研究特種電子電力變壓器的意義及前景
國外對多相輸電方式的研究已經進行了20多年，相對於三相交流輸電來說，多相特別是四相交流輸電可以提高線路的傳輸容量和降低損耗。同時，目前在電熱加工等裝置中常採用單相大容量的用電設備(如工頻感應爐、電渣重熔爐等)，如果前一級電源的容量與單相負載的容量相比不是很大，則必然會給前一級電源變壓器帶來三相負載不平衡問題。在電氣化鐵道牽引供電系統中，國內外牽引變壓器的發展經歷了非平衡牽引變壓器和平衡牽引變壓器(指三相一兩相變換的降壓變壓器)兩個時期，依然無法很好的解決電力機車負荷注入電網的負序電壓電流和諧波。為了解決單相電力負載注入電網的負序和諧波問題，以及為單相供電中如電氣鐵道機車上及電氣化車站內的三相負載提供所需要的電能並且不給電網造成污染，國內的相關研究人員相繼 了一系列的方案來解決這些特殊負載對電力系統的負序和諧波影響。但是由於他們採用的仍然主要是基於電容器和電抗器串並補的方法，並且使用傳統方法來實現電壓相制的變換，不能從根本上解決給負荷供電的電源質量問題，因此並沒有達到很好的效果並且也未見有大規模套用的報導。
另一方面，電能質量問題造成了巨大的經濟損失，據估計每一次電能質量問題使生產流水線中斷或重啟動可能造成30萬一100萬美元的損失。美國每年由於電能質量問題造成200億美元的損失。然而，系統即使按最大可靠性設計也無法避免電能質量問題的發生。採用電子電力變壓器來解決上述問題有最佳的性價比。因為其他任何一種方法除了需要補償設備外，還要配備與負荷等容量的傳統變壓器和相應的保護設備。
由於特種變壓器所要實現電能變換的特殊性，它所供給的負載或者需要實現相數的變換，或者需要實現頻率的變換，而這裡面的任何一種變換都無法避免的會一方面使得變壓器供給給負荷的電能質量不高，另一方面由於負荷端和電源側相數及頻率的不同，它會向電源側反饋一系列的諧波電流，給電網造成污染，影響到電源給其他負荷的供電質量。
電子電力變壓器將電力電子技術套用到變壓器的設計和製造當中，它通過電力電子變換技術實現電力系統中的電壓變換和能量傳遞。EPT的基本工作原理框圖如圖1.1所示。它的設計思路來自於具有高頻連線的AC/AC變換電路，即輸入的工頻交流信號通過電力電子變換器件變成換高頻信號，再通過高頻變壓器藕合到副方，得到的高頻信號再通過電力電子變換器件變換成工頻交流信號輸出。選擇適當的控制算法，通過合適的控制電路控制兩側的電力電子變換器的導通和關斷，對其交流側的電壓幅值和相位進行實時控制，從而實現變壓器原副方電壓、電流和功率的靈活調節。中間的高頻變壓器起隔離和變壓作用，由於頻率很高，鐵心式變壓器體積與它的頻率成反比，因而可以把體積做的很小。
將電子電力變壓器的原理引入到特種變壓器的製造領域裡來，相當於把傳統變壓器及其配套的監測、電力有源濾波器、綜合電能質量調節器等電能質量補償裝置的功能合而為一，可大大降低成本。特種電子電力變壓器(Special Electronic PowerTransformer, SEPT不僅能夠在電源側正常時為負荷供給高質量的電能，即使在電源端出現畸變和諧波的情況下，它也能為負荷端提供高質量的電能，並且能夠最大限度的消除負荷端向反饋電源端的諧波和畸變電流，保證變壓器兩側的電能質量。同時，在變壓器兩側出現異常時，它都能夠在第一時間做出反應。
目前，大功率電力電子變換技術在輸配電系統中已得到廣泛的套用。電力電子變換技術套用於電力系統可改善電能質量和提高供電可靠性，同時使電氣設備重量減輕、體積變小，節省大量銅、鋼等原材料。廣泛採用電力電子技術以後，還可以大幅度節省電能，從而節約大量資源和一次能源，改善人類的生活環境。隨著電子電力技術的發展，特種電子電力變壓器的理論和製造工藝將得到充分的發展，它在電力系統中也將具有十分光明的前景。
特種電子電力變壓器的基本結構
