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 Fig. 1 Application of PET to low-voltage distribution grid

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 Fig. 2 PET topology classification based on the number of power conversion stage

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 Fig. 3 Single-phase three-stage PET in [10]

图4 文献[99]中的三级型PET拓扑 Fig. 4 Three-stage PET in [99]

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：

ABB公司在电力机车车载牵引变流系统中采用了级联型矩阵变换器作为高压交流输入的四级-I型PET拓扑^[22],输入为15kV/16.7Hz交流电压,输出侧的AC/DC变换器直流电压为1800V,并通过输出DC/AC变换器为机车牵引逆变器供电,样机容量为1.2MW。该拓扑在PET输入侧采用与文 献[10]中类似的矩阵变换器进行级联连接以承受接触网的高电压,如图5所示。但是,基于矩阵变换器的PET存在换流控制复杂、开关器件保护困难、运行可靠性较差等问题,制约了其在实际系统中的应用。

为了减少高频变压器的数量,文献[20-21,72,89]等将MMC应用于PET中,如图6所示。由于MMC具有模块化、多电平、易冗余、交流端口电能质量高、运行效率高等优点,在PET中应用能改善系统运行可靠性、效率及运行性能。但是,由于MMC的子模块通常需要大量的功率半导体器件和储能电容,这导致基于MMC的PET功率密度和经济性难以提高。另外,MMC型PET难以实现功率半导体器件的软开关,如何实现其高效率运行尚需深入研究。

图5 文献[22]中的单相四级-I型PET拓扑 Fig. 5 Single-phase four-stage type I PET in [22]

图6 文献[20]中的三相四级-I型PET拓扑 Fig. 6 Three-phase four-stage type I PET in [20]

1.3 四级-II型PET

对于四级-II型PET,其电路一般包括输入AC/DC变换器、输入DC/AC变换器、高频变压器和输出AC/AC变换器。与四级-I型拓扑相比,四级-II型拓扑将AC/AC变换器设置在高频变压器的低压侧。文献[38]提出一种四级-II型PET电路拓扑,该拓扑包含背靠背连接的H桥、高频变压器和循环变流器。该PET拓扑不仅具备动态电压条件能力,还能够实现H桥和循环变流器的软开关,系统效率较高。但是,对于中、高压的应用场合,其输入侧的H桥很难实现电气隔离,这也使得此种类型的PET拓扑研究较少。

无论是四级-I型还是四级-II型PET拓扑,其中都存在AC/AC变换器,因此,都存在与三级型拓扑类似的矩阵变换器或电流型变流器的固有缺点。因此,四级-I型和四级-II型PET在实际中应用并不广泛。包括ABB公司在早年的机车牵引用PET中采用了四级型拓扑,而在后期的工程样机研制中则采用了五级型拓扑。

1.4 五级型PET

对于五级型PET,其电路一般包括输入AC/DC变换器、高频隔离DC/DC变换器及输出DC/AC变换器。其中,高频隔离DC/DC变换器一般由高压DC/AC变换器、高频变压器和低压AC/DC变换器三部分构成,即高频隔离DC/DC变换器本身就含有三级电能变换环节。由于无直接的AC/AC变换器,滤波电路简单,且具有多种交、直流端口,模块化程度高,在实际的PET研制中,五级型的PET获得了最广泛的关注和研究。

对于中、高压应用的五级型PET,受到功率半导体器件耐压水平的限制,其高压侧输入AC/DC变换器通常采用级联H桥(cascaded H-bridge,CHB)变流器、MMC和中点箝位(neutral point clamped,NPC)变流器等拓扑。

由于CHB具有高度模块化、可扩展以及易实现冗余设计等优点,是PET常用的拓扑结构,如 图7所示^[78]。ABB公司和Bombardier公司采用此拓扑研制了应用于15kV/16.7Hz交流输入、输出DC/AC变换器直流电压为1800V的机车牵引车载PET^{[23,27-28,30]}。美国未来可再生电能传输与管理系统(the future renewable electric energy delivery and management system,FREEDM)基于此拓扑研制了Gen-I PET样机^[5,48,62],可应用于7.2kV交流输入、400V交流输出的电网中,并具有240V/120V直流端口。在输入级,Gen-I采用了6.5kV IGBT构建H桥子模块。在隔离级,Gen-I采用了双有源桥(dual active bridge,DAB)结构。瑞士苏黎世联邦理工学院多年来针对PET拓扑开展了较深入的理论研究,并面向10kV交流/400V交流的应用,对CHB型PET拓扑的输入级和隔离级功率单元的效率、功率密

