1前言
在供电系统中， 常规的工频配电系统变压器是实现电能传输的最基本部件， 其性能优劣对供电系统的可靠性和电能的质量具有重大影响。目前，国内普遍采用的主要是铁心油浸式配电系统变压器，其主要优点是制作工艺简单、运行可靠和能量转换效率较高；主要缺点是体积大、设备笨重，矿物油引起环境污染问题且不易维护，不能维持副方电压恒定，铁心饱和时造成电压电流的波形畸变而产生谐波，负载波动对网侧产生影响，需配备继电保护措施，等等[1]。伴随着人类环保意识的不断增强， 人们对改善电能质量提出了越来越高的要求。包括中国在内的许多国家都对电网和供电系统的质量提出了很高的要求，对多项技术指标，例如功率因数、谐波和可靠性等，都规定了相应的行业标准。以美国为例， 2000年末， 发电厂生产电能的40%以上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， 美国发电站生产的电能将全部经过变换和处理后再供负载使用[2]。
30多年来，电力电子技术迅速发展，电力电子电能变换技术在改善交直流驱动性能、提高各类电源性能和节约能源等方面起到了积极和重要的作用。但是，也应该看到，电力电子电能变换技术的应用已经成为电网和用电设备的主要谐波源。最近几年，相关领域的许多学者一直以实现“绿色变换”为目标，围绕提高网侧功率因数、减小系统输入和输出谐波等关键技术开展了卓有成效的研发工作。由于常规变压器无法在进一步提高供电可靠性和改善电能质量方面起到作用，实现“绿色变换”的着眼点，都集中在配电系统变压器之后的电能变换电路的拓扑结构和控制技术的研发上。但是，从改善配电变压器运行特性入手，改进变压器的功能以提高供电可靠性和改善电能质量， 同样也是实现电能“绿色变换”的重要技术手段。最近几年，国外和国内学者开展的关于“电力电子变压器”的研究[3-16]，就是采用电力电子变换技术对能量进行转换与控制，用电力电子变压器替代传统的配电变压器[17]，实现上述目标的前沿性研究工作，具有很高的学术价值和重要的工程意义。
本文在给出电力电子变压器的概念的基础上，介绍电力电子变压器的基本结构与原理，对电力电子变压器的研究现状、应用领域和发展趋势进行了综述。
2电力电子变压器的基本结构与原理
电力电子变压器( Power Electronic Transformer，　PET )是一种通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递的新型变压器。图1a表示的是电力电子变压器的结构原理图[3]。
电力电子变压器主要由电力电子变换器、高频变压器和控制器等组成。其中，由IGBT或IGCT等高频大功率电力电子器件组成的电力电子变换器是电力电子变压器的核心，其功能是完成电能的频率、幅值转换；高频变压器的功能是隔离及变压；控制器的功能是实现对电能变换、电压稳定和电能质量的控制。在网侧将输入工频交流通过电力电子变换器升频为高频交流电，该高频交流电通过高频变压器耦合后经电力电子变换器降频还原成工频交流输出，供电网用户使用。
与传统的变压器相比，电力电子变压器的主要特点是[2，4]：
(1)供电电压稳定性好。电力电子变压器系统具有对电能变换过程的控制功能，可以实现输出电压的闭环控制，保持较高的输出电压调整率，为用户提供稳定的供电电压。
(2)供电质量高。电力电子变压器将电网与用户隔离开来，既能消除网侧电压的波动、波形失真和频率波动，又能抑制由用户端产生的无功、谐波、瞬时短路对供电电网的影响。
(3)不存在铁心磁饱和问题。电力电子变压器能避免传统变压器由于铁心磁饱和而造成系统中电压电流的波形畸变。
(4)体积小、重量轻、空载损耗小但效率比传统较低、成本也较高。电力电子变压器采用高频变压器，体积将大大减小。
(5)性能价格比高。电力电子变压器在改善电能质量、提高可靠性以及利用柔性化配电网实行谐波的实时控制等方面，具有绝对的优势，其性能价格比要远比电力变压器的高。
(6)可以高度自动化， 配电网络的计算机监控系统可以直接远程通讯控制电力电子变压器， 实现在线连续监测和控制。
(7)环保效果好， 可以空气自然冷却， 省去充油，从而减少污染， 维护简单， 安全性好。
3电力电子变压器的研究现状与应用
3.1电力电子变压器的研究现状
1980年， Brooks J L. 提出了“固态变压器”的概念，为实现舰艇的全电气化驱动的需求，研制了电力电子变压器的雏形，在降低传统变压器的体积和重量方面取得了初步成果[5]。1995 年，San Jose 大学发布了一份关于固态变压器的研究报告[6]，研究工作的基本技术路线是根据变压器的体积和重量与它的运行频率成反比，而采用电力电子技术提高电能变换频率， 即可减小配电变压器的体积和重量。1996年，Harada K等人提出了智能变压器的概念并研制了具有稳定电压、恒定功率和功率因数校正等功能的单相电力电子变压器的试验样机[7，8]。从1999年到2002年，Moonshilk Kang，Manjrekar M D，Ronan E R等人对用于配电系统的电力电子变压器的拓扑结构、电压变换过程的控制技术等也相继开展了研究工作[9-12]。
