面向配电网的新型多端口电力电子变压器关键技术研究

In order to accommodate the large-scale of distributed energies, the DC or AC/DC hybrid power grid will become more intelligent, flexible and interactive. Under this background, the high-frequency power electronic technologies based PET (Power-Electronic-Transformer), which has the high voltage DC port and can fulfill electrical isolation, voltage transformation and reactive power compensation etc., becomes an important device in the distribution grid. This project plans to research the basic theories and key technologies of a four-ports PET employed in the DC or AC/DC hybrid power distribution grid. The research mainly focuses on the new topology structure of the multi-ports PET and the key parameters design and optimization, the key factor analyses for improving the system power density and efficiency, the high performance control strategies based on the energy balance concept, fault-tolerant control strategies and the fully flexible bi-directional power flow control and optimization strategies. The implementation of this project will lay a good foundation for the theory of high-efficiency, stable and economic operation of the multi-port PET employed in the distribution grid. The research results will improve the flexibility, reliability and cost-effective of the whole distribution grid.

为满足分布式能源的大规模接入，更加智能、灵活、互动的直流或交-直流混合电网将是未来电网的发展趋势。在此背景下，采用电力电子高频变换技术将电气隔离、电压变换、无功补偿等功能集于一身，且具有高压直流端口的电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）将成为配电网中的重要设备。本项目以具有四个端口的新型PET为研究对象，对直流或交-直流混合配电网中多端口PET的基础理论和关键技术进行研究。主要研究内容包括：新型多端口PET拓扑结构及其关键参数、元件的设计与优化方法，系统功率密度和效率提升关键因素分析，基于能量平衡的高性能控制方法、冗余容错控制策略和配网中潮流的全柔性双向流动控制和优化调度策略。本项目的开展将为配网中多端口PET的高效、稳定、经济运行奠定理论基础，项目的研究成果将提升整个配电网的灵活性、可靠性和经济性。

为满足分布式能源的大规模接入，更加智能、灵活、互动的直流或交-直流混合电网将是未来电网的发展趋势。在此背景下，采用电力电子高频变换技术将电气隔离、电压变换、无功补偿等功能集于一身，且具有高压直流端口的电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）将成为配电网中的重要设备。本项目以具有四个端口的新型PET为研究对象，对直流或交-直流混合配电网中多端口PET的基础理论和关键技术进行研究。主要研究内容包括：新型多端口PET拓扑结构及其关键参数、元件的设计与优化方法，系统功率密度和效率提升关键因素分析，基于能量平衡的高性能控制方法、冗余容错控制策略和配网中潮流的全柔性双向流动控制和优化调度策略。本项目根据申请书中所列的研究按计划逐步进行，执行情况良好。本项目的重要结果及关键数据包括：推导了基于三相四桥臂MMC的PET中关键参数的约束关系，为关键参数的设计和优化提供了依据；为减小MMC所需电容的容值、提高PET系统功率密度，提出了类三电平混合式MMC拓扑结构；完成了基于三相四桥臂MMC的PET的控制方法，实现了各个端口功率流的控制；为提升隔离级高频变换器效率，实现大功率并联SiC模块电流的均衡，提出了基于无源和主动控制相结合的混合式均流方法；根据三相四桥臂MMC和三相六桥臂MMC的结构特点，提出了五端口PET，同时连接±15kV高压直流电网、10kV交流电网和20kV交流电网，实现了各个端口功率流的控制；提出基于全桥子模块三相四桥臂MMC的PET，可减少子模块数20%，在10kV电压等级的交直流混合配电网中具有较好的应用前景。发表期刊学术论文7篇，录用2篇；发表会议论文5篇；已申请国家发明专利3项；毕业硕士研究生2名。