图7 文献[78]中基于CHB的的五级型PET拓扑 Fig. 7 CHB based five-stage PET in [78]

度、经济性等指标在内的多目标优化设计开展了研究^{[4,83-84,97,102]}。文献[75,78]提出了基于四有源桥(quad-active bridge,QAB)的PET拓扑。其中QAB由高频变压器原边的三个H桥以及副边的一个H桥构成,充分利用了PET的高压侧高电压、小电流与低压侧低电压、大电流的特点,减少了变压器与子模块数量,提高了PET功率密度。

在国内,相关科研机构针对基于CHB的五级型PET拓扑也开展了研究,并研制了样机。华中科技大学研制了10kV交流输入、380V交流输出的500kVA样机,并完成了挂网运行试验^[64]。根据其运行场景需求,电能仅需从10kV侧向380V侧单向流动,因此在隔离级中高频变压器低压侧采用不控整流桥,以提高运行效率,降低成本。挂网运行试验中样机运行效率约93.72%。湖南大学研制了10kV交流输入、380V交流输出的CHB型PET^[92],该PET隔离级输出也采用二极管不控整流桥,并完成了运行试验。

另外,基于MMC的五级型PET也得到了相关学者的关注和研究。该种拓扑具有稳定可控的高压与低压直流端口,适用于高压大功率应用场合。中国科学院电工研究所于2010年提出MMC型PET拓扑,先后研制了两代PET样机,并完成挂网运 行^[49,55],该PET的电路原理图如图8所示。第一代PET样机为10kV交流输入、380V交流输出、额定容量为100kVA,低压侧可同时提供直流、交流连接端口。第二代PET主要用于连接10kV交流电网和750V低压直流微网和部分交流负荷,额定容量为1MVA,其主要功能是实现交流电网与直流微网的功率协调控制与能量管理。

图8 文献[49]中基于MMC的五级型PET拓扑 Fig. 8 MMC based five-stage PET in [49]

文献[49,61]针对基于MMC和CHB的五级型PET拓扑进行了对比分析,分析结果表明,在同样的电压等级和功率半导体器件耐压水平下,MMC型拓扑比CHB型PET拓扑需要更少的开关器件和高频变压器,并且可以具备高压直流端口,可实现更丰富的接入与互联功能。但MMC型拓扑的主要缺点是子模块和储能电容数量多,在考虑满足中高压场合应用的电气绝缘、散热、隔离等设计需求的情况下,PET功率密度较低。

另外,为了尽量减少功率器件和储能电容数量,提高PET功率密度,NPC拓扑在PET中的研究也得到了相关研究机构的关注。美国电科院(Electric Power Research Institute,EPRI)采用此类拓扑,研制了三相2.4kV交流/277V交流的PET样 机^[34-35],其拓扑如图9所示。该PET中NPC变流器采用三电平结构,隔离级副边变流器采用不控整流桥,只能实现电能单向流动。FREEDM基于15kV SiC IGBT和10kV SiC MOSFET器件研制了三相PET^[56]。该PET高压交流侧采用三相NPC型整流器,并将高压侧直流母线电压升高到22kV,隔离级采用了多绕组高频变压器。

图9 文献[34]中基于NPC的五级型PET拓扑 Fig. 9 NPC based five-stage PET in [34]

对于五级型PET来说,MMC型和NPC型拓扑能够同时提供高压和低压直流端口,而CHB型拓扑无公共高压直流母线。虽然MMC型和CHB型PET拓扑易于在不同电压等级应用的扩展,但随着电平数的增加,两种拓扑的储能电容数量也会显著增加。而NPC型PET拓扑电容数量相对很少,因此比MMC型和CHB型具有更高的功率密度。但是NPC型拓扑不具有模块化结构,且随着电平数的增加,电路拓扑变得极其复杂,而电容电压均衡也变得更加困难。

