面向交直流混合配電應(yīng)用的10kV-3MV·A四端口電力電子變壓器

高范強 李子欣 李耀華 王 平 袁宇波

面向交直流混合配電應(yīng)用的10kV-3MV·A四端口電力電子變壓器

高范強1,2李子欣1,2李耀華1,2王 平1袁宇波3

（1. 中國科學院電工研究所中國科學院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室 北京 100190 2. 中國科學院大學 北京 100049 3. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院 南京 211103）

電力電子變壓器是交直流混合配電系統(tǒng)中實現(xiàn)交直流電能變換與管控的核心設(shè)備，該文以應(yīng)用于蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中10kV-3MV·A四端口電力電子變壓器樣機為對象，考慮示范工程中多電壓等級的交直流設(shè)備接入需求，針對交直流混合配電接入的復(fù)雜應(yīng)用場景，在電力電子變壓器樣機的電路拓撲設(shè)計和分布式控制技術(shù)方面開展研究，提出一種適用于多端口、直流真雙極的電路拓撲及其端口協(xié)調(diào)控制策略。示范工程現(xiàn)場測試結(jié)果驗證了該文中電力電子變壓器樣機設(shè)計能夠滿足交直流混合配電系統(tǒng)復(fù)雜應(yīng)用需求，對于電力電子變壓器在交直流混合配電網(wǎng)中推廣應(yīng)用及發(fā)展具有重要意義。

電力電子變壓器 固態(tài)變壓器 多端口 交直流混合配電系統(tǒng) 協(xié)調(diào)控制

0 引言

電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）是一種集成電力電子變換器和高頻變壓器的新型電氣設(shè)備，除具備傳統(tǒng)交流變壓器的電壓等級變換和電氣隔離功能外，還可實現(xiàn)交直流變換、直流電源/負荷直接接入、無功補償和諧波治理等功能。因此，PET作為柔性互聯(lián)裝置，能夠在交直流混合配電網(wǎng)的交流分區(qū)和直流分區(qū)間構(gòu)建起柔性調(diào)節(jié)通路。另外，PET在交直流混合配電網(wǎng)中應(yīng)用，一方面可以減少可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能和負荷等設(shè)備接入的電能變換環(huán)節(jié)，提高能源利用效率；另一方面也可實現(xiàn)不同電壓等級的交直流網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟，實現(xiàn)分布式能源跨區(qū)消納[1-5]。

針對PET在交直流配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，國內(nèi)外的高校、科研機構(gòu)及企業(yè)均開展了相關(guān)研究，研制了多類型PET樣機，其中部分樣機已經(jīng)在中高壓配電系統(tǒng)中開展了示范應(yīng)用。ABB、Bombardier公司分別研制用于替換鐵路系統(tǒng)的機車牽引用工頻變壓器的單相AC-DC型PET樣機，其交流側(cè)接入15kV/16.7Hz單相交流電網(wǎng)，運行工況較為單一[6-7]。針對在交流配電系統(tǒng)中替換傳統(tǒng)工頻變壓器的應(yīng)用，美國電科院采用中點鉗位（Neutral-Point- Clamped, NPC）型電路拓撲，研制了三相AC 2.4kV/ AC 277V的PET樣機[8]。GE公司采用10kV SiC- MOSFET器件和直接AC-AC變換型電路拓撲，研制了1MV·A PET樣機，雖然系統(tǒng)運行效率高，但可控性相對較差，且不具備直流設(shè)備接入功能[9]。美國北卡萊羅納州立大學研制了小容量多端口PET樣機，并對其調(diào)制和控制策略開展了研究[10-11]。中科院電工所采用模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）和輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input Series Output Parallel, ISOP）型DC-DC變換器的電路拓撲結(jié)構(gòu)，先后研制了兩代10kV PET樣機，并實現(xiàn)了在10kV交流電網(wǎng)和750V直流微電網(wǎng)中的掛網(wǎng)運行[12-13]。文獻[14]采用SiC功率器件研制了面向光伏變流器并網(wǎng)應(yīng)用的1MV·A AC-DC型PET樣機，對其效率優(yōu)化策略開展了研究。華中科技大學研制了可改善工廠供電質(zhì)量的單向潮流AC-DC型PET樣機[15]。