採用具有自平衡功能的電子電力變壓器(A-EPT)的基本拓撲結構作為所設計特種變壓器的基本模板，它由M個一相變N相電子電力變壓器單元以星形連線而成，電子電力變壓器單元為由高壓級，隔離級和低壓級構成的三級結構，高壓級由P個變換器模組級聯而成，低壓級為N個獨立的AC/D C/AC變換器，隔離級為中頻或高頻變壓器(工作頻率不低於400Hz)。這種結構不僅可以實現常規電力變壓器的隔離、變壓和傳遞能量等基本功能，實現功率雙向流動，可以實現M相到N相的靈活變換，能夠實現前述的各項變換功能，而且它的功率既可以從高壓側向低壓側流動，即作為降壓變壓器使用，也可以從低壓側向高壓側流動，即作為升壓變壓器使用，並且可以保證無論副方系統出現什麼樣的不平衡，原方系統始終可以平衡運行;當原方供電出現不平衡時，副方仍然可以保證平衡輸出。
如圖2.3所示，電子電力變壓器單元1是由高壓級2,隔離級3和低壓級4構成的一種三級結構。高壓級2由P個變換器模組5級聯而成，P>1，這P個變換器模組5的一個連線埠串聯起來，構成高壓級2的交流連線埠，而它們的另一個交流連線埠則分別與隔離級3的一次側繞組相連。變換器模組5可以是AC/DC/AC變換器，也可以是AC/AC變換器或其它形式的變換器，在 中我們採用AC/DC/AC變換器。低壓級4由N個獨立的AC/D C/AC變換器6構成，N≥1，每個AC/D C/AC變換器6的一個連線埠與隔離級3的二次側繞組相連，其另一連線埠則作為電子電力變壓器單元1的一相輸出。隔離級3為中頻或高頻變壓器(工作頻率不低於400Hz)，其一次側繞組的數量與高壓級2的變換器模組5的數量一致(即P個)，其二次側繞組的數量與低壓級4的AC/DC/AC變換器6的數量一致(即N個)。因此，電子電力變壓器單元1為一相變N相結構。
3/N相電子電力變壓器
3/N相特種變壓器包括最常見的三相變單相，三相變兩相，以及最近興起的三相變四相乃至多相等三相到其他相的變壓器，將對它們分別進行討論。
3/1相電子電力變壓器
配電系統中，很多用戶都是採用單相電源，典型的如照明負荷。傳統的做法是直接將單相負荷接在三相電源的某一相，為了實現相間負荷平衡，將多個單相負荷大致平均地分配到三相。在某些國家(如印度和法國)，為了充分利用變壓器的容量，電氣化鐵道也直接採用單相電源分別給牽引網的上下兩行供電臂供電，牽引變壓器按照周期順序分別接至三相傳輸線的兩相之間以減少三相網路的不平衡。牽引變壓器投入運行時，由於機車型號、數量分布和其運行狀態以及路況的不同，這種用於電氣化鐵道的單相變壓器以及用於電熱加工等裝置中的單相大容量用電設備，都有可能直接導致前一級電源變壓器三相輸入電流不平衡。
對於上述負荷，如果直接採用3/1相變壓器供電，既簡單又方便。跟傳統的3/1相電力變壓器相比，即使在負載波動的情況下，3/1相電子電力變壓器也能夠給負荷提供高質量的電能，而且能夠保證變壓器原方三相電流的平衡，不會給電源側帶來諧波污染。
3/2相電子電力變壓器
兩相供電是牽引電力系統(如電氣化鐵道)的主要供電方式。常規實現3/2相供電的變壓器主要有 a}-sod:斯科特(Scott-Teaser)變壓器、李布朗克(Le Blanc)變壓器、伍德橋(Wood Bridge)變壓器和阻抗匹配平衡變壓器等等。其中，阻抗匹配平衡變壓器是我國自主開發的牽引變壓器，其一次側可抽出中性點，與我國110kV電網接線形式匹配，再加之優點突出，在我國電氣化鐵路上得到了較廣泛的套用。近幾年來，為了進一步提高牽引變壓器的性能，在阻抗匹配平衡變壓器的基礎上進一步開發出了多功能平衡變壓器
目前的電氣化鐵道供電系統，無論是採用斯科特變壓器、還是採用阻抗匹配平衡變壓器，都普遍會對電力系統造成如下影響:
一是，在電力系統(變壓器的一次側)引入負序分量。儘管斯科特變壓器和阻抗匹配平衡變壓器理論上可以實現一次側三相繞組電流對稱，但其前提條件是變壓器二次側的兩個供電臂具有相同的負載(具有相同的功率因數，且電流的幅值相同)。然而，由於機車負荷的大小及位置分布的隨機性，兩供電臂有相同負載的情況幾乎是不會發生的。如果定義三相電流不平衡度為負序分量與正序分量的比，那么，即使採用阻抗匹配平衡變壓器，當其只有一個供電臂有機車時，不平衡度將達到100%。為了緩解這一狀況，普遍採取的措施是換接相序:各相鄰牽引變電所牽引變壓器的原邊各端子輪換接入電力系統中的不同相。以期在大範圍內能夠基本實現電網三相平衡。然而，這種措施效果非常有限，並且使機車操作的複雜性增加，並帶來了安全隱患，制約了機車牽引力的發揮，難以滿足安全、高速、重載的牽引發展要求。
二是，會向電網注入諧波。電力機車採用單相整流橋供電，機車變壓器的原邊電流波形是周期性的非正弦波，含有大量的諧波成分，導致牽引變壓器的一次側(注入電網)的電流波形發生明顯的畸變。整流型電力機車已成為電力系統的主要諧波源之一。為了儘可能減小牽引供電系統對電網的注入諧波，可採取的措施包括:採用多脈波變流器以減少諧波的發生量、在變電所牽引側或電力機車上加裝並聯電容濾波補償裝置等。
三是，功率因數低。對於整流型電力機車，牽引變壓器高壓側的功率因數普遍在0.8以下，遠低於電力系統的要求。過低的功率因數，會增大電網的電能損耗、增加網路電壓損失，不利於電力系統的經濟運行。為了提高牽引負荷的功率因數，目前普遍採用在變電所牽引側裝設並聯無功補償設備，如固定電容器((FC)或晶閘管投切電容器(TSC)等。
此外，為了減小電力系統電壓波動、電壓損失對機車牽引力的影響，往往需要在牽引變壓器裝設分接開關或者採取其它措施，以保證供電電壓水平。
3/N相電子電力變壓器
隨著我國西部特大型水利發電中心的逐漸建立，以及大區域電網互聯的進一步深入，超遠距離、超大容量的電力傳輸將變得越來越重要和普遍。由於我國人口眾多，土地資源更加珍貴，輸電走廊問題越來越成為制約電網發展的關鍵因素，因此，提高單位線路走廊的輸電能力是我國現代以及未來電網建設的核心問題之一。多相(四相及以上)輸電技術和特高壓輸電技術都可以有效地提高輸送功率密度，節約輸電走廊，因此，引起了眾多電力研究者的重視。
多相輸電技術於1972首先由美國學者H.C.Barne與L. T. Barthold。已有的研究表明，多相輸電線路與三相輸電線路相比，具有以下優點:
第一、降低線路線電壓與相電壓比值。相數增加後，線電壓和相電壓的比值變小，從而使得架空導線間的距離減小，線路變得緊湊，正序電抗下降，相間電容上升，較易實現與現有三相系統的協調，兼容運行。而且對高壓斷路器觸頭斷流容量的要求較低。
第二、提高線路輸送功率。與三相輸電方式相比較，線上間電壓相同，各相導線截面相同的條件下，四相輸電容量為三相輸電容量的1.633倍，電壓損耗較三相輸電減少了18.4%;在相電壓相同，相導線截面相同的條件下，四相輸電容量為三相輸電容量的1.333倍，其電壓損耗與架空線路的相鄰線間距離較三相輸電減少了18.4%
第三、提高傳輸功率的穩定性。與三相輸電線路相比，在電壓相同的情況下，多相輸電系統不僅相數增加，而且由於其正序電抗下降，進一步使得其穩定極限功率上升。
第四、其他優越性。多相輸電系統還具有導線表面電場強度較小，架空線路走廊窄等優越性，而且運行時可聞噪聲、無線電噪聲、地面電磁場等環境指標較好。此外，四相輸電還可抑制諧波對通信的干擾。
現有多相輸電方式主要有兩類:一類是相數為3的倍數相 ，如六相輸電、十二相輸電等;另一類是四相輸電方式
第一類輸電方式的優點是實現三相電量到多相電量變換簡單，只要改變三相變壓器接線方式即可實現三相與三的倍數相間的多相變換。缺點是導線懸掛困難，桿塔結構複雜，線路故障組合類型迅速增加導致故障分析計算困難和繼電保護設計困難，而且相間過電壓高。
第二類輸電方式是最接近三相的多相輸電方式，它既有多相輸電的優點，又克服了第一類多相輸電方式所存在的缺點，技術經濟價值較高，因此具有重大的理論與套用研究意義。