前文主要针对单输入、单输出的PET拓扑进行了归纳和总结。而多端口PET通常具有多种电能形式或电压等级的电气端口,可接入不同类型的电源、储能及负荷设备,在微网、交直流混合配电网、智能电网等领域具有广泛的应用前景,近年来也受到了众多国内外学者的关注^{[1,15,33,36-37,39,45,50]}。对于多端口PET,现有文献中的拓扑大多基于五级型方案实现或者拓展。

文献[37]提出基于公共低压直流母线的多端口PET拓扑,各端口电路均经过隔离型DC-DC变换器连接到公共直流母线,如图10所示。该拓扑可实现各端口独立控制,但是各端口之间功率交互需要经过较多的电能变换环节,效率较低。

图10 文献[37]中基于公共直流母线的多端口PET拓扑 Fig. 10 Multi-port PET based on common DC bus in [37]

由欧洲多家大学和企业联合承担的通用柔性电能管理项目(universal and flexible power management,UNIFLEX-PM)提出一种三端口PET拓扑,并研制了实验样机,其拓扑如图11所示^[39]。该PET中三个端口均为交流端口,各端口通过直流节点交错连接,实现端口间的能量交互。而文献[50]提出基于高压直流母线的多馈入PET,形成输入级的多端口PET拓扑,可接入多个高压交流电网。

图11 文献[39]中UNIFLEX-PM提出的多端口PET拓扑 Fig. 11 Multi-port PET by UNIFLEX-PM in [39]

为了减少高频变压器数量,文献[33,45]利用多绕组变压器构建基于多有源桥(multi-active bridge,MAB)的多端口PET拓扑,如图12所示。此类拓扑所需高频变压器数量少,具有更好的功率密度优势。但是由于多绕组变压器使得PET的多个端口之间的功率存在很强的耦合,因此需要较复杂的解耦控制实现各端口功率协调与均衡。

多端口PET具有多样化的电气接口,能够满足未来交直流混合配电网多种形式负荷、电源及储能设备的接入要求,并实现多类型能源的综合高效利用,完全可以作为能源互联网中的“电能路由器”^[3]。但是,现阶段的多端口PET各个端口间进行能量传输过程所经过的电能变换环节数量较多,效率较低,而且各个端口之间存在耦合。因此,减少多端口PET的电能变换环节数量,降低系统复杂程度是未来多端口PET的重要发展方向。

图12 文献[45]中基于MAB的多端口PET拓扑 Fig. 12 Multi-port PET based on MAB in [45]

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。

2.1 PET的调制及软开关技术

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。在高压交流侧的多电平变流环节(如CHB、MMC和NPC),一般功率半导体器件处于硬开关工作状态,可以采用如正弦脉宽调制^[49]、载波移相调制^[48]、空间矢量调制^[40]等方法,通过优化调制方法来降低开关频率可实现器件开关损耗的降低。而在隔离级高频环节一般调制需要结合软开关技术,实现功率半导体器件的零电压开关(zero voltage switching,ZVS)^[101]或者零电流开关(zero current switching,ZCS)^[49,55],以减小器件开关损耗,提高开关频率。

三级型PET中的矩阵变换器的调制通常用开关函数矩阵来描述,所采用的方法包括直接变换法、间接变换法以及电流控制方法等^[10,13,17]。矩阵变换器还需考虑在换流时双向开关器件之间不能有死区和交叠等因素的限制,否则易导致开关器件损坏。文献[98]中提出的四步换流法,文献[24]中提出的软换流策略均是通过调节各开关器件的开关时序实现开关安全换流。

软开关是降低PET中隔离级DC-DC变换器损耗、提高高频变压器工作频率的重要技术,对PET的运行效率、功率密度和散热设计有着重要影响。文献[23]介绍了一种开环控制的软开关技术,以LC串联谐振型DAB电路为对象搭建了400kW原理样机。样机开关器件均采用4.5kV IGBT,整流侧和逆变侧变流器采用开环的同步方波调制,方波信号占空比为50%、频率为8kHz,实现了IGBT的ZCS。文献[31]分析了LLC谐振型DC-DC变换器的软开关控制技术,并指出由于6.5kV IGBT有较厚的N^-层和低掺杂浓度,开关过程的换流时间较长,影响了开关频率的提高,设计合理的励磁电抗可以提高开关频率、减小损耗。在此基础之上,文献[101]进一步针对6.5kV IGBT器件的开关特性进行分析,认为IGBT的关断电流、结温、载流子寿命控制等对软开关性能及损耗有着重要影响。