隨著傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)中直流用電負荷及能源的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，具有多交直流電壓等級接口的PET對于整合多類型直流電源與負荷具有一定優(yōu) 勢[16-17]。目前，PET主要呈現(xiàn)兩端口或三端口形式，同時控制模式與運行方式相對簡單[18]，難以滿足交直流混合配電網(wǎng)對多類型能源的靈活接入及柔性調(diào)控日益增長的需求。

基于此背景，2017年國家啟動了“基于電力電子變壓器的交直流混合可再生能源技術(shù)研究”重點研發(fā)計劃項目。項目在國際能源變革論壇所在地蘇州同里開展示范驗證，建設(shè)包含風力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電及熱利用、儲電、儲熱等分布式可再生能源的基于PET的交直流混合配電系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托大容量多端口PET構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)，可通過直流跨饋線互聯(lián)實現(xiàn)電壓支撐和潮流均衡，提高系統(tǒng)可靠性和電能質(zhì)量，更好地接納分布式電源、儲能設(shè)備和直流負荷，是未來配電網(wǎng)的一個重要發(fā)展趨勢[3]。蘇州同里基于PET的交直流混合配電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 蘇州同里基于PET的交直流混合配電系統(tǒng)

本文針對蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中多電壓等級交直流分布式可再生能源、負荷靈活接入的應(yīng)用需求，開展大容量電力電子變壓器樣機研制工作，重點針對所研制的3MV·A四端口電力電子變壓器（AC 10kV、AC 380V、DC ±750V、DC ±375V端口），從PET的電路拓撲和控制策略的角度，對電力電子變壓器樣機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行說明。通過PET樣機研制和實際運行，為PET進一步拓展在低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，實現(xiàn)低壓配電接入靈活可控奠定了實踐基礎(chǔ)。

1 10kV-3MV·A四端口PET電路拓撲設(shè)計

在蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中，電力電子變壓器具備4個電氣端口，分別連接AC 10kV母線、DC ±750V母線、DC ±375V母線和AC 380V母線。其中，PET的10kV交流端口接入交流電網(wǎng)，始終運行于并網(wǎng)模式。±750V直流端口供電半徑較大，可接入1 500V和750V大容量的直流分布式電源、儲能與負荷，并可與供電分區(qū)的直流配電分區(qū)并聯(lián)運行，可運行在離網(wǎng)或并網(wǎng)方式下。±375V直流端口供電半徑和容量較小，主要供給附近區(qū)域內(nèi)的375V和750V直流負荷以及儲能。380V交流端口可與交流電網(wǎng)并網(wǎng)運行，并就近接入交流電源和負荷。AC 380V電網(wǎng)也可運行在離網(wǎng)或并網(wǎng)方式下。表1為PET 4個端口的運行特性及容量，4個端口均可實現(xiàn)潮流雙向流動。除了10kV交流端口外，其余3個端口還具備并網(wǎng)和離網(wǎng)運行方式。

現(xiàn)有的級聯(lián)H橋（Cascade H-Bridge, CHB）型PET以及MMC型PET在低壓直流側(cè)通常設(shè)計為偽雙極型直流端口，直流母線的單極電壓不易穩(wěn)定，且供電可靠性較差。基于此，本文提出一種多端口、直流側(cè)真雙極型的PET電路拓撲，如圖2所示。該PET電路直流側(cè)采用真雙極直流端口，可提供靈活的接入方式，適用范圍更廣，且直流側(cè)各極可獨立控制與隔離，提高了供電質(zhì)量和可靠性。