實現多相輸電，首要解決的問題是如何實現三相電量與多相電量之間轉換。因此實現三相與多相變換的電力變壓器是多相輸電技術的關鍵設備，也是研究的重點和難點。
電子電力變壓器理論上可以比較容易地實現三相與多相之間的轉換，而且由於其具有自平衡的特點，比現有的3/4相變壓器要優越。
N/3相電子電力變壓器
N/3相電子電力變壓器包括單相變三相電子電力變壓器，四相變三相電子電力變壓器以及N相變三相電子電力變壓器等。
1/3相電子電力變壓器
微型三相異步電動機的結構與原理同一般的三相異步機，轉子籠型異步電動機，採用三相工頻供電。與單相異步電動機相比三相異步電動機具有較高的力能指標，適用於小型工具機、泵等機械設備。在小型加工工業和農業專用設備中，一般不需要調速，只需要在一定的轉速範圍內運行，這些電動機容量小，但需要有較好的起動性能和運行性能，也需要採用三相鼠籠電動機。因此小功率傳動一般首選三相電動機，但是由於輸電鋪設成本高等原因，不少地區至今無三相電源，而且家庭供電也多為單相，這些客觀條件 了單相變三相電力變換的要求 fs}l。另外，單相變三相電子電力變壓器還廣泛套用在電氣化鐵路系統，而且大量套用在工業電力系統上。
由於電子電力變壓器能夠實現能量的雙向流動，N/3相電子電力變壓器實際上是3/N相的反變換。由於現實中單相電源到三相電源的變換，通常都是小容量系統，因此只要將上一章所述的三相變單相電子電力變壓器逆向使用，就可以成為單相變三相電子電力變壓器了。另一方面，在高電壓等級和大容量的場合，利用電子電力變壓器來實現單相電源到三相電源的變換，比起上一章所討論的特種電子電力變壓器來說要容易實現得多，而且由於是一相電源，不會出現原方電源不平衡的問題。因此在不再詳細討論單相變三相電子電力變壓器。
N/3相電子電力變壓器
四相輸電是一種非常有潛力的輸電方式，而四相變三相變壓器是四相輸電的一個重要組成部分。由於輸電線路電壓等級相對較高，對穩定性的要求也比較高。
N/3相電子電力變壓器採用的也是如圖2.3所示的子單元結構，其工作原理為:變壓器一次側所提供的N相電源側，電源側的每一相工頻交流電，經高壓級變換成直流電，傳遞給隔離級，在隔離級被轉換成高頻交流電，經高頻變壓器變壓藕合到二次側並還原成直流電，然後傳遞到低壓級，分配到a, b, c三相，變成所需要的三相工頻電輸出到負載。無論二次側的負載情況如何，能量都是由電源側的N相平均供給的，不會造成電源側的不平衡或不對稱運行情況。而且，即使當電源側因為其它原因出現不平衡或不對稱時，也不會影響二次側的三相正常供電。反之亦然。
其他特殊用途的電子電力變壓器
以圖2.3所示的子單元結構為基礎，通過改變輸出側參考電壓的參數特性，就能夠得到需要的具有各種不同特性的電源，如脈衝電源，方波、三角波等各種定製波形電源，以及變頻電源等，並且輸入側和輸出側都可以選取任意相數。
變頻電子電力變壓器
分頻輸電是我國西安交通大學王錫凡教授於1994在東京IEE年會上首次 的。輸電系統的最大輸送功率可用式(6-1)估算。
P=U/x (6-1)
其中，U為輸電系統的額定電壓，x為系統電抗。
由(6-1)可知，要提高輸電系統的輸電容量，除了提高輸電系統的額定電壓外，還可降低系統電抗。由於輸電線路的等效電抗和輸電頻率成正比，因此降低輸電頻率可以大幅度降低輸電系統的電抗，從而大幅度提高輸電系統的輸電容量，可以達到減少輸電線路的迴路數和出線走廊數的目的。
其他特種電源
開關電源技術是現代電力電子技術套用的核心之一:例如在通信系統套用廣泛的高頻開關電源，用於交流電機變頻調速的變頻器電源，用於靜電除塵、水質改良、醫用x光機和cT機上的大功率開關型高壓直流電源，等等。這些電源亦可以直接利用EPT實現。這種實現方式的優點是可以省去常規工頻變壓器，獲得更小的體積。
除了上述幾種特種電子電力變壓器外，EPT還可以用作脈衝變壓器，或者提供各種非正弦的定製波形(如方波、三角波，等等)。
