(接上期)
4.2新型功率电路
前级电路的主要任务是完成低频交流正弦电压到高频交变电压的转换，以便降低降压变压器的尺寸。为了防止变压器出现饱和，必须在一个开关周期之内或在一个电源周期之内完成一次磁复位。基于这种考虑，变压器的输入电压可以为等幅值的交流方波电压，也可以为幅值为正弦包络线的交流电压。为此可以直接采用单级交-交变换器代替交-直-交变换器，但是鉴于交-交变换器的输入与输出之间不解耦，会出现ride through问题，为此需要特别考虑。在这里可以采用基于输入电压极性的两步换流策略实现双向开关之间的换流。正是由于交-交变换器的输入与输出之间不解耦，为了做到网侧单位功率因数，可以在变压器后级设置阻抗匹配变换器，实现其单位输入功率因数。结果，这种后级电路的阻抗特性反射到网侧。就获得了网侧单位功率因数。而后级电路为低压电路，便于设计实现。
4.2.1单相供电交交型前级电路
具有上述特征的单相交流供电的交-交型前级电路包括图7所示的电路，还包括拓扑简化后的图8、图9、图10所示的电路。
图7 单相交流供电的交交型前级电路
图8 单相交流供电的交交型前级电路
图9 单相交流供电的交交型前级电路
图10 单相交流供电的交交型前级电路
工作原理：采用单相-单相矩阵变换技术或占空比为50%的斩波技术，通过LC滤波器、简化后单相-单相矩阵变换器完成AC-AC转换，获得高频交变电压，输入给降压变压器的初级线圈。
单相交流供电的交-交型前级电路以及几种简化的电路，结构简单，控制方便，容易实现电压调节与波形变换。
4.2.2波形还原与阻抗匹配的后级电路
具有上述特征的阻抗电路包括各种单相整流电路，包括工频输入的单相电压型整流器、各种单相功率因数校正器以及LC滤波器。为了获得工频输入电压，可以使前级单相-单相变换器直接输出交变电压，后级设置单相-单相变换器对高频交变电压进行还原，也可以通过调制算法的改动，无需还原即可采用阻抗匹配电路进行解耦。这样的后级电路包括图11、图12、图13、图14所示的电路。
图11 单相交流供电的交交型后级电路
图12 单相交流供电的阻抗匹配电路
图13 单相交流供电的阻抗匹配电路
图14单相交流供电的电压型整流电路
工作原理：变压器次级电路直接或经过单相-单相矩阵变换器的波形还原，获得工频交流电压、工频正弦半波电压，阻抗匹配电路完成AC-DC变换，获得单位功率因数。单相-单相矩阵变换器可以采用矩阵变换器原理，也可以采用占空比为50%的调制算法，但是其脉冲规律需要能够完成波形还原；阻抗匹配电路实际上就为单位输入功率因数的AC-DC变换器，为高频输入的变换器。
4.2.3多级串并联的电力电子变压器
适当的前级变换器和后级变换器均可以构成单级电力电子变压器，由单级电力电子变压器可以构成多重化变换器。
为了提升输入电压等级，可以采用输入端多级串联的电力电子变压器。为了提高输出电压等级，可以采用输出端串联的电力电子变压器。为了提高输出电流等级，可以采用输出端并联的电力电子变压器。输入电压可以为三相电压，也可以为单相电压。以变压器前级与后级电路均为交直交变换器为例，输入单相多级串联、输出单相并联的电力电子变压器如图15所示，输入三相、输出单相并联的电力电子变压器如图16所示。
图15 输入端多级串联的电力电子变压器
图16 三相电压输入的电力电子变压器
5四象限电力电子变压器
5.1几种新型电力电子变换器拓扑
下面给出几种变压器前级只采用单级变换器的电力电子变压器的功率电路，分别如图17、图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24所示，图中M代表单相-单相矩阵变换器，B代表单相整流器，I代表电压源逆变器。
图17中，单相-单相矩阵变换器M1输出占空比为50%的高频交变电压，经过降压变压器和整流器B1后得到正弦半波电压，再经过后级阻抗匹配电路得到直流电压，最后经过单相逆变器和滤波器得到交流电压。
图17 矩阵变换器交流逆变单管整流的电力电子变压器
图18中，单相-单相矩阵变换器M1输出占空比为50%的高频交变电压，经过降压变压器和单相-单相矩阵变换器M2还原得到正弦电压，经过单相二极管不控整流电路得到正弦半波电压，再经过阻抗匹配电路得到直流电压，最后经过单相逆变器得到和滤波器得到交流电压。
图18 矩阵变换器交流逆变全波还远单管整流的电力电子变压器
图19中，单相-单相矩阵变换器M1输出占空比为50%的高频交变电压，经过降压变压器和单相-单相矩阵变换器M2还原得到正弦半波电压，再经过阻抗匹配电路得到直流电压，最后经过单相逆变器得到和滤波器得到交流电压。
图19 矩阵变换器交流逆变半波还原的电力电子变压器
图20中，前级变换器输出占空比可调的高频交变电压，经过降压变压器、LC滤波器、二极管不控整流电路和阻抗匹配电路得到直流电压。
图20 简化矩阵变换器交流逆变单管整流的电力电子变压器