表1 PET的端口特性及容量配置

Tab.1 Characterizations and capacity configuration of each port in PET

注：“√”表示具備該特性；“×”表示不具備該特性。

圖2 PET電路拓撲

在本文PET電路拓撲中，以10kV交流與±750V直流端口間的電能變換電路為PET的主體部分，并以±750V真雙極直流母線為電能樞紐，其余低壓端口可由±750V直流母線進行DC-DC或DC-AC變換得到。PET的主體部分是由兩套級聯(lián)H橋（CHB）型電路采用雙星形聯(lián)結(jié)的方式構(gòu)成，對應(yīng)圖2中的正極變換器和負極變換器。每極變換器由三個相單元構(gòu)成，每個相單元，即單相CHB型電路中包含=6（其中含1個冗余子模塊）個結(jié)構(gòu)相同的子模塊。子模塊采用輸入側(cè)串聯(lián)、輸出側(cè)并聯(lián)的連接方式，既可匹配10kV交流電網(wǎng)接入的電壓要求，又可滿足低壓直流側(cè)電流應(yīng)力。

子模塊內(nèi)包含AC-DC和DC-DC兩級電能變換，AC-DC采用H橋電路，DC-DC通常可采用移相控制式雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）電路或串聯(lián)諧振型變換電路。在軟開關(guān)特性方面，前者的功率器件僅在一定的電壓比范圍以及負載工況內(nèi)可實現(xiàn)全部軟開關(guān)。后者采用開環(huán)控制方式，更容易實現(xiàn)寬載荷范圍下的軟開關(guān)運行。在電壓控制特性方面，前者對直流電壓進行閉環(huán)控制，電壓控制精度高，但是兩側(cè)的直流電壓受觸發(fā)脈沖影響較大，需要施加串聯(lián)均壓控制算法[18-19]。而后者兩側(cè)的直流電壓由串聯(lián)諧振電路特性所決定，在元器件參數(shù)差異條件下，各模塊串聯(lián)側(cè)直流電壓存在一定偏差，但在并聯(lián)側(cè)直流電壓鉗位作用下，各模塊直流電壓不會發(fā)散，無需施加均壓控制[20]。基于此，本文PET中子模塊DC-DC采用串聯(lián)諧振型變換器，并且在高頻變壓器的一次、二次側(cè)各串聯(lián)一個諧振電容rp和rs，與變壓器的漏感r、勵磁電抗m共同構(gòu)成了CLLC串聯(lián)諧振電路。該電路采用開環(huán)控制方法，根據(jù)兩側(cè)變流器的功率流向的變化，令功率送端變流器輸出固定頻率的方波電壓，功率受端變流器則為不控整流橋方式。

圖3所示為CLLC串聯(lián)諧振變換器的基本工作原理，圖中給出了一個開關(guān)周期內(nèi)的H橋開關(guān)信號14、23與高頻交流電流sh。其中，14為H橋中1、4管IGBT的驅(qū)動信號，23對應(yīng)2、3管IGBT的驅(qū)動信號。圖中，s為方波電壓周期，r為串聯(lián)諧振電路的諧振周期，d為死區(qū)時間，可知

CLLC串聯(lián)諧振變換器的工作原理與LLC串聯(lián)諧振變換器相似，文獻[21-23]介紹了以Si-IGBT器件構(gòu)建的LLC諧振變換器的運行特性，文中分析了功率送端的H橋側(cè)，在高頻變壓器的勵磁電流的作用下會使得在橋臂中一個IGBT關(guān)斷后，在死區(qū)時間內(nèi)電流換相至另一個IGBT的續(xù)流二極管中，導(dǎo)致電壓提前反向，因而IGBT開通時為零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）。文獻[20]分析了死區(qū)時間對IGBT關(guān)斷動態(tài)過程以及開關(guān)損耗有較大影響，延長死區(qū)時間可使得IGBT關(guān)斷過程中載流子復(fù)合更充分，-層儲存的電荷能夠釋放更完全，進而可以降低IGBT開關(guān)損耗。但另一方面，死區(qū)時間的延長又會導(dǎo)致有效功率傳輸時間縮短，增加了導(dǎo)通損耗和電流應(yīng)力。基于文獻[20]中的試驗測試方法以及測試數(shù)據(jù)，本文設(shè)置DAB電路死區(qū)時間d=8μs。子模塊的主要元器件與控制參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 PET電路參數(shù)