2.2 PET的控制技术

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。PET对交直流电压、电流和功率等电气量的控制通常主要包括：

1）PET内部变流器的电压与功率均衡控制,即对于高压交流侧的多电平变流器,如CHB、MMC和NPC,需要对多个直流储能电容电压进行均衡控制,以提高交流侧输出电压性能和系统稳定性;同时低压侧通常采用隔离级直流端并联结构,控制并联子模块的功率/电流均衡也是实现PET稳定高效运行的关键技术。

2）PET端口电压/电流/功率控制,即PET各端口可根据离网、并网运行方式或不同类型的电源、储能及负荷接入情况选择多种控制策略,对端口的电压、电流及功率等交直流电气量进行实时地调节和优化控制,以提高综合能源利用效率。

2.2.1 PET内部均衡控制策略

针对PET内部电压与功率均衡控制问题,文 献[41]提出一种用于单相五级CHB型PET的共占空比电压均衡控制方法,可实现各DAB直流电压均衡控制。文献[48]主要针对五级型PET的隔离级DC-DC变换器的功率平衡问题,考虑高频变压器参数差异的情况下,提出一种基于平均功率反馈控制策略,实现各级DAB功率均分。文献[86]通过分析PET中CHB电容电压波动非线性特性,提出一种电容电压波动抑制方法以降低电容储能需求。文 献[69]提出一种PET高压输入级的相间和相内直流侧平衡控制方法,以及隔离级的并联DAB均流控制方法,可实现高压侧级联子模块串联均压和隔离级并联子模块均流控制。

2.2.2 PET端口电压/电流/功率控制策略

针对PET端口的电压和功率实时控制问题,文献[39]提出一种基于三相静止坐标系下的集成直流电压、交流侧有功与无功功率的闭环控制策略。文献[44]提出基于PET在微电网并网运行中的下垂控制,可提高微电网运行模式切换时的稳定性。文 献[42]提出PET的软启动控制方法以抑制启动冲击电流。文献[6,54,67-68,93]开展了基于PET的直流微网潮流控制及能量管理策略的研究。文献[71]介绍了一种具有同步电机特性的PET拓扑,不仅具备配电网电压/频率的调节能力,还能够治理电网谐波,降低并网电流的THD。文献[46]介绍了适用于PET分层分布式控制保护的硬件平台及软件架构。文献[54]将三相五级CHB型PET拓扑的高压侧CHB采用角形连接方式,将各相隔离级独立连接或者交错连接,并比较了两种连接方式带不平衡负载的抑制能力,提出针对交错式连接的全工况自动平衡策略。文献[33]提出针对多端口PET的功率协调控制策略,以实现各端口功率解耦控制。

2.3 PET的故障保护技术

PET中大量功率半导体器件的应用,以及多种控制策略的使用,使其具有与传统工频变压器显著不同的故障特性。受功率半导体器件承受过电压、过电流能力较差的限制,除了设计阶段合理选择器件参数外,通常还需采取一些故障监控及保护技术,防止器件过电流、过电压损坏,保证PET的可靠运行。另外,PET设备故障保护技术还包括一次设备的功率电路冗余设计、实时故障检测、定位、平滑切换,以及测量和二次控制保护设备的冗余设计、故障检测及平滑冗余切换方法等。

PET接入电网或其它各类型设备之后,给电网和其他设备的安全稳定运行也带来了挑战。研究PET在电网或负荷故障情况下的故障特征,进行故障检测、定位,并研究穿越运行和隔离策略也至关重要。针对PET的故障保护,文献[76]开展了PET在过流、过压条件下的控制与保护策略研究。文 献[81]以CHB型 PET拓扑为例,面向中压交流输入、低压交流输出的典型应用,分析了PET的保护策略。针对不同短路故障类型以及过压场景分析,提出高压交流侧单相对地短路故障以及高压交流侧缓波前过电压对PET而言是极其严重的故障。低压侧端口故障保护技术的主要难点是如何实现线路短路故障下PET穿越运行,以实现系统故障定位及外接设备保护的选择性。一般可通过配合固态开关、限流器和故障电流控制器等先进保护设备的应用,降低PET故障保护设计的难度,并提高系统可靠性^[88]。

