4 4R 4 ...... (3) 输出的非平衡电压 U g 与桥臂电阻的变化量δ成正比，为线性关系；当 ΔR 较大时，（2）式中 的 δ/2 项不能省略，此时：U = U s δ 1 ，δ 与 U g 之间呈非线性关系。 g
电力电子变压器介绍 0、前言 电力电子变压器(Power Electronic Transformer 简称PET)作为一种新型的能量转换设备，与传统的变压器相比，具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点。它是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体的电力系统前沿研究课题，通过电力电子器件和电力电子变流技术，对能量进行转换与控制，以替代传统的电力变压器。 1、基本原理 PET 的设计思路源于具有高频连接的AC/AC变换电路, 其基本原理见图1, 即通过电力电子变换技术将变压器原边的工频交流输入信号变换为高频信号, 经高频变压器耦合到副边后, 再经电力电子变换还原成工频交流输出。因高频变压器起隔离和变压作用, 因铁心式变压器的体积与频率成反比, 所以高频变的体积远小于工频变压器, 其整体效率高。 图1 电力电子变压器基本原理框图 PET 的具体实现方案分两种形式: 一是在变换中不含直流环节, 即直接AC/AC变换, 其原理是: 在高频变压器原边进行高频调制, 在副边同步解调; 二是在变换中存在直流环节, 通常在变压器原边进行AC/AC变换, 再将
直流调制为高频信号经高频变压器耦合到副边后, 在副边进行DC/AC变换。比较两种方案, 后种控制特性良好, 通过PWM 调制技术可实现变压器原副边电压、电流和功率的灵活控制, 有望成为今后的发展方向。 2、研究现状 自1970 年美国GE 公司首先发明了具有高频连接的AC/AC 变换电路后, 很多科研工作者对各种不同结构的具有高频连接的AC/AC 变换器进行了深入的探讨和研究, 并提出了PET 的概念。美国海军和美国电力科学研究院(EPRI)的研究小组先后提出了一种固态变压器结构, Koo suke Harada等人也提出了一种智能变压器, 他们通过对高频技术的使用, 使变压器体积减小, 实现恒压、恒流、功率因数校正等功能。 早期的PET的理论和实现研究由于受当时电力电子器件和功率变换技术发展水平的限制, 所提出的各种设计方案均未能实用化, 特别是在可用于实际输配电系统(10kV以上)的PET的研究方面进展不大。进入20 世纪90 年代,国外在这一研究领域中取得了一些新进展, 提出了新的技术方案,并制作了与配电系统电压等级相当的实验室样机。如美国密苏里大学在ABB和爱默生公司资助下对电力电子变压器进行了研究，完成了10kVA，7200 V／240 V的实验样机，但仅实现了基本的电压变换功能和对输入的功率因数控制。另外，设计时为减小对开关器件的应力，输入采用多个变流器串联工作，使系统的可靠性大大降低，当其中任意一个器件出现故障都会导致工作异常。美国威斯康星一麦迪逊大学与ABB公司合作，德克萨斯农机大学也于20世纪90年代末对电力电子变压器进行了研究，但以上工作只对其电压变换的功能进行了分析和研究。
目录 一、设计要求 (2) 二、设计方案 (2) 三、电路的设计 (3) 四、主电路参数计算和元器件选择 (4) 1、IGBT (4) 2、二极管 (4) 3、电感 (4) 4、电容 (5) 五、各模块所选器件说明 (5) 1、变压器EI86 (5) 2、误差放大器UC3842 (5) 3、脉宽调制器SG3525 (6) 4、驱动器MC34152 (7) 5、三端正稳压器7815 (8) 六、电气原理总图及元器件明细表 (8) 七、课程设计心得 (10) 八、参考资料 (10)
汽车电力电子技术课程设计 ——BUCK变换器的设计 一、设计要求 设计一稳压直流电源，输入为交流220V/50HZ，输出为直流15V的直流稳压电源，如下图1所示，其中DC-DC变换时主要采用BUCK变换器，变换器主器件采用IGBT，控制方式采用PWM控制。 图1 总电路原理框图 二、设计方案 小功率直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其原理框图如2所示。