Tab.2 Parameters of PET

在PET的DC ±750V正、負極母線各自通過DC-DC變換后降壓得到±375V直流雙極母線。PET的-750V直流母線通過三相DC-AC變換可得到380V交流母線。DC-DC變換器和DC-AC變流器電路拓撲如圖4所示，圖中，雙極DC-DC變換器采用兩臺Buck變換器構(gòu)成，每一臺均可獨立運行，提高了端口運行可靠性。DC-AC變流器采用三相三電平T型變流器構(gòu)成，與常規(guī)的兩電平變流器、三電平NPC變流器相比，它除了具有與兩電平變流器相近的低導(dǎo)通損耗、控制簡單等優(yōu)點，還具有三電平變流器開關(guān)損耗低、電能質(zhì)量高等優(yōu)點。本文PET樣機中采用的DC-DC變換器和DC-AC變流器相關(guān)參數(shù)，見表2。

圖4 PET低壓直流、交流端口電路拓撲

2 電力電子變壓器運行模式及控制策略

本文PET提供了多路電氣端口，便于多類型不同電壓等級的交直流能源與負荷靈活接入，但多端口間潮流控制耦合性強，端口運行工況復(fù)雜，難以實現(xiàn)各端口傳輸功率及端口電壓獨立控制。因此，本文采用以±750V直流母線為能量匯集的樞紐，通過集中的端口功率協(xié)調(diào)控制器實時調(diào)控其余端口的功率指令，構(gòu)建包含系統(tǒng)級、變流器級和功率單元級的分層分布式控制策略，PET分層控制原理如圖5所示。

圖5中以單個子模塊代表PET的10kV交流分區(qū)，以DC-DC變換器代表PET的375V直流分區(qū)，以三相DC-AC變流器代表380V交流分區(qū)。其中，10kV交流正、負極的兩個分區(qū)由于能量傳輸容量最大，并集成±750V直流母線的電壓和功率控制，為主要控制分區(qū)。以下主要對10kV交流分區(qū)的控制策略進行介紹，正極和負極分區(qū)的控制策略無本質(zhì)區(qū)別，因而不做分別介紹。

圖5 PET分層控制原理

2.1 分區(qū)控制策略

在PET中，380V交流分區(qū)存在著離網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行兩種工作模式，同時接受系統(tǒng)級控制指令進行工作模式的切換。380V交流分區(qū)三相逆變器的直流側(cè)連接于PET的-750V直流母線上。僅當-750V直流母線電壓建立后，三相逆變器方可進行輸出控制。PET中的375V直流分區(qū)運行在離網(wǎng)工作模式下，在檢測到±750V直流母線電壓建立后方可具備啟動運行條件。380V交流分區(qū)與375V直流分區(qū)可采用常規(guī)的閉環(huán)控制策略，如圖5中所示，在此不再贅述。

PET的10kV側(cè)交流端口僅可運行在并網(wǎng)模式下，根據(jù)750V直流端口的開關(guān)狀態(tài)的不同，該分區(qū)具備兩種運行方式，分別為：

（1）聯(lián)合并網(wǎng)運行方式。在PET的10kV交流和750V直流端口均并網(wǎng)的模式下，直流側(cè)端口電壓由直流電網(wǎng)提供，僅需要控制PET的10kV交流側(cè)并網(wǎng)功率。