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,一般工作频率高于数kHz之后,即便继续提高频率,高频变压器本身的体积很难继续减小;而因工作频率提高带来的变压器及变流器散热需求增加,需要另外增加散热设计,反而可能会增大PET系统的体积。因此,PET中高频变压器的工作频率设计需综合考虑系统的体积(功率密度)、绝缘、散热等多项性能的协同优化。所以,目前研制的PET样机中,高频变压器工作频率一般在400Hz~20kHz之间,有些文献中将这些变压器称为中频变压器(medium frequency transformer,MFT)^{[18-22,24,27,30,64,96,103]}。

PET中的高频变压器通常由绕组、铁心、绝 缘/散热结构等组成,相关文献也主要针对这些环节及整体的优化设计中存在的技术问题开展了大量研究,下面分别介绍。

3.1 高频变压器绕组与铁心的绕制形式

PET中高频变压器的绕组由于通过的电流频率较高,其集肤效应和邻近效应比工频变压器要更加显著,因此一般采用利兹线(Litz wire,即多股绞合线),以降低绕组本身损耗^{[19,78,97,102,104]}。而这些绕组与铁心的组合关系通常可以采用与传统工频变压器类似的螺线管型结构(solenoidal structure),即绕组以螺线管形式绕制在铁心上。但是,螺线管型绕组的高频变压器存在如下问题^[1,105]：

1）由于绝缘处理、机械安装要求等因素限制,螺线管式绕制方式下的变压器漏感较大,导致变压器损耗也较大。

2）螺线管型绕制方式很难对变压器的漏感进行精确控制,而在很多场合,高频变压器的漏感需要参与实现PET中DC-DC变换环节的软开关,而漏感参数不准确对系统设计不利。

3）螺线管型绕制方式下的铁心一般需要采用非圆环型的特殊形状,例如C型、E型等。在高频工作方式下,铁心切割或加工的边角等磁场变化显著的部位会产生很严重的边缘效应,并在这些位置产生比其他位置更多的热。这也给高频变压器的优化设计和散热处理带来困难。

为了解决上述问题,在PET样机研制中很多文献采用了另外一种特殊的高频变压器绕组绕制形式,即同轴电缆型绕组(coaxial structure)^{[18,23,105-109]}。所谓同轴电缆型绕组就是将同轴电缆的内、外导电层分别作为变压器的原、副边绕组,然后将同轴电缆绕制在铁心上,典型的结构图如图13所示^[106]。同轴电缆型绕组的高频变压器可以实现极低的漏感,且可以采用圆环型铁心,磁场分布及发热更加均匀。

图13 高频变压器的同轴电缆型绕组 Fig. 13 Coaxial winding structure of high-frequency transformer

尽管如此,相对于同轴电缆型的绕组,螺线管型绕组的高频变压器还是获得了更加广泛的应用,因为后者通过控制绕制的匝数,各个绕组之间可以实现灵活的变压比,而前者一般更适合1:1变比的场合应用。另外,螺线管型绕组的高频变压器生产工艺更加简单,造价较低,而同轴电缆型的绕组在处理原副边的绝缘时更加困难。此外,在需要采用移相控制的DAB作为PET的电气隔离环节时,通常需要高频变压器具有较大的漏感以便控制变压器传输的功率,而同轴电缆型的变压器一般漏感很小,此种场合使用时还需要另外配置高频电感,增加了系统的复杂性和造价。

