固态变压器

SST又叫电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)或者电子电力变压器(Electronic Power Transformer, EPT，是利用电力电子变换技术来实现电压等级转换和电力传输的智能化设备 。

其基本原理如图1:首先工频交流信号经电力电子变换器变换为高频方波信号，信号通过高频隔离变压器传输，再经电力电子变换器将高频方波信号还原成工频交流信号。该过程可以通过控制器对电力电子变换装置进行适当的控制来完成。

由固态变压器的基本原理，可以看出其相对于传统变压器的优点:

(1)采用了高频变压器，而非工频变压器，因此变压器的体积和重量都大大减小。

(2)通过适当的控制，可以实现输入侧单位功率因数运行，可以吸收负载侧无功功率和隔离谐波电流，抑制谐波双向流动，有效改善电能质量。

（3）可以消除电源侧电压过压或欠压对负载侧电压的影响，保证负载侧电压幅值、频率、波形的稳定。

(4)含有交直流接口，方便分布式发电系统的联网和直流负载的接入。

(5)全数字化控制，方便采集电网信息和联网通信，从而能够实现潮流控制，还可与柔性交流输电协同工作，增强电网系统的稳定性和可靠性。

可见，固态变压器比传统电力变压器更能够满足智能电网的要求，且更能满足用户对电网的个性化需求。

近几十年来，电力系统发展迅速，且呈现出几大特点:一、电力系统从刚开始的跨市连接到现在的跨省级、跨区域连接，规模越来越大，如何保证超大规模力系统的安全性和稳定性是需要严肃考虑的问题。二、能源危机日趋严重，因此，可再生能源分布式发电系统如光伏发电、风力发电等越来越受到重视，而分布式发电系统接入电网又会引发一系列控制问题。三、用电负荷多样性增加，非线性负荷越来越多，而非线性负荷产生的谐波会对电网产生影响，使得电能质量问题日益突出。面对电力系统新的挑战，传统电力变压器作为电力系统输配电中基本的电力设备，其过于单一的功能也越来越不能满足现代电力系统的需求 。

目前，传统变压器采用油浸式变压器，虽然传统变压器工作效率高、可靠性高且价格低廉，但是传统变压器也有不可忽视的缺点，包括:

(1)体积大、过于笨重。

(2)电网侧与负载侧没有实现隔离，因此电网侧和负载侧的扰动和故障会互相祸合。电网侧发生电压跌落和闪变会祸合到负载侧，同样，负载侧的谐波也会祸合到电网侧，污染电网，影响电网的稳定性。

(3)负载侧电压受负载影响较大，负载发生很大的变化时，负载侧电压波动大。

(4)没有直流接口和储能的能力。

(5)若变压器发生漏油，会造成环境污染。

随着电力电子器件的飞速发展，电力电子技术在电力系统中应用的越来越多。现代系统中，许多机械式、电磁式设备都在被新型电力电子设备替代，使得电力系统能够更好的实现自动化、智能化和灵活化。例如，高压直流输电( HVDC )、静止无功补偿装置(( SVC )、有源电力滤波器(APF)、电能质量控制器(UPQC)、统一潮流控制器(UPFC)等电力电子设备广泛运用于输电和配电中。考虑到当今电力系统的特点和传统变压器的不可避免的缺点，那么是否也可以将电力电子技术运用到电力变压器中，因此固态变压器应运而生。

固态变压器基本都采用三级型 (直流固态变压器除外)，都使用了高频变压器和DAB结构，主要是因为高频变压器的体积小，传输效率高，以及DAB能实现能量双向流动 。

虽然固态变压器较传统变压器有很多优势，但损耗大、可靠性低、成本高和短路特性等都是固态变压器的弱点。但是固态变压器由于拥有传统电力变压器所不具备的强大功能和诸多优点，随着电力电子器件技术的发展和电力电子变换技术的进步，固态变压器造价会逐渐降低，可靠性会逐步提高，效率会不断提升，取代传统变压器成为可能，而控制灵活、功能强大的特点也使得固态变压器具有更广阔的应用前景。

随着实际生产中对电能质量的要求越来越高，传统的电能质量补偿装置(如静止同步补偿器、动态电压恢复器、有源电力滤波器和综合电能质量调节器等)功能较为单一，若为满足全部电能要求逐个安装，成本高，效率低，加之传统变压器及其配套监控，整个系统复杂性提高，不利于电能质量的控制。SST具备解决这一问题的高性价比，因其本身具备无功补偿的功能，可灵活应对电压上升、电压闪变、电压谐波、电压跌落及三相输出电压不平衡等工况，并具备极短时间关断故障电流的能力，兼顾了断路器功能。除电力系统外，若对电能变换装置的重量和体积有特殊要求，如化工、航空、军事、医疗、航海等领域，SST亦将拥有实际的应用前景 。

