面向交直流混合配电网的高频链模块化电力电子变压器研究

The multi-port power electronic transformer with flexible control and networking capability is the basis of constructing AC/DC hybrid distribution grid to realize AC and DC interconnection.However，this kind of power electronic transformer for AC/DC power distribution grid includes a plurality of power conversion links and a large number of components, which limits its efficiency, power density and reliability improvement.Therefore, the key to improve the comprehensive proformance of power electronic transformer to meet the application requirements of distribution grid is to simplify the design of the circuit topology, reduce the number of energy conversion links and the components. Considering the idea of simple design of circuit topology, this project contains the following:①research the simplified topology design theory of power electronic transformer circuit; ② analyze the influence mechanism of the capacitor voltage fluctuation characteristics of the sub modules, and seek the capacitor voltage balance control strategy under low switching frequency; ③study on the soft switching characteristics of power electronic transformers and discuss the design method with low switching loss; ④research the fault coupling characteristics and propagation mechanism of power electronic transformer, and explore the fault isolation method of port circuits.The results can promote the integration of control theory, power electronics, grid connected technology. It is expected to provide theoretical support for the application of AC/DC hybrid power distribution grid.

具有柔性调控、灵活组网能力的多端口电力电子变压器是构建交直流配电网，实现交流、直流互联的基础。这种面向交直流配电网的电力电子变压器包含多级电能变换环节和大量的元器件，制约了其效率、功率密度和可靠性的提升。因此，电力电子变压器综合性能全面提升以满足配电网应用需求的关键在于电路拓扑的简洁化设计，减少电能变换环节数量，降低元器件需求。基于电路拓扑简洁化设计的研究思路，本项目拟包含如下研究内容：①研究电力电子变压器电路拓扑简洁化设计理论；②剖析子模块电容电压波动特性的影响机理，探究低开关频率下的电容电压均衡控制策略；③研究电力电子变压器软开关特性，探求低开关损耗的软开关设计方法；④研究电力电子变压器故障耦合特性及传播机理，探求端口电路故障隔离设计方法。研究成果能促进控制理论、电力电子、新能源并网技术等学科的交叉融合，有望为交直流混合配电网应用提供理论支撑。

本项目致力于电力电子变压器（Power Electronic Transformers，PET）综合性能全面提升，为了适应未来交直流混合配电系统日益增长的高电压、大功率、模块化的发展需求，本论文围绕高频链模块化电力电子变压器的关键控制技术，在电路拓扑优化设计、功率波动特性及电容元件优化设计、低损耗控制技术、多端口故障耦合特性及保护控制等多个方面做出了研究。.在电路拓扑优化设计方面，提出一种高频链模块化电力电子变压器电路拓扑，具有多端口、高电能转换效率，并针对多端口电气耦合特性，提出了多运行模式协调控制策略。.在功率波动特性及电容元件优化设计方面，重点分析了PET电路工作特性，建立了PET变换器与控制器数学模型。在此基础上，构建了系统电容电压与变压器高频电流时域解析模型，探究电容电压及高频电流的波动特性，并提出一种PET电容值优化设计方法。.在低损耗控制技术方面，分别提出了低开关频率载波移相调制技术、基于零序电压注入的高频链导通损耗优化技术，以及全功率范围零电压且零电流开通技术，降低了PET运行损耗。.在多端口故障耦合特性及保护控制方面，考虑了系统电压不平衡对变换器有功功率的影响，提出一种全功率前馈控制策略，实现相间的功率均衡。分析了端口故障下的工作特性，提出了故障出口电压和短路电流的计算方法，并提出了一种低压直流端口短路故障保护控制策略。.本项目多项研究成果应用于苏州同里综合能源服务中心的10kV/3MVA多端口电力电子变压器当中。项目执行期间负责人高范强获得了中国机械工业联合会、中国电力企业联合会以及中国施工企业管理协会颁发的省部级科技技术一等奖3项，发表SCI检索论文1篇，EI检索论文7篇，申请国家发明专利4项，培养博士研究生3名，硕士研究生1名。