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(qiáng) 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(qiáng)1,2李子欣1,2李耀華1,2王 平1袁宇波3

（1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049 3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)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(shí)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(jī)為對(duì)象，考慮示范工程中多電壓等級(jí)的交直流設(shè)備接入需求，針對(duì)交直流混合配電接入的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，在電力電子變壓器樣機(jī)的電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)和分布式控制技術(shù)方面開(kāi)展研究，提出一種適用于多端口、直流真雙極的電路拓?fù)浼捌涠丝趨f(xié)調(diào)控制策略。示范工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該文中電力電子變壓器樣機(jī)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足交直流混合配電系統(tǒng)復(fù)雜應(yīng)用需求，對(duì)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(jí)變換和電氣隔離功能外，還可實(shí)現(xiàn)交直流變換、直流電源/負(fù)荷直接接入、無(wú)功補(bǔ)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(chǔ)能和負(fù)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(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的交直流網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟(jì)，實(shí)現(xiàn)分布式能源跨區(qū)消納[1-5]。

針對(duì)PET在交直流配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外的高校、科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)均開(kāi)展了相關(guān)研究，研制了多類(lèi)型PET樣機(jī)，其中部分樣機(jī)已經(jīng)在中高壓配電系統(tǒng)中開(kāi)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(jī)車(chē)牽引用工頻變壓器的單相AC-DC型PET樣機(jī)，其交流側(cè)接入15kV/16.7Hz單相交流電網(wǎng)，運(yùn)行工況較為單一[6-7]。針對(duì)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(guó)電科院采用中點(diǎn)鉗位（Neutral-Point- Clamped, NPC）型電路拓?fù)洌兄屏巳郃C 2.4kV/ AC 277V的PET樣機(jī)[8]。GE公司采用10kV SiC- MOSFET器件和直接AC-AC變換型電路拓?fù)洌兄屏?MV·A PET樣機(jī)，雖然系統(tǒng)運(yùn)行效率高，但可控性相對(duì)較差，且不具備直流設(shè)備接入功能[9]。美國(guó)北卡萊羅納州立大學(xué)研制了小容量多端口PET樣機(jī)，并對(duì)其調(diào)制和控制策略開(kāi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，先后研制了兩代10kV PET樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了在10kV交流電網(wǎng)和750V直流微電網(wǎng)中的掛網(wǎng)運(yùn)行[12-13]。文獻(xiàn)[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(jī)，對(duì)其效率優(yōu)化策略開(kāi)展了研究。華中科技大學(xué)研制了可改善工廠供電質(zhì)量的單向潮流AC-DC型PET樣機(jī)[15]。

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

基于此背景，2017年國(guó)家啟動(dòng)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。項(xiàng)目在國(guó)際能源變革論壇所在地蘇州同里開(kāi)展示范驗(yàn)證，建設(shè)包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱發(fā)電及熱利用、儲(chǔ)電、儲(chǔ)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(guò)直流跨饋線互聯(lián)實(shí)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(chǔ)能設(shè)備和直流負(fù)荷，是未來(lái)配電網(wǎng)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)[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(duì)蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中多電壓等級(jí)交直流分布式可再生能源、負(fù)荷靈活接入的應(yīng)用需求，開(kāi)展大容量電力電子變壓器樣機(jī)研制工作，重點(diǎn)針對(duì)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?fù)浜涂刂撇呗缘慕嵌龋瑢?duì)電力電子變壓器樣機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)PET樣機(jī)研制和實(shí)際運(yùn)行，為PET進(jìn)一步拓展在低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)低壓配電接入靈活可控奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 10kV-3MV·A四端口PET電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

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(gè)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(yùn)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(chǔ)能與負(fù)荷，并可與供電分區(qū)的直流配電分區(qū)并聯(lián)運(yùn)行，可運(yùn)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(fù)荷以及儲(chǔ)能。380V交流端口可與交流電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，并就近接入交流電源和負(fù)荷。AC 380V電網(wǎng)也可運(yùn)行在離網(wǎng)或并網(wǎng)方式下。表1為PET 4個(gè)端口的運(yùn)行特性及容量，4個(gè)端口均可實(shí)現(xiàn)潮流雙向流動(dòng)。除了10kV交流端口外，其余3個(gè)端口還具備并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行方式。

現(xiàn)有的級(jí)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(jì)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?fù)洌鐖D2所示。該P(yáng)ET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(dú)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?fù)?/p>