（2）交并直離運行方式。在PET的10kV交流端口并網(wǎng)，750V直流端口離網(wǎng)的模式下，控制器除了控制10kV交流側(cè)的并網(wǎng)功率以外，還需要控制750V直流側(cè)的電壓。

考慮PET三相電路對稱，在采用同步旋轉(zhuǎn)坐標變換后，可得

圖6 PET相單元平均值等效模型

式中，為交流電網(wǎng)角頻率；gd和gq分別為d、q軸下交流側(cè)級聯(lián)H橋的開關(guān)函數(shù)；ch為忽略各模塊H橋直流電壓差異下的平均電壓。

在PET的10kV交流分區(qū)中，交流側(cè)輸入的功率需要和直流側(cè)流出功率、電容吸收功率之和相等，才能保證直流側(cè)電容電壓平衡，即

式中，線路損耗和器件損耗被忽略了，dla為A相電路直流輸出電流之和，即

在直流輸出側(cè)，由圖6可知

式中，dca_k為第個模塊流入負載的電流。由式（6）和式（8）可得

忽略PET內(nèi)部參數(shù)差異性，化簡可得

由式（4）、式（5）和式（10）可得

式（11）所示方程可類比于兩電平換流器，因而可以采用兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流、電壓控制方法。

在聯(lián)合并網(wǎng)運行方式中，PET的750V直流端口電壓由外部接入的直流電網(wǎng)或電源提供，僅需對10kV交流側(cè)的功率進行控制。在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，采用交流網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制策略，外環(huán)通過有功功率環(huán)和無功功率環(huán)計算出電流參考值，10kV分區(qū)控制框圖如圖7所示。

圖7 10kV分區(qū)控制框圖

2.2 分區(qū)間功率協(xié)調(diào)控制

通過系統(tǒng)控制級的功率協(xié)調(diào)控制器可建立分區(qū)間的協(xié)調(diào)控制策略，對各分區(qū)的運行方式、啟停順序以及端口功率運行區(qū)間進行協(xié)調(diào)控制與綜合優(yōu)化。本文PET樣機的4端口運行工況復(fù)雜多樣化，正、負極端口的功率可以獨立調(diào)節(jié)，考慮各端口潮流均可雙向流動，在實際運行中各端口功率通過分區(qū)間功率協(xié)調(diào)控制可實現(xiàn)靈活的調(diào)控特性，并可通過優(yōu)化端口潮流實現(xiàn)系統(tǒng)高效運行。

本文以各分區(qū)中電力電子變換器的額定容量為約束條件，對不同運行方式下多端口功率運行區(qū)間進行限制。根據(jù)各端口功率調(diào)節(jié)的耦合性，可以將PET視為正、負極兩個完整的多變流器系統(tǒng)，每一個變流器系統(tǒng)可以等效為一個單輸入多輸出的多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點的潮流均可雙向流動，正、負極的多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖8所示。圖中，PET的正極、負極變流系統(tǒng)分別可以等效為一個三節(jié)點網(wǎng)絡(luò)和四節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，其中，功率流向以箭頭方向為正，忽略PET內(nèi)部元件損耗，則有

結(jié)合本文各分區(qū)控制策略可知，在圖8所示的多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點根據(jù)其運行方式可以分為電壓控制節(jié)點和功率控制節(jié)點。在滿足式（12）的節(jié)點功率約束關(guān)系條件下，通過設(shè)置一定的自由度可以優(yōu)化調(diào)節(jié)端口潮流分布。例如，結(jié)合分時電價可以制定節(jié)能調(diào)控方案，在波峰電價時，通過增加±750V端口的儲能設(shè)備利用率，減小從10kV交流電網(wǎng)側(cè)吸收有功功率；而在波谷電價時，更多地利用10kV交流電網(wǎng)側(cè)有功功率。

3 PET樣機實驗驗證

本文PET樣機已在蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中開展樣機測試。為了方便對各種載荷工況下PET的運行特性進行測試，在工程示范現(xiàn)場構(gòu)建了以下實驗環(huán)境，PET實驗原理如圖9所示。