国内的相关研究尚处于刚刚起步的阶段，主要是对电力电子变压器的电路拓扑、控制策略的分析和研究[2，13-16]。
3.2电力电子变压器的典型拓扑结构
电力电子变压器主电路的结构有两种形式。一种是在变换电路中不含直流环节的直接变换式结构；另一种是含有直流环节的间接变换式结构。
3.2.1直接变换式结构的电力电子变压器
图1b是文献[5]和文献[6]分别在1980年和1995年提出的一种BUCK型AC/AC直接变换的电力电子变压器的主电路拓扑。图中的电力电子开关器件S1和S2是交替导通的双向开关。该电路是结构最简单的单相降压器，存在的不足是没有实现电气隔离， 不能抑制输入电流的谐波和调整功率因数，每个开关都承受原边电压和输出副边电流，而且只能运行于低于电网的功率和电压水平上。
图2表示的是文献[9]提出的直接变换式单相电力电子变压器的主电路结构。
图2中两个电路的电力电子开关由两个IGBT 反向串联组成双向开关，可以使电流双向流动。图2(a)中的原边开关SW1～SW4 和副边开关SW1′～SW4′分别两两同步通断，SW1、SW2 、SW3 和SW4 的交替导通使工频交流电被调制成高频电压，该高频电压经过高频变压器耦合到副边后，经过SW1′和SW2′以及SW3′和SW4′交替导通换流，转换成工频交流电。图2(b)所示电路在高频变压器的原边采用了多电平结构，用作降压变压器。电容C1和C2平分电网电压，使每个原边变流器承担一半的电源电压。原边的两套绕组等分了高电压，使得该电路适用于原边电压比副边电压高得多的场合。如果输出电压高于开关器件的额定电压，可以在副边采用这种多电平结构。在高电压场合，可以通过增加输入、输出的级数与之相适应。图3给出了单相PET的高频变压器原边电压和输出端电压的仿真波形。
至于三相PET的实现，可以由单相PET拓展而得，其结构如图4所示。该电路由24只开关器件组成，如此多的开关器件使得电路结构及其控制变得相当复杂。作为对图4所示电路的改进方案，文献[10]提出了一种结构简单的三相PET主电路拓扑，如图5所示。该电路采用了Buck-Boost型直接变换式结构，仅含有6只开关器件，变压器输出电压的幅值由输入电压和开关器件的通断占空比来决定。
3.2.2间接变换式结构的电力电子变压器
间接变换式结构的电力电子变压器的拓扑结构是由S. Sudhoff　于1999年提出的[11]。采用双直流环节的三相PET的主电路前端的结构如图6所示。该电路由进线电感、三相有源前端变流器、直流电容、单相桥式逆变器和高频变压器等组成。从图6可以看出，输入交流电源经三相Boost型PWM整流器整流后得到直流电压，该直流电压由单相桥式逆变器变换成高频方波交流电作为高频变压器原边的输入，其副边的高频电压再经整流和逆变后变成高频交流电输出。在电路的输入端采用有源前端PWM整流器可以实现PET输入端的功率因数控制和谐波抑制，如果PET的输入端不需要电能的双向流动，可以用整流二极管取代全控型开关器件。
图7是是文献[3]提出的一种包含高压、隔离和低压级的三级结构形式的PET主电路， 图中是其一相的整体结构图。该电路的特点在于隔离级只使用了一个高频变压器，整个装置的功率器件数减少1/3， 解决了多模块并联带来的均流问题。这种PET 的高压级各模块为单相全控整流桥， 采用PWM 整流， 输入电流波形好，可实现功率的双向流动。
4结束语
电力电子变压器可以比较容易地与许多柔性交流输电( FACTS) 技术相结合，从而具有许多传统工频变压器难以实现的功能[4，13-16]。
(1)当前配电网中谐波、闪变、电压跌落等电能质量问题日趋严重， 利用电力电子变压器的电能质量调节作用，这些问题会很容易得到解决。
(2)电力电子变压器原、副边电压的幅值和相位均可调节且可关断故障大电流，可以大幅度提高电力系统稳定性。
(3)与电力电子变压器相联的同步发电机可在系统发生故障时实现短时异步化运行而不会与系统解列， 能提高系统的安全稳定性和供电可靠性。
(4)电力电子变压器具有很强的可控性， 可在保证系统稳定性的条件下，实现对电流实时灵活控制和网损最小化以及配电系统电压控制和无功优化等。
(5)可在具有直流环节的电力电子变压器加上在线式不间断电源(UPS) 蓄电池组。当电网掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。如果逆变器发生故障，UPS 则通过静态开关切换到旁路，由旁路供电。当故障消失后， UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。因此，其供电质量可得到较好保证，可以实现具有UPS 功能的配电变压器，其综合成本将低于配电变压器加上UPS 的方案。
今后，对电力电子变压器及其应用技术的研究应该集中在以下三个方面。