图2 直流稳压电源原理框图 三、电路的设计 G a b c Vi 0WM V G d 图3 Buck 变换器电路及相关波形 Buck 变换器主要包括：开关元件M1，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器（Error Amplifier ，E/A ），脉宽调制器（Pulse Width Modulation ，PWM ）和驱动电路。 为了便于对Buck 变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设： a 、开关元件M1和二极管D1都是理想元件。它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零； b 、电容和电感同样是理想元件。电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。电容的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance ，ESR ）和等效串联电感（Equivalent Series
国家发展和改革委员会关于加强和改进发电运行调节管理的 指导意见 【法规类别】电力工程 【发文字号】发改运行[2014]985号 【发布部门】国家发展和改革委员会(含原国家发展计划委员会、原国家计划委员会) 【发布日期】2014.05.18 【实施日期】2014.05.18 【时效性】现行有效 【效力级别】部门规范性文件 国家发展和改革委员会关于加强和改进发电运行调节管理的指导意见 （发改运行[2014]985号） 北京市、河北省、江西省、河南省、陕西省、西藏自治区发展改革委，各省、自治区、直辖市经信委（经贸委、经委、工信委、工信厅），吉林省能源局，国家电网公司、中国南方电网有限责任公司，中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司、中国三峡集团公司、中国神华集团公司、国家开发投资公司： 为稳定电力生产供应，保障电力供需平衡，强化电网安全运行，促进节能减排和资源优化配置，根据《电力法》、《电网调度管理条例》等有关法律法规的规定和国务院关于行政审批改革的精神，现就加强和改进发电运行调节管理提出以下指导意见。
一、发电运行应坚持的原则 （一）发电运行应坚持“安全第一，预防为主”的方针，促进电网安全稳定运行。（二）发电运行应坚持连续稳定，服从统一调度，保障电力可靠供应。 （三）发电运行应坚持电力电量平衡，资源优化配置，促进节能减排和大气污染防治。（四）发电计划安排应坚持市场化改革的方向，逐步缩小计划比例，为市场交易创造条件。 （五）火力发电生产应坚持燃料稳定供应，避免因燃料短缺导致停机或减少发电出力。（六）建立健全发电运行监督管理制度，并严格执行。 二、统筹电力电量平衡，促进节能减排 （七）年度电力电量平衡方案包括需求预测、供应能力、发电计划、送受电计划及供需平衡分析、保障应对措施等。 （八）国家发展改革委会同国家能源局确定年度电力电量平衡方案编制原则。 （九）各省（区、市）政府主管部门负责组织编制本地年度电力电量平衡方案，报国家发展改革委备案，并抄送国家能源局派出机构。 （十）在制定年度电力电量平衡方案时，应积极促进售电侧改革，根据市场需要预留直接交易空间（包括电量及对应的容量），支持用户开展电力直接交易试点，并将交易电量纳入电力电量平衡。 （十一）年度发电计划在确保电网安全稳定的前提下，全额安排可再生能源上网电量，优先安排水电、核电、热电联产、资源综合利用机组发电（其中水电等清洁能源按照资源条件和历史均值确定发电量，租赁制经营的抽水蓄能电站电量以市场招标方式确定）；在燃煤发电机组中，综合考虑机组参数、脱硫、脱硝、除尘、供热、空冷、中水利用、海水淡化等有关因素，全面推行差别电量政策，确保高效节能环保机组的利用小时数明显高于其他机组。纳入关停规划并按期关停的机组可按规定安排发电量。