圖9 PET實驗原理

在該實驗環(huán)境中，PET的10kV交流端口與380V交流端口均連接至交流電網(wǎng)，兩個交流端口運行在并網(wǎng)方式下。而直流側(cè)±750V端口和±375V端口則運行在離網(wǎng)方式下，且各自將端口正、負極通過兩臺并網(wǎng)變流器連接至交流電網(wǎng)。

測試環(huán)境中還包括對各端口的電壓、電流電氣量的測量，并將測量信號接入錄波與功率分析儀中，PET樣機及測量儀器如圖10所示。

圖10 PET樣機及測量儀器

通過調(diào)節(jié)并網(wǎng)變流器1號和2號的功率可以改變±750V直流端口的潮流，通過調(diào)節(jié)并網(wǎng)變流器3號和4號的功率可以改變±375V直流端口的潮流，通過改變380V交流分區(qū)功率設(shè)定值可以改變該交流端口的功率。圖11所示為分別調(diào)節(jié)±750V直流端口的功率值時，±750V直流端口電流750p、750n以及10kV交流側(cè)有功功率10k的動態(tài)波形。圖12所示為調(diào)節(jié)PET的-750V、-375V直流端口的功率值時，-750V與-375V直流端口電流750n、375n以及10kV交流側(cè)有功功率10k的動態(tài)波形。這兩個直流側(cè)功率動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，10kV交流側(cè)有功功率隨之改變，動態(tài)性能良好，并且PET中正、負極變流器均運行至額定功率點。圖13、圖14分別為PET的+750V直流端口運行至額定功率時，10kV交流側(cè)和+750V直流側(cè)的電壓電流波形。圖13中三相電流對稱，其峰值約為125A。圖14中電壓750p波動較小，紋波峰峰值約為4V，紋波峰值系數(shù)小于1%，電流750p約為2 000A，穩(wěn)態(tài)輸出性能較好。圖15、圖16為PET的-375V直流端口和380V交流端口運行在其端口額定工況下的電壓、電流波形。圖15中，-375V直流電壓375n紋波峰峰值約為11V，紋波峰值系數(shù)小于3%，電流375n約為400A，該端口穩(wěn)態(tài)性能良好。圖16中，380V交流側(cè)三相電流對稱，三相電流諧波總畸變率分別為2.287%、2.112%和2.189%。實驗結(jié)果表明，PET的4個端口穩(wěn)態(tài)性能指標較好。效率測試結(jié)果顯示，在該額定工況下，PET的正、負極變換器效率約為97%，±750V直流與±375V直流之間的非隔離DC-DC變換器效率約為99%，380V交流端口的隔離型DC-AC變流器效率約為97%，PET 4端口運行整體效率約為96.4%。