3.2 高频变压器的铁心材料

除去高频变压器的绕组及铁心结构之外,铁心的材料对于变压器的性能,尤其是损耗和功率密度等也有着决定性的影响。对于工作频率在400Hz~20kHz的高压大功率变压器来说,可选的铁心材料一般包括硅钢、铁氧体、非晶和纳米晶 等^{[1,18,22-24,97,102-104,106-107]}。硅钢具有很高的磁导率且饱和磁通密度也较高,但是高频下硅钢的损耗很大。相较而言,铁氧体材料的损耗较小且价格便宜,但是其饱和磁通密度较低,用其制造铁心时体积较大。对于PET中工作频率从几百Hz到几千Hz的高频变压器铁心来说,铁基非晶合金比较合适,因为其饱和磁通密度可以高达1.56T,而其损耗处于中等水平。但是,当高频变压器工作频率达到数十kHz时,一般只能通过降低磁通密度来减小损耗。当然,这会增大变压器体积。另外一种选择可以考虑钴基非晶材料,因为其损耗比铁基非晶一般小很多。不过,钴基非晶材料的饱和磁通密度也更低。综合考虑功率密度和损耗时,纳米晶材料通常可能是最佳的选择。因为纳米晶材料的饱和磁通密度一般远高于铁氧体,而其损耗在多种材料中一般最小。但是,纳米晶材料通常价格较高,且其原材料一般是成卷的带材,具体设计变压器时还需要更多的加工和处理。

3.3 高频变压器的绝缘及冷却

对于高压大容量的高频变压器来说,为了实现较高的功率密度,其绝缘和冷却设计需要重点考虑。从绝缘形式划分,PET中的高频变压器可以分为油(液体)浸式和干式两种。在已研制的PET样机中,两种类型的绝缘技术也均有采

用^{[19,22-23,30,32,49,64,104,107]}。干式变压器的绝缘材料一般采用合成材料绝缘纸、环氧树脂^[19,32]等。由于没有液体泄漏、挥发、着火等问题,干式变压器具有环境友好,维护少等优势。但是,干式变压器的散热、绝缘、局部放电等需要特别处理。因此,油浸式高频变压器依然获得了较多应用。油浸式变压器除去绝缘性能好之外,由于铁心和绕组都可以浸泡在绝缘油中,采用导热性能良好的绝缘油时还可以起到很好的散热作用。

另外,由于发热量较大且空间限制较多,高频变压器的冷却一般采用水冷^{[18,22-23,30,32,96,102,107]}、强迫风冷^[49,55,64]或者油冷方式^[22]。但是,强迫风冷方式噪音大,散热器尺寸较大,散热效率相对较低,而油冷方式存在漏油、易燃、维护多等问题,这两种散热方式在实际应用中相对较少。而水冷方式通常采用去离子水对变压器进行冷却,以提高冷却水的耐压水平和绝缘性能,实现不同电位的元器件冷却水路相互连通,便于水冷系统设计。

4 PET的功率电路紧凑设计技术

PET中含有大量的功率半导体器件、电感、电容、高频变压器等无源器件,以及测量设备、控制保护设备等。为了便于安装维护,PET中的电力电子变流器主电路通常采用模块化设计,机柜式安装。在满足系统局部放电、散热、电气隔离以及机械应力等多种约束的情况下,通过合理的硬件布局与设计,尽可能降低系统的体积,是提高PET功率密度的关键技术。PET功率电路紧凑设计主要包含以下三方面技术。

4.1 变流器主电路紧凑化设计

如前所述,无论是CHB型还是MMC型PET,其主电路中通常均含有大量的子模块(如半桥或全桥模块)^{[5,23,27,48-49,55,61,63-64]}。每个子模块都含有若干功率半导体器件、驱动控制电路、测量设备及直流电容等。在子模块内部,开关器件通常与直流电容采用层叠母排连接,能够极大提高子模块的紧凑程度^{[27-28,30,64]}。此外,PET的功率子模块设计当中通常还需要采用特殊结构(如增加均压环、金属部件钝化处理等)或特殊绝缘材料等方法,实现紧凑空间内的电磁兼容性及绝缘特性,以进一步提高子模块的功率密度。

4.2 绝缘设计

为了保证设备及操作人员的安全,在有限的空间内实现PET良好的绝缘设计对其紧凑化有较大影响。在实际的PET中,为了满足系统绝缘和电气隔离的要求,高电位侧元部件和低电位侧元部件均需要设置良好的绝缘,包括足够的空气间隙、爬电距离和良好的局放处理措施^[30,55,64]。但是,在保证绝缘安全的情况下,如何减小元部件之间的布置距离,并实现良好的电磁兼容特性和散热涉及电、磁、热等在内的多物理场耦合优化设计,是一项复杂的工作。例如,为尽可能减少局部放电现象,可以在高电位侧元件外增加用以均衡电场的防护罩^[27,30]。但是,不合理的防护罩设计反而可能会增加局放效应并影响系统散热。而为了将处于高电位及低电位侧的不同电气元件布置在有限的空间内,通常做法是增加元件之间的空气间隙,但此种方法会一定程度上增加PET体积,降低功率密度。另外也可考虑采用更好性能的绝缘材料,如环氧树脂等,以提高系统绝缘水平,但这往往会提高系统造价^[19]。