SST具备原副方电压电流实时控制，灵活调节的能力，功率可双向流动，交直流均有，对分布式电源有很强的兼容性。通过SST本身的监测控制功能和一定的通讯功能，可协调控制多台SST控制新能源微网内的功率流动，提高能源利用效率，同时可适时地将微网接入大电网，必要时提供电压和频率支撑，无需额外增加调压和调频设备。因此，风电、太阳能、蓄电池这类电源可利用SST进行整合，实现多元化能源集中控制。现代电网自动化程度较高，辅助以人工智能，将推进电网智能化建设，基于固态变压器的控制即为一种智能型体现。在电力系统发生严重故障，甚至崩溃解列的情况下，SST切换于不同模式，先满足当地负载的用电需求，待系统恢复供电，正常运行时又可将负载转移至大电网，即所谓的黑启动:在没有外部辅助电源的情况下，逐步恢复对负载侧的正常供电。当然这需要建立在SST完善的控制模式基础上，即微网并网情况下的负载运行模式和孤岛运行模式。

现阶段SST除用于新能源智能微网领域，在传统电网中，主要用于解决配电网的电压扰动问题。常规的解决办法是采用动态电压恢复器，其工作原理是通过一个隔离变压器和可调自藕变压器产生一个补偿电压输送至电力系统。但变换效率不高，响应速度慢，变压器成本高，体积大。固态变压器则不存在上述问题，因其二次侧输出电压可调且能维持恒定，而且变换效率高，体积小，足够满足敏感负荷的电能要求。又因SST具备直流接口，可将蓄电池或超级电容接入，利用蓄电池的充放电特性和超级电容吸收释放电能的原理，来应对瞬时电压中断，提高供电可靠性。

电力变压器作为电压变换和电气隔离的基础设备，是电力系统中网络连接的核心，在输配电领域均有应用。目前系统中采用较多的是铁芯油浸式变压器，虽经过导磁材料和铁芯结构等一系列改进后，效率和可靠性得到很大提高，但用户需求越来越大，供电可靠性和电能质量标准也随之提高，此时传统铁芯式变压器的缺陷和不足突显:体积和重量大，电压等级和功率容量提升增加变压器的空载损耗，一次侧电压幅值变动会影响二次侧输出电压，负荷变化带来二次侧输出电压不稳定，铁芯饱和时产生的谐波造成励磁涌流，一次侧和二次侧的谐波侵入诱发新的故障等。需进行电压变换和调整，同时对功率流动进行灵活控制，兼备故障诊断和隔离。传统变压器的局限性显然不能满足上述要求 。

为实现改善系统电能质量的目标，同时为新能源并网提供智能化接口，一种新型变压器应运而生，即为固态变压器(Solid State Transformer, SST)。随着大功率电力电子器件制作工艺和性能的提高，涌现了许多基于电力电子的电能质量调节装置，如DVR(Dynamic Voltage Regulator), APFC(Active Power Factor Correction),UPFC(LJnified Power Flow Controller)等。固态变压器在高频变压器的基础上融合了电力电子变换技术，亦称电子电力变压器(Electronic Power Transformer, EPT)或电力电子变压器((Power Electronic Transformer, PET);它能整合上述电能质量调节器的功能。又因其控制的灵活性和易于拓展的特点，又称智能通用变压器(Intelligent Universal Transformer, IUT)。

固态变压器是一种基于电磁感应原理的高频耦合装置，并结合先进的电力电子变流技术，实现电能变换的静止电气设备。 SST集电气隔离、电压变换、无功补偿等功能于一身，通过对传统变压器和电力电子设备的集成化，可提高电网设备的智能化水平。相较于常规电力变压器，SST的主要优势在于:环境友好，占地小，无变压器油，污染少;原副方电压幅值可保持恒定，不因负载切换而发生大幅波动;高低压侧交流波形畸变率小，基本为正弦，功率因数控制灵活;可实现断路器的部分功能，瞬间关断故障电流，继电保护装置较传统变压器相对简化;可配置智能控制单元，便于设备层面配合实现自愈功能，亦可实现联网通信，有利于电网智能化。

