基于三电平拓扑的电力电子变压器研究

摘要：提出一种改进的基于三电平拓扑的电力电子变压器(PET)。输入级、隔离级与输出级结构分别采用二极管箝位式三电平PWM整流器、零电压开关半桥三电平DC／DC变换器和两电平逆变器。与两电平PET相比，可在有效提高输入电压等级的同时降低开关损耗。针对变压器各环节结构特点设计了控制方案，并在配电系统环境下对其进行了建模和仿真。仿真结果表明，在稳态运行及电源波动、负载投切等动态运行条件下，三电平PET均能保持初、次级良好的电压电流波形，且能维持输出电压恒定，有效抑制了电网与负载的扰动，实现了良好的电能质量调节。
关键词：变压器；三电平；零电压开关

1 引言
近年来，一种基于电力电子变换技术的新型电网配电变压装置，即PET，受到国内外学者的广泛关注。它不仅体积小、重量轻，而且具有交直流转换能力，可灵活地将各种分布式发电系统接入电网，比传统变压器更能适应智能电网环境下用户对电能的个性化需求。
在三电平结构中，开关管承受的电压应力仅为两电平拓扑的一半，因此可以成倍提升输入级的电压，解决PET在配电系统中的实用化问题，且不存在开关管直接串联电路中的器件均压问题。与模块串并联拓扑相比，可以减少所用器件的数量，提高PET的可靠性并降低成本。但目前国内还未见公开发表的有关三电平结构PET的相关文献。这里在上述文献的基础上提出改进的三电平PET，设计了三相系统中各环节的控制策略，并通过仿真验证了其拓扑和控制策略的有效性。

2 三电平PET电路介绍
图1为三电平PET的拓扑结构。其工作原理为：输入级将高压工频交流电经整流后变成直流电，在隔离级被调制成高频方波加载到高频变压器，降压后在次级又还原成直流电，最后经输出级逆变成三相低压工频交流电。由于中间隔离级的存在，在电源发生电压波动、频率闪变、谐波注入或负载投切时，三电平PET能避免系统侧与负载侧的相互影响，维持初、次级良好的电压电流波形，且输出恒定的电压。

2．1 输入级
系统的输入级采用二极管箝位式三电平PWM整流器，每一个桥臂由4个功率开关构成，因此每一个主功率开关所承受的电压峰值只有两电平PWM整流器的一半，而且三电平PWM整流器有27个开关矢量，因此其在开关频率不是很高的情况下也能保证网侧良好的电流波形，其谐波和畸变率大大小于两电平PWM整流器。高频的PWM整流器可以保证网侧电流与电源之间功率因数为1。
2．2 中间隔离级
系统的中间隔离级在原有三电平PET基础上作了改进，采用零电压开关半桥三电平DC／DC变换器，对配电变压器不考虑能量的双向流动，故在变压器次级采用全桥不控整流电路，开关管两端并联电容为其自身结电容。与两电平PET中的DC／DC变换器相比，通过变换器初级2只中点箝位二极管使得4只开关管电压应力仅为输入直流电压的一半，且通过谐振电感Lk对4只开关管上的并联结电容进行充放电，使相应的结电容两端电压达到零，实现零电压开关，飞跃电容Cs用来将2对开关管开关过程连接起来，这样能有效减小开关损耗，提高变换器效率。
2．3 输出级
由于隔离级已将高压直流电变换为约600 V的低压直流电，且PET输出目标也是380 V低压用电，在此电压等级下，目前的IGBT器件已足够成熟可靠，因此输出级采用两电平PWM逆变器，并辅以LC滤波器。