高压电力电子变压器多耦合下功率传输机理及综合优化模型研究

Power electronic transformer (PET) is one of the key equipment in future applications of onshore and offshore DC power grid, renewable energy access, electrified transportation. High-voltage PET is a complex multi-coupled, multi-freedom power conversion system, involving the knowledges such as circuit, magnetic circuit, structural design, high voltage insulation, material properties and so on. There are variable interactions on the electrical characters, including the interactions of topology, modulation and control algorithm, also the multi-time scale coupling of AC and DC, sinusoidal wave and PWM and high frequency square wave. In high-voltage PET design, efficiency and power density and other performance indicators are mutually influenced by topology, control strategy, parameters, component selection, which are mostly non-linear. For a better research of the topology construction rule, optimization of control strategy, comprehensive optimization and evaluation of performance index of the high-voltage PET, this project will study the power transmission mechanism under multi-coupling and multi-time scale. Then the relationship between the circuit topology, circuit parameters, control strategy and the performance index will be established. Through the combination of theoretical analysis, simulation calculation and engineering practice, the comprehensive evaluation index and optimization model of high-voltage PET will be established. The results of our research will provide theoretical guidance for the further study, design and application of high-voltage PET.

电力电子变压器（PET）是未来陆上和海上直流电网、新能源接入、电气化交通中的关键设备之一。高压PET是一个多耦合、多自由度的复杂电能变换系统，变换器拓扑和高频变压器形式灵活多样，涉及电路、磁路、结构设计、高压绝缘、材料等多方面的综合知识。高压PET在电气特征量的分析上存在拓扑、调制、控制等多因素的相互影响，多种频率的交-直流、正弦-PWM-高频方波在多时间尺度上相互耦合。其拓扑、控制、参数设计和效率、功率密度等性能指标相互影响，且多为非线性。为了更好的研究高压PET的拓扑构建规律、控制策略的优化选择、性能的综合优化和评价等问题，本课题拟对高压PET在多耦合和多时间尺度下的功率传输机理进行研究，明确电路拓扑、参数、控制策略和性能指标之间的相互影响关系，通过理论分析、仿真计算和工程实践相结合的办法建立高压PET的综合性能指标评价和优化模型，为高压PET的研究、设计和应用提供理论指导。

电力电子变压器（PET）可以实现多种形式电能的高效变换，是未来交直流配网、电气化交通等领域的关键装备，其中的拓扑结构、能量转换形式复杂，涉及多时间尺度的电磁暂态，电、磁、热场共同耦合作用，需要一系列模型精确描述。关于PET的优化设计，电气参数、功率半导体和磁性材料、绝缘与散热方式等各种设计变量繁多且互相耦合，控制性能、效率、体积、可靠性等优化目标也需要取舍权衡，需要提出一个通用的综合优化设计方法。.本项目针对高压大容量PET，沿着拓扑构建规律和控制策略—功率传输建模—损耗建模—体积建模—综合优化的技术路线进行研究。拓扑构建方面，对于不同场景下各种电能变换需求的PET给出了拓扑优选准则。功率传输建模方面，对复杂电磁耦合、多时间尺度下的功率传输进行了解析建模，给出了在考虑各种杂散参数的情况下，功率传输与软开关的边界条件。在损耗建模方面，结合功率半导体器件特性，基于高频变换的解析模型，建立了器件的损耗模型；考虑高频磁性元件的材料、结构、工艺，分析了高频磁性元件及附近空间的电磁场时空分布，推导了在复杂电压电流激励下铜、铁损的解析模型。体积模型方面，针对绝缘要求，基于实际绕组和磁芯结构，利用数据驱动算法进行了绝缘薄弱区域的建模；针对散热要求，考虑各种散热介质、路径、方式，建立了精确的热阻网络模型；以上两个模型可反推出在给定绝缘和散热条件下的体积。综合优化方面，基于以上模型，将各种高压大容量PET的设计自由度纳入考虑，形成了一套综合优化设计的方案，并搭建了多个PET样机，并应用在未来动车组、交直流配网、深海直流供电等工程项目中。.本研究对PET各个方面进行了建模，为PET的性能评估和综合优化供了理论支撑。研究形成的PET综合优化设计方法，指导了多个工程样机的研制。本项目的研究成果，有望为未来交直流配电、电气化交通、深海供电等中多电能形式的高效、高功率密度、高可靠变换提供理论依据和工程借鉴。