固态变压器高频耦合的AC/AC电路

上世纪七十年代，美国GE公司的W.McMurray提出一种基于高频藕合的AC/AC电路结构，变换电路如图1-1所示 。

电路工作的基本原理为:采用移相控制的方式，原方开关S1和s2互补导通，

工作在高频状态，输入的低频交流或直流信号被逆变为高频信号，经高频变压器祸合到副方，副方开关S3和S4通断与S1和S2同步，触发相位上相差角度，控制移相角即可控制变换器输出电压幅值。当移相角等于0时，变换后的副方电压波形与原方电压相同;当移相角不等于0时，输出电压波形呈现一定规律的正弦变化，在变压器副方配置输出滤波，方可得到正弦波形的电压。作为现代电力电子变压器的早期雏形，该设计思想也是后期固态变压器发展的基础。

固态变压器三级结构的固态变压器

20世纪末，出现了一种针对电力电子变压器的三级结构，由Runan和Sudnoff两人提出，该变压器由高压级(输入级)、隔离级和低压级(输出级)构成。这是固态变压器领域首次尝试三级结构拓扑，受制于当时的功率器件耐压水平，高压侧多采用多个模块串联分压，各级模块内部相互独立。输入级模块为整流器，可实现单位功率因数，该级将输入的交流变换为直流;隔离级将直流信号经过直一交一直变换后还原为直流，隔离级的输出直流并联后送入输出级，输出级将直流逆变为所需工频交流后输出。此种结构较好地满足了降压变原方高电压小电流和副方低电压大电流的要求。但该固态变压器的局限性在于其只能实现功率的单向流动，且对无功的调整不够灵活。

电力电子变压器(最初叫做固态变压器)的概念早在 20 世纪 70 年代初就被提出。1970 年，美国 GE 的 W.Mc Murray 在他申请的一项专利中首先提出了一种包含高频变压器的电力电子拓扑电路。1980 年，美国海军在一个项目中提出了一种由 AC/AC 的降压变压器构成的固态变压器。1995 年，美国电力科学研究院(EPRI)提出了另一种 AC/AC 结构的降压变换器型电力电子变压器拓扑结构。这种拓扑由于是直接交交型变换结构，中间没有使用高频变压器，因而成本较低，且开关器件数也较少。但由于该结构中不存在变压器，因而其原方和副方之间并不能实现电气隔离。

1996 年，日本人 Koosuke Harada 提出了一种智能变压器的概念，这种变压器主要是通过高频技术来提升变压器铁芯材料的利用率，并以此减小系统的体积。另外，该变压器还通过电力电子变换技术及控制技术实了功率因数校正、恒压和恒流等功能。其研究成果在一个200V/3k VA 的实验装置上得到了实现，开关频率达到了 15k Hz，但仍存在效率稍低的缺点，大概在 80%～90%左右。

20 世纪 90 年代末，电力电子技术的快速发展加快了电力电子变压器领域研究的前进步伐，国外在电力电子变压器的研究上也取得了一定的进展。特别是在工业配电系统中，一些新的电力电子变压器的研究方案也在这时得以提出，并进行了实验验证。美国德州 A&M 大学的 Moonshik Kang 和 Enjeti 首先提出了一种基于直接 AC/AC 变换的电力电子变压器的结构，此后 1999 年 Ronan 和Sudnoff 提出了一种三级结构组成的电力电子变压器拓扑结构，它主要由输入级、隔离级和输出级这三部分组成，这种方案的特点在于输入级可以采用多级的功率模块进行串联，因而输入电压可以被均分到每个模块上，从而降低了单个功率模块上所承受的电压应力。

简单的变压器是由闭合的导磁体和二个绕组组成，其中一个绕组与交流电源相连接，称为初级绕组Np，另一个绕组可以与负载相连接，称为次级绕组Ns。

如果初级绕组与交流电压Ui的电源相连接，变压器处于空载，在初级绕组中产生交变电源Io， Io称为空载电流。这个电流建立了沿磁芯磁路而闭合的交变磁通，磁通同时穿过初级绕组和次级绕组，在初级绕组中产生自感电动势E1，次极产生互感电动势E2，则E1：E2=Np：Ns。Np为初级绕组匝数，Ns为次级绕组匝数。

变压器在电子线路中起着升压、降压、隔离、整流、变频、倒相、阻抗匹配、逆变、储能、滤波等作用。

电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)又称电子电力变压器(Electronic Power Transformer, EPT)，固态变压器(Solid State Transformer, SST)和柔性变压器(Flexible Transformer, FT)，是一种通过电力电子技术实现能量传递和电力变换的新型变压器。对现有的电力电子变压器拓扑结构进行分析和总结，可以对电力电子变压器作出如下定义：所谓电力电子变压器，是一种将电力电子变换技术与基于电磁感应原理的高频电能变换技术进行结合，实现将一种电力特征的电能变换为另一种电力特征的电能的静止电力设备。这里所说的电能的电力特征主要是指电压(或电流)的幅值、频率、相位、相数、相序和波形等方面。