(1)高频大功率双向电力电子开关器件的研发。大多数电力电子变压器使用的开关器件都是工作于高频情况下的双向器件，采用反向串联的结构型式使得系统结构复杂，控制难度加大。高频大功率双向电力电子开关器件的商用化，将对电力电子变压器的实用化起到关键作用。
(2)电力电子变压器主电路拓扑结构的研究。目前，人们提出的拓扑结构仅仅是功能性的和原理性的，离实用性还有很大差距。在简化结构、降低损耗、提高效率和提高可靠性以达到实用化等方面还要开展更深入的研究工作。
(3)电力电子变压器控制系统结构和控制技术的研究。电能变换的控制策略是电力电子变压器控制技术的核心，已有的以PWM整流及逆变控制为核心的控制技术应用于电力电子变压器的控制会出现一些新的问题，例如开关损耗问题和高频干扰问题，电能变换与电能质量的统一控制问题等，也是要深入研究的课题。

参考文献
[1]变压器制造技术丛书编审委员会. 变压器绕组制造工艺. 北京: 机械工业出版社， 1998
[2]方华亮， 黄贻煜， 范澍， 陆继明， 毛承雄. 配电系统电力电子变压器的研究.电力系统及其自动化学报. 2003， 15(4):27-31
[3]毛承雄， 范澍， 黄贻煜， 陆继明.电力电子变压器的理论及其应用(I).高电压技术. 2003， 29(12):1-3
[4]邓卫华， 张波， 胡宗波.电力电子变压器电路拓扑与控制策略研究. 电力系统自动化.2003， 27(2):40-45
[5]Brooks J L. Solid state transformer concept development. Naval　material command， civil engineering laboratory， naval construction battalion ctr.， Port Hueneme， CA， 1980.
[6]EPRI TR-105067. Proof of the Principle of the Solid-State Transformer: the AC/AC switch mode regulator. San Jose State University， prepared for Electrical Power Research Institute， Final Report， Aug. 1995.
[7]Harada K， Anan F， Yamasaki K， et al. Intelligent transformer. Conf. Rec. of IEEE PESC.， 1996， 1337-1341
[8]Venkataramanan G， Johnson B K， Sundaram A. An AC－AC Power　Converter for Custom Power Applications. IEEE Trans on Power　Delivery ， 1996 ， 11 (3) : 1666～1671
[9]Moonshilk Kang，　Prasad N Enjeti， Ira J Pitel. Analysis and design of　Electronic Transformers for Electric Power Distribution　System.　IEEE Transactions on Power Electronics，　1999， 14 (6):1133-1141.
[10]Manjrekar M D，　Kieferndorf R，　Venkataramanan G. Power Electronic　Transformers for Utility Applications. IEEE Industry Applications　Conference，　2000， (4):2496 - 2502.
[11]S. Sudhoff， 慡olid State Transformer，?US Patent #5943229， 1999.
[12]Ronan E R， Sudhoff S D， Glover S F， et al. A power electronic-based distribution transformer. IEEE Trans. on Power Delivery. 2002， 17(2): 537-543
[13]赵剑锋.输出电压恒定的电力电子变压器仿真.电力系统自动化.2003， 27 (18):30-34
[14]黄贻煜，毛承雄， 陆继明， 范澍. 电力电子变压器在输电系统中的控制策略研究.继电器. 2004，32(6):35-39
[15]范澍，毛承雄，陈洛南. 同步发电机-电力电子变压器组的最优协调控制. 电 网 技 术. 2005，29(2):14-18
[16]曹解围，毛承雄，陆继明，范澍.电力电子变压器在改善电力系统动态特性中的应用.电力自动化设备2005，25(4):64-68
[17]潘诗锋，赵剑锋.电力电子变压器及其发展综述.江苏电机工程.2003，22(6):52-54