图21中，前级变换器输出占空比可调的高频交变电压，经过降压变压器、LC滤波器、二极管不控整流电路和阻抗匹配电路得到直流电压。
图21 交流斩波单管整流的电力电子变压器
图22中，前级变换器输出占空比可调的高频交变电压，经过降压变压器、LC滤波器和阻抗匹配电路得到直流电压。
图22 单管整流直流逆变的电力电子变压器
图17～图22中，如果将单相整流桥和基于BOOST电路的阻抗匹配电路改成单相PWM整流器，就可以获得能量双向流动功能。
图23中，单相-单相矩阵变换器M1输出占空比为50%的高频交变电压，经过降压变压器和单相-单相矩阵变换器M2还原得到正弦电压或正弦半波电压，再经过LC滤波器和阻抗匹配电路得到直流电压。
图23 矩阵变换器交流逆变全波还远可控整流的电力电子变压器
图24中，前级变换器输出占空比可调的高频交变电压，经过降压变压器、LC滤波器和阻抗匹配电路得到直流电压。
5.2四象限电力电子变换器的仿真
利用MATLAB/SIMULINK建立图23和图24所示的四象限电力电子变换器的仿真电路，进行仿真分析。
单相交流输入电压6.0kV，降压变压器的电压变比为14:1。期望输出直流电压为380V，输出功率为12kW。
单相PWM电压型整流器可以采用单相PFC的所有算法，如双环控制、单周期控制、电压跟随控制、直接运算等算法，也可以采用无输入电压检测、无输出电压检测、无电感电流检测等技术，或借鉴三相PWM电压型整流器的算法。开关频率为50kHz。
滤波器参数：L1感值为1mH，C1容值为50μF，L2感值为1mH，C2容值为3mF。负载电阻的阻值为12W。仿真中，采用理想开关，忽略开关损耗。
5.2.1图23所示电力电子变压器的仿真
单相-单相矩阵变换器M1与M2的开关频率为50kHz，占空比为50%。可以采用基于输入电压极性的两步换流策略，仿真中暂不考虑换流问题。
在供电状态下，网侧输入电压与电流波形如图25所示，单相PWM整流器输入电压与电流波形如图26所示。在发电状态下，网侧输入电压与电流波形如图27所示，单相PWM整流器输入电压与电流波形如图28所示。为便于观察，网侧电压降幅500倍。图25--32中1为电压波形，2为电流波形。
图25网侧电压与电流的仿真波形（供电状态）
图26 整流器输入侧电压与电流的仿真波形（供电状态）
图27网侧电压与电流的仿真波形（发电状态）
图28 整流器输入侧电压与电流的仿真波形（发电状态）
由仿真波形可知，输入功率因数为1，输出能够获得稳定的直流电压，满载直流输出平均值为380V，电压纹波峰峰值为14V。仿真完全实现了四象限PET的全部功能，仿真结果验证了理论分析是正确的，但是需要经过未来实验的检验。
5.2.2图24所示电力电子变压器的仿真
双向开关S11与S12交替导通，占空比可调。为了降低续流损耗，需要减少变压器的漏感，加速磁复位或适当增加占空比。仿真中采用占空比为50%，开关频率为50kHz。
在供电状态下，网侧输入电压与电流波形如图29所示，单相PWM整流器输入电压与电流波形如图30所示。在发电状态下，网侧输入电压与电流波形如图31所示，单相PWM整流器输入电压与电流波形如图32所示。为便于观察，网侧电压降幅500倍。
图29网侧电压与电流的仿真波形（供电状态）
图30 整流器输入侧电压与电流的仿真波形（供电状态）
图31网侧电压与电流的仿真波形（发电状态）
图32 整流器输入侧电压与电流的仿真波形（发电状态）
由仿真波形可知，输入功率因数为1，输出能够获得稳定的直流电压，满载直流输出平均值为380V，电压纹波峰峰值为14V。仿真完全实现了四象限PET的全部功能，仿真结果验证了理论分析是正确的，但是需要经过未来实验的检验。
6结束语
在对电力电子变压器发展当中的几个关键，如器件制造、电路拓扑等，进行简单归纳总结后，给出了前级采用单相-单相矩阵变换器、后级采用功率因数校正器的一类电力电子变压器，并对其中两种具有四象限功能的变换器进行了仿真分析，获得了满意的结果，符合理论分析，也符合智能电网对电力电子变压器的需求。这类电力电子变压器具有结构简单、换流安全、单位输入功率因数、双向功率流动以及便于级联等特征，具有实际应用价值。
作者简介
马红星（1987-）男硕士研究生，就读于上海交通大学电气工程系，专业为电力电子与电力传动，目前研究方向为电力电子变压器。
杨喜军(1969-) 男博士后/副教授，1992年毕业于中国矿业大学(学士)，2005年由上海交通大学电气工程博士后流动站出站，已留上海交通大学电气工程系任教,主要研究方向为电力电子变换与电力传动等方面的研究等。
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（完）
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