1. 课题研究背景及意义

自 20 世纪 70 年代，国外就已经开始了对电力电子变压器( Power Electronic Transformer，简称 PET) 的研究，起初人们对 PET的研究只是为了减小变压器体积，以便能将其应用到航海、航空和军事等领域。^[3]PET 的早期研究由于受当时电力电子器件和功率变换技术落后的限制，研制的实验样机电压等级低、容量小，直到 20 世纪 90 年代末国外在研究功率开关器件的制造技术取得一定的突破以及电力电子技术的不断进步推动了 PET 的发展。到目前为止虽然 商 业 化 的 半 导 体 器 件 最 高 额 定 电 压 只 有8kV，但却涌现出了许多新型 PET 拓扑结构实现方案，并做出了相应的实验样机。^[1]

随着 PET 的发展，研究者们不断发现了其优点和潜在的强大功能以及解决未来电力系统不断出现各种问题的能力。尤其在当今智能电网环境下与传统的变压器相比 PET 更具优势，智能电网以实现电力系统的高效经济、安全可靠、节约资源、环境友好为目标，且非常重视对电能质量的要求。^[6]传统变压器的一些固有缺点如: 体积重量大、空载损耗高、不能有效地隔离故障以及谐波的传播、铁芯饱和时励磁涌流会危害电力系统等^[2-6]，使得它难以适应当今智能电网的发展要求。^[7、14]

然而 PET 却可以克服传统变压器以上的不足，PET 由电力电子器件及相关控制技术和高频变压器构成，兼有直流与交流环节，可方便各种小容量分布式电源接入; 高频变压器的使用使得 PET 体积只有相同容量传统变压器体积的 1 /3; PET 不需要变压器油对环境友好; PET 还能实现有功无功解偶控制^[14]，能灵活调节一次侧功率因数、控制朝流; PET 不仅能实现电压等级变换和电能的传输，还能隔离谐波和无功功率在电网中的传波，极大改善了电能质量和降低了网损。^[1]

一百多年来,作为电力系统应用最广泛的设备之一的电力变压器的工作原理、基本功能及其体积大和重量重等缺点一直没有发生变化。^[8]同时,在这一百多年的时间里,电力系统发生了深刻变化,大量非线性负荷的增长,迅速恶化了电力系统的供电品质另一方面,用户对电能品质的要求却越来越高,从而使得电能质量问题成为了当前电力系统面临的亚待解决的重要问题。^[15]

因此,如何克服常规电力变压器的缺点和从功能上对电力变压器进行革新,实现变压器技术的再一次飞跃,使其满足现代乃至未来电力系统的各种新要求,是一个很有价值的理论课题和实践课题。^[9]

2. 变压器发展历史及趋势

电力变压器,是将一种形式的交流电能变换成另一种形式的交流电能的电力设备。根据电磁感应原理,它能实现把某一电压等级的交流电压变换为另一等级的交流电压,以满足不同负载的需要。因此,电力变压器在电力输配电系统中占有很重要的地位。^[9]

从原理上而言,变压器的历史甚至可以被追溯到更早的世纪年代。1831年,英国物理学家法拉第建立的藉以发现了电磁感应现象的实验设备^[8],实际上己经包含了构成变压器的所有基本要素一个封闭的铁心、两个独立的线圈,具备了变压器的雏形。^[13-14]在随后的直到真正意义的变压器出现前的多年里,各种各样的类似于变压器的感应装置先后出现。电力变压器结构简单,主要由铁芯和线圈组成。^[5]第一台变压器的铁芯材料采用的是一般的碳素钢丝。这种变压器虽然也能实现其变压和能量传递的功能,但效率低,损耗大。随后,采用热轧钢片作为铁芯材料的变压器的空载损耗比以钢丝作为导磁材料时大幅度下降,提升了效率,但是变压器的效率还是偏低。20世纪初,英国的冶金学家经过长期的研究发现了磁滞损耗比锻铁更低的硅钢,并用之于变压器铁芯的制造热轧硅钢,在随后的年时间内,使电力工业节约了约3.4亿美元。^[9]20世纪20~30年代,开始出现和应用冷轧取向硅钢。世纪年代,取向硅钢片作为铁芯材料开始应用于变压器的制造之中,加之叠片工艺的改进,进一步降低了变压器的空载损耗和噪声。世纪年代,随着非晶合金材料的出现,电力变压器的铁芯损耗大大减少,这为进一步提高变压器的效率奠定了基础。^[11]除了在变压器铁芯导磁材料和工艺方面研究者进行了大量的研究工作外,在变压器绝缘和冷却方面研究者也取得了卓有成效的进展。一开始,电力变压器的冷却介质主要为空气。^[8]显然,这种冷却方式不是很理想。二十世纪初,采用矿物油实现绝缘,的变压器提升了变压器的绝缘等级,同时采用风扇进行强迫冷却后进一步提高了变压器的温度耐受能力。^[10]为了解决矿物油的污染问题和易燃问题^[3],采用树脂、难燃油或作为绝缘或冷却介质的变压器也开始逐渐实用化。经过一个多世纪的发展,今天的电力变压器,无论是工艺,还是性能都达到了前所未有的高度。现代的电力变压器,电压等级已达到1000KV,容量达到百万级KVA,效率已经达到了99%以上。^[9]