配电网电力电子变压器技术综述 发表时间：2018-09-12T16:32:30.640Z 来源：《基层建设》2018年第22期作者：刘永林刘贻青 [导读] 摘要：在我国电力系统中最主要的电气设备就是电力变压器，传统的电力变压器负荷变化对电力影响特别大。 易事特集团股份有限公司广东省东莞市 52380 摘要：在我国电力系统中最主要的电气设备就是电力变压器，传统的电力变压器负荷变化对电力影响特别大。当电力的负荷发生故障时，不能很好的隔离故障，为了隔离故障而使用绝缘油会对环境形成一定的污染，传统的电力变压器有着自己的不足，比如体积大、空载耗损也比较大和重量大等；跟传统的变压器相比较来看，电力电子变压器是新型的一种能量电力转换设备，这种电力电子变压器最大的优点就是耗损相对比较小，不需要绝缘油等，鉴于此，本文主要分析配电网电力电子变压器技术。 关键词：配电网；电力电子；变压器技术 1、电力电子变压器的基本原理 电力电子变压器（powerelectronictransformer，PET），也称为固态变压器（solid-statetransformer，SST）或智能变压器（smarttransformer，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。 初级功率变换器、次级功率变换器以及联系初级和次级功率变换器的高频变压器来共同构成电力电子变压器。根据电力电子变压器的输入和输出这种特点来看，也就是电力电子变压器的交交变换，电力电子变压器的基本工作原理就是输入的工频电压利用原边变换器，将工频电压转换为高频电压，利用高频变压器耦合到副边，最后再利用副边功率变换器将电压转换成所需要的高频交流电压；对电力电子变压器要减小它的体积，来增加电力电子变压器的工作频率；为了把工频交流电转换成高频交流电，这就需要使用合适的电力控制方案和现代电力电子技术，最终能够使电力电子变压器逐步的过渡成小型变压器和轻型变压器。 其工作原理如图1所示，高压侧工频交流通过电力电子变流器一系列变换（交-交变换或交-直-交变换）形成高频交流电，然后通过高频变压器耦合到低压侧，再经过变流器一系列变换形成工频交流电，向负载供电。 图1电力电子变压器的工作原理 2、电力电子变压器的几种电路类型 2.1、斩控式电力电子变压器 在1995年，电力电子变压器的实验样机被制造出来，这也是美国电科院首次成功制造斩控式的电力电子变压器。 2.2、交－交－交变换电力电子变压器 在1999年，交-交-交变换的电力电子变压器被制造出来，它是一种新型的电力电子变压器，这也是美国德州大学首次成功制造该种类型的电力电子变压器。 2.3、反激式电力电子变压器 反激式电力电子变压器是近年来研制的新型变压器，它的内部元件大大减少，结构非常的简化。 3、配电网电力电子变压器技术综述 3.1、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。 3.2、PET的控制保护技术 PET的高性能控制及保护涉及调制及软开关技术、电压/电流/功率等电气量的控制策略以及故障保护技术等，对PET的电气特性、损耗、可靠性有着极其重要的影响，也是PET的研究热点之一。 PET的调制主要是指控制PET主电路中各类功率半导体器件，使其按一定规律导通或关断的技术。通过不同的调制方法可使得变流单元输出一系列脉冲电压/电流波形，并通过调节脉冲电压/电流的脉宽、频率和相位等实现变流单元电压/电流或变流单元之间交换功率的控制。由于PET中电能变换环节类型较多，需求多种多样，因此调制方法一般也无法统一。 一般而言，PET的电气端口应具有电压/电流/功率的实时调节能力，可实现电能双向流动，从而可以接入不同类型的电源、储能和负荷等设备。 3.3、PET中的高频变压器优化设计 PET中的高频变压器是实现电气隔离和电压等级变换功能的核心元件。首先需要说明的是，本文中的“高频”是与工频变压器的“工频”而言的相对概念。一般来说，过低的工作频率会使得变压器铁心体积较大，而过高的频率会使得变压器及其连接的电力电子变换器损耗增加，给系统散热带来困难。实际上，对于可以隔离10kV或更高电压的高频变压器来说，由于爬电距离、空气间隙等绝缘因素的限制，一般