圖11 ±750V直流端口功率調(diào)節(jié)工況下實驗結(jié)果

圖12 -750V和-375V直流端口功率調(diào)節(jié)工況下實驗結(jié)果

圖13 10kV交流端口穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

圖14 +750V直流端口穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

圖15 -375V直流端口穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

圖16 380V交流端口穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

本文PET樣機中，中間環(huán)節(jié)CLLC串聯(lián)諧振變換器的軟開關(guān)運行對PET運行效率影響較大。圖17所示為PET的10kV交流側(cè)工作在額定功率下的單模塊中CLLC諧振變換器的一次、二次電壓ph、sh與電流ph、sh的波形。此時，功率由低壓側(cè)向高壓側(cè)傳輸，因此高壓側(cè)即高頻變壓器一次側(cè)的H橋中IGBT處于閉鎖狀態(tài)，通過二次側(cè)的H橋產(chǎn)生的方波電壓進行控制。從圖17a中可以看出，在有效功率傳輸期間，變壓器兩側(cè)電流呈現(xiàn)規(guī)則正弦波形。通過對開關(guān)期間細節(jié)進行放大的圖17b可以看出，在關(guān)斷時刻10，二次側(cè)H橋的S2s、S3s的IGBT關(guān)斷，電壓ph、sh開始上升，此時流過二次側(cè)IGBT的電流較小，近似為零電流關(guān)斷。而在死區(qū)時間D內(nèi)，電壓ph、sh完成了反轉(zhuǎn)，意味著電流sh由S2s、S3s換流至S1s、S4s的續(xù)流二極管中。這也使得在開通時刻20，二次側(cè)S1s、S4s的IGBT為零電壓零電流軟開關(guān)（Zero Voltage Zero Current Switching, ZVZCS），同樣S2s、S3s的開關(guān)過程與S1s、S4s相同，開關(guān)損耗較小。

圖17 CLLC諧振變換器及細節(jié)放大

4 結(jié)論

能夠?qū)崿F(xiàn)源-荷-儲等多種設(shè)備接入并具備不同電壓等級網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟功能的PET是未來交直流混合配電網(wǎng)的核心設(shè)備。針對蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中包含多種電壓等級（375V、750V和1 500V）直流接入，以及10kV和380V交流接入的應(yīng)用需求，本文設(shè)計了包含AC 10kV、AC 380V、DC ±750V、DC ±375V四種端口的PET拓撲，具體結(jié)論如下：

1）所設(shè)計的PET拓撲10kV交流側(cè)為三相CHB型電路，DC-DC環(huán)節(jié)采用CLLC串聯(lián)諧振變換器，可實現(xiàn)零電壓開通運行，大幅度降低器件開關(guān)損耗。PET所有直流端口均采用真雙極結(jié)構(gòu)，可同時接入375V、750V和1 500V三種電壓等級的直流發(fā)電、用電設(shè)備。

2）針對PET所接入的交直流混合配電系統(tǒng)多運行場景的復(fù)雜工況，本文提出劃分10kV分區(qū)、375V分區(qū)和380V分區(qū)的分層分布式控制策略，可適用于多種運行工況，示范工程中試驗測試數(shù)據(jù)驗證了控制策略的有效性。

3）本文10kV-3MV·A PET樣機在蘇州同里交直流配電系統(tǒng)中的應(yīng)用為PET進一步在電網(wǎng)中應(yīng)用推廣提供了一個典型案例。

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10kV-3MV·A Four-Port Power Electronic Transformer for AC-DC Hybrid Power Distribution Applications

1,21,21,213

（1. Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive Chinese Academy of Sciences Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China 3. Research Institute State Grid Jiangsu Electric Power Co. Ltd Nanjing 211103 China）

Power electronic transformer is the key equipment for AC and DC power conversion and control in AC-DC hybrid power distribution system. Taking the 10kV-3MVA four-port PET prototype applied in Suzhou Tongli AC-DC hybrid power system as the object, this paper studies the circuit topology design and distributed control technology, and proposes a circuit topology and its port coordination control strategy suitable for multi-port DC bipolar application. Herein, the access requirements of AC and DC equipment with multiple voltage levels and the complex application scenarios of AC-DC hybrid power distribution are considered. Simulation and test results verify that the PET design can meet the complex application requirements of AC-DC hybrid power distribution system, and has important practical significance for the promotion and application of PET in AC-DC hybrid distributed power grid.

Power electronic transformer, solid state transformer, multi-port, AC-DC hybrid distribution system, coordinated control

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90396

TM46

高范強 男，1984年生，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向為大功率電力電子技術(shù)。E-mail: gaofanqiang@mail.iee.ac.cn

李子欣 男，1981年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子變流與控制技術(shù)。E-mail: lzx@mail.iee.ac.cn（通信作者）

國家自然科學基金項目（51707184）和中國科學院青年創(chuàng)新促進會（2019144）資助。

2020-07-11

2020-12-07

（編輯 陳 誠）