电子电力变压器原理和仿真研究

电子电力变压器EPT(Electronic Power Trans—former)，又称电力电子变压器PET(P0wer Electronic transformer)，或固态变压器(s01id state transformer)，是一种基于大功率电力电子变换技术实现电力系统中电压变换、能量传递和隔离的新型电力变压器.是近几年来在电能变换和传递领域内重要的研究成果之一。本文对EPT的基本理论和实现方案进行了论述，并对作者在文献[3]中提出的一种新的EPT实现方案进行了仿真研究。仿真结果表明，电子电力变压器可以保证原副方良好的电压、电流波形，并具备良好的控制特性。

1 EPT基本原理

EPT原理框图如图1所示，其基本原理如下：输入电压信号在高频变压器的原方进行AC—AC或者AC—DC—AC变换。所得高频信号经高频变压器耦合到副方以后.再进行AC—AC或者AC—DC—AC变换，得到工频电能。

图1 EPT基本原理框图

Fig.1 The block diagram of EPT

如上所述，EPT的具体实现方案又可分为两种形式：一种是在变换过程中不含直流环节，即直接AC—AC变换，如图2(a)所示;另一种是在变换过程中存在直流环节，如图2(b)所示。含直流环节的实现方式具备良好的控制特性。通过PWM调制技术可实现变压器原副方电压、电流和功率的灵活控制.有望成为今后的发展方向。

图2两种典型的E肌原理框图

Fig.2 Two typical principles of EPT

2一种新的EPT结构

作者在文献[3]中提出了一种新的E]P1r实现方案，其单相拓扑结构如图3所示。本文对这种拓扑结构作了进一步的仿真研究。

3仿真研究

本文对图3所示单相结构的EPT进行了仿真研究。为了不失一般性，仿真时高频变压器原方采用了2个输入模块进行串联。仿真研究中，EPT原方输入电压有效值为6 000 V.副方输出电压有效值为800 V。仿真参数如下：整流器电感为15 mH，整流后直流电容为5 000uF;输出滤波电感为4 mH，电容为4 500uF。

3.1稳态特性仿真

E阳稳态特性如图4所示。当输入单相工频电压时：输入电流及输出电压、电流波形均为正弦。经快速傅里叶变换(FFT)分析，单相输入电流总谐波畸变率(THD)最大约为3.44%。其中3次谐波含量2.93%，在三相系统中，3次谐波含量可大幅度降低。单相输出电压THD约为0.55%。经PWM整流控制，输入电压、电流基本同相位.输入功率因数接近于：1。

图3新的EPT的一相拓扑结构

Fig-3 The topological structure of a new EPT

图4稳态特性仿真结果

Fig.4 Results of steady-state characteristic simulation

3.2动态特性仿真

为了验证E门的动态特性，本文对以下几种情况进行了仿真研究：输入电压波动±10%;输入电压含基波幅值20%的5次、7次谐波;输入电压2倍冲

击：负载的投切冲击。

3.2.1输入电压波动±10%

输人电压如图5(a)所示，在时刻为l s时电压峰值比额定值增加10%，持续2个周期;在1.06 s时电压峰值比额定值降低10%，持续2个周期。分析得输出电压(如图5(b)所示)波动约为1.9%。从仿真结果可知，当输入电压波动±10%时，输出电压幅值基本维持恒定。

3.2.2输入电压含基波幅值20%的5次、7次谐波如图6(a)所示，输入电压含基波幅值20%的5次谐波和基波幅值20%的7次谐波。FFT分析得到，单相输出电压(如图6(b)所示)的THD最大约为O.56%。仿真说明当输入电压含20%的5，7次谐波时，EPT输出电压基本保持正弦。

3.2.3输入电压有2倍冲击

输入电压如图7(a)所示，2倍电压冲击从l s时刻开始，持续3个周期，之后恢复正常。当输入电压波动+100%，即2倍电压冲击时，输出电压(如图7(b)所示)波动最大约为11.5%;对输入电压波动+20%进行仿真，此时，输出电压波动最大约为3%。

图5输入电压波动±10%时的仿真结果

Fig.5 Simulative results with±10% fluctuation on input voltage

图6输入电压含基波幅值20%的5。7次谐波时的仿真结果

Fig.6 Simulative results with 20% fifth and seventh harmonics in input voltage

图7输入电压含2倍电压冲击时的仿真结果

Fig.7 Simulative results with twice impact on input voltage

以上仿真说明当输入电压有较大波动时。输出电压波动在允许范围内。

3.2.4负载投切

功率因数为0.5的负载投切到功率因数为0.85的负载过程中，输入电流波形如图8(a)所示，输出电压波形如图8(b)所示(投切时刻为l s)。

图8负载投切过程中的仿真结果

Fig.8 Results of Ioad switching process simulation

分析可得，负载投切后，输出电压一个周期后就恢复正常。仿真说明，不同功率因数的负载投切后，输出电压幅值基本不变。

4结论

本文阐述了EPT的基本原理及其实现方案。并对一种新的EPT拓扑结构进行了仿真研究。仿真结果表明，该拓扑结构的EPT可以保证原副方良好的电压、电流波形，并具备良好的控制特性。EPT的动态特性仿真结果表明.EPT具有电能质量调节器的功能，可以作为～种新型的电能质量调节装置。

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