4.3 冷却设计

PET中的冷却技术与高频变压器类似,一般也包括自然冷却、强迫风冷、水冷和油冷等方法。但是,PET中不同的元器件发热情况不同,其对散热系统的要求也不尽相同,需要采用不同的冷却设计。例如：

1）功率半导体器件。

相比于PET的其他部分,功率半导体器件的损耗一般最大,也是PET产生损耗的主要来源。对于一些中小功率场合,可以采用强迫风冷的方式实现功率半导体器件的冷却^[49,55]。在绝大多数情况下,尤其是对功率密度要求较高的场合,PET中的功率半导体器件一般均采用冷却效率较高的水冷方 式^{[27-28,30,64]},即在固定开关器件的散热片上安装水冷板,通过外部水冷装置的循环实现开关器件冷却。此外,在某些特殊场合,如机车牵引^[22],对PET的功率密度要求极高,一般需要采用油浸式变压器,为了尽量减少散热系统的体积,可直接采用油冷的方式实现功率半导体器件的冷却。

2）高频变压器。

高频变压器的损耗,包括铁心损耗、绕组损耗等,是PET损耗的另一个主要来源,其典型的冷却方式在前文已经总结,此处不再赘述。

3）其他部分。

其他部分主要包括直流电容、谐振电容、滤波电抗器等元件。这些元件在实际工作过程中自身发热量一般较小,通常采用自然冷却的方式即能满足设计要求。在发热量较大的场合,这些元件也可以通过增加绝缘后与功率半导体器件或高频变压器共用散热系统。

综上所述,PET功率电路的紧凑设计主要包括子模块紧凑设计技术、绝缘设计和高效率冷却技术等。但是,现有的PET功率密度仍然较低,这一方面是受到商用功率半导体器件发展水平的限制,导致在中高压场合应用的PET均含有大量的子模块和储能电容,极大的增加了PET的体积。另一方面,对于中高压场合,单纯提高高频变压器工作频率并不能显著降低其体积,原副边绕组的隔离电压也是影响高频变压器体积的主要因素^[70]。因此,采用耐压等级更高的功率半导体器件和减少高频变压器使用数量是提高PET功率密度的主要途径。

4.4 宽禁带功率半导体在PET中的应用

由前文关于PET电路拓扑的分析可见,为承受高电压,已有的PET拓扑大多采用了级联型的变流器实现电能的交直流变换。在此情况下,显然可以通过采用更高耐压的功率半导体减少级联的功率单元数量,以及功率半导体器件和功率单元中储能电容的数量,从而可以简化PET的电路结构,提高功率密度。但是,目前的电力电子器件水平下,硅基可关断器件,尤其是应用最广泛的IGBT商用产品一般不超过6.5kV^{[31-32,56-57,87,101]}。这就导致中高压的PET采用硅基IGBT时不得不采用大量的功率单元。为解决这一问题,近年来,宽禁带功率半导体,尤其是基于SiC材料的功率半导体器件在PET相关的应用得到较广泛的关注^{[56-58,77,82-83,87,96,100]}。

一般说来,相对于硅基器件,宽禁带半导体,尤其是SiC器件具有如下优点：1）耐压等级高,更适合高压器件;2）开关速度快,适合高频应用;3）热导率高,使得它们非常适用于高温及高功率领域;4）损耗小,可以提高变流器的运行效率。因此,高压SiC器件特别适用于高效率、高功率密度的PET系统。现有的PET中,主要采用的高压SiC器件包括金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)和IGBT。

2011年,美国GE公司联合Cree公司、Powerex公司等基于10kV耐压的SiC MOSFET研制了1 MVA的PET(文中称为固态变电站：solid state power substation,SSPS),部分SiC MOSFET的开关频率达到了20kHz^[96]。相对于基于传统工频变压器的变电站,该PET比其重量减少了75%,而体积减少了约50%,运行效率达到了约97%。美国北卡罗来纳州立大学分析了基于SiC IGBT的PET在面向无工频变压器的智能变电站(transformerless intelligent power substation,TIPS)中应用优势,采用15 kV SiC MOSFET构建H桥,无需级联即可实现高压侧直接接入,分别开发了Gen-II和Gen-III两代小功率样机,并完成了实验验证^[56-57]。在SiC器件的高频化应用方面,2017年,美国GE公司采用1.7kV的SiC MOSFET实现PET中的谐振软开关型DAB,研制的50kW级别的DAB样机在实验中的开关频率达到了175 kHz^[77]。

高压、高频、低损耗的SiC器件在PET中的应用可以显著提高PET的功率密度和运行效率。但是相对于电压较低的硅基器件来说,高压SiC器件的应用也给PET的设计带来了一些新的问题。例如,单个子模块的额定工作电压在采用硅基器件时一般从几百V到不超过3kV,而10kV以上耐压的SiC器件使得单个功率模块的工作电压就达到了中压的水平,有限空间内的绝缘处理技术、高压器件的供电及电气隔离技术等比采用硅基器件时的低压场合更加困难。另外,SiC器件工作频率高且开通、关断速度快——dv/dt(电压变化率)可高达50kV/μs,远高于硅器件的情况(硅器件一般小于10kV/μs)^[77-78]。这给器件本身及驱动电路、供电电源、控制电路、散热及接地系统等都带来了非常大的电磁干扰,也给高频变压器的寄生参数,尤其是高频下的寄生电容设计及优化带来了挑战。因此,高dv/dt下的PET系统电磁兼容设计比硅器件的情况也更加复杂和困难。

5 PET发展总结及展望

近十年来,PET相关的理论和技术研发在学术界和工业界已经获得了广泛关注,并先后研制了多台实验样机。但是,PET总体上仍然处于关键理论及技术攻关研究阶段,其性能与实际应用还有一定距离。综合分析PET的发展过程及现有技术,可以得到以下结论：

1）由于PET功能远多于传统的工频变压器,将PET仅与工频变压器本身进行效率、造价、功率密度等性能的直接比较不尽合理。实际上,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相比,目前的PET功率密度已经达到了相当甚至更高的水平,但运行效率和经济性仍需进一步提高。

2）由于PET电气连接端口形式多样灵活,PET更加适合于交流输入、直流输出的场合应用,而非直接替代现有的工频变压器。尤其是应用于以低压直流为主的配电网时,PET可以取消原有交流低压配电网中各种直流设备前端的并网逆变器,优化整个系统的结构和运行效率。

3）对我国的机车牵引系统来说,现有的车载牵引变压器额定工作频率为50Hz,比欧洲的部分铁路系统的16.7Hz已经高出很多,即车上的牵引变压器本身体积已经减小很多。在此种场合通过PET来替代车载牵引变压器的困难更大。而机车上的空间有限、震动明显、冷却方式受限等问题也给此种替代方案带来了更大的挑战,相关技术也需更加深入的研究。

4）PET的电路拓扑是决定其多方面性能的关键因素。在目前的技术水平下,PET的各种拓扑一般均需要大量的电力电子半导体器件和电容、电感等无源器件,导致其效率、功率密度、可靠性和经济性指标一般较低,这是限制其推广和应用的主要因素。而目前的研究表明,对于中高压应用的PET来说,高频变压器在整个PET系统中的体积和重量比重很小。提高高频变压器的工作频率,例如达到20kHz以上带来的功率密度指标提升十分有限,而综合考虑散热、绝缘等问题后甚至会降低系统功率密度。因此,电能变换环节数量少、运行效率高且结构紧凑的新型电路拓扑是提高PET多方面性能最亟需解决的问题。

5）宽禁带功率半导体,尤其是SiC功率半导体具有耐压等级高、损耗小等突出优势。高压SiC器件对于减少现有PET中功率半导体及无源器件数量、提高系统运行效率和功率密度具有显著的效果。对于中高压的PET来说,10kV以上的高压SiC器件应该会获得越来越广泛的应用。但是,因高压SiC器件应用带来的PET高频电磁场下的绝缘技术、高dv/dt下的电磁兼容设计技术、新型的冷却技术及系统优化技术也需进一步深入研究。

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