在本文PET電路拓?fù)渲校?0kV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(jìn)行DC-DC或DC-AC變換得到。PET的主體部分是由兩套級(jí)聯(lián)H橋（CHB）型電路采用雙星形聯(lián)結(jié)的方式構(gòu)成，對(duì)應(yīng)圖2中的正極變換器和負(fù)極變換器。每極變換器由三個(gè)相單元構(gòu)成，每個(gè)相單元，即單相CHB型電路中包含=6（其中含1個(gè)冗余子模塊）個(gè)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(mǎn)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(jí)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(kāi)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(fù)載工況內(nèi)可實(shí)現(xiàn)全部軟開(kāi)關(guān)。后者采用開(kāi)環(huán)控制方式，更容易實(shí)現(xiàn)寬載荷范圍下的軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行。在電壓控制特性方面，前者對(duì)直流電壓進(jìn)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(huì)發(fā)散，無(wú)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(gè)諧振電容rp和rs，與變壓器的漏感r、勵(lì)磁電抗m共同構(gòu)成了CLLC串聯(lián)諧振電路。該電路采用開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的H橋開(kāi)關(guān)信號(hào)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(dòng)信號(hào)，23對(duì)應(yīng)2、3管IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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(shí)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(xiàn)[21-23]介紹了以Si-IGBT器件構(gòu)建的LLC諧振變換器的運(yùn)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(lì)磁電流的作用下會(huì)使得在橋臂中一個(gè)IGBT關(guān)斷后，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)電流換相至另一個(gè)IGBT的續(xù)流二極管中，導(dǎo)致電壓提前反向，因而IGBT開(kāi)通時(shí)為零電壓開(kāi)通（Zero Voltage Switching, ZVS）。文獻(xiàn)[20]分析了死區(qū)時(shí)間對(duì)IGBT關(guān)斷動(dòng)態(tài)過(guò)程以及開(kāi)關(guān)損耗有較大影響，延長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間可使得IGBT關(guān)斷過(guò)程中載流子復(fù)合更充分，-層儲(chǔ)存的電荷能夠釋放更完全，進(jìn)而可以降低IGBT開(kāi)關(guān)損耗。但另一方面，死區(qū)時(shí)間的延長(zhǎng)又會(huì)導(dǎo)致有效功率傳輸時(shí)間縮短，增加了導(dǎo)通損耗和電流應(yīng)力。基于文獻(xiàn)[20]中的試驗(yàn)測(cè)試方法以及測(cè)試數(shù)據(jù)，本文設(shè)置DAB電路死區(qū)時(shí)間d=8μs。子模塊的主要元器件與控制參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 PET電路參數(shù)

Tab.2 Parameters of PET

在PET的DC ±750V正、負(fù)極母線各自通過(guò)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(guò)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?fù)淙鐖D4所示，圖中，雙極DC-DC變換器采用兩臺(tái)Buck變換器構(gòu)成，每一臺(tái)均可獨(dú)立運(yùn)行，提高了端口運(yùn)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，還具有三電平變流器開(kāi)關(guān)損耗低、電能質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。本文PET樣機(jī)中采用的DC-DC變換器和DC-AC變流器相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表2。

圖4 PET低壓直流、交流端口電路拓?fù)?/p>

2 電力電子變壓器運(yùn)行模式及控制策略

本文PET提供了多路電氣端口，便于多類(lèi)型不同電壓等級(jí)的交直流能源與負(fù)荷靈活接入，但多端口間潮流控制耦合性強(qiáng)，端口運(yùn)行工況復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)各端口傳輸功率及端口電壓獨(dú)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(guò)集中的端口功率協(xié)調(diào)控制器實(shí)時(shí)調(diào)控其余端口的功率指令，構(gòu)建包含系統(tǒng)級(jí)、變流器級(jí)和功率單元級(jí)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(gè)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(fù)極的兩個(gè)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(duì)10kV交流分區(qū)的控制策略進(jìn)行介紹，正極和負(fù)極分區(qū)的控制策略無(wú)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(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種工作模式，同時(shí)接受系統(tǒng)級(jí)控制指令進(jìn)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(dāng)-750V直流母線電壓建立后，三相逆變器方可進(jìn)行輸出控制。PET中的375V直流分區(qū)運(yùn)行在離網(wǎng)工作模式下，在檢測(cè)到±750V直流母線電壓建立后方可具備啟動(dòng)運(yùn)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(yùn)行在并網(wǎng)模式下，根據(jù)750V直流端口的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不同，該分區(qū)具備兩種運(yùn)行方式，分別為：

（1）聯(lián)合并網(wǎng)運(yùn)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(yùn)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(duì)稱(chēng)，在采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(jí)聯(lián)H橋的開(kāi)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(gè)模塊流入負(fù)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(jiǎn)可得

由式（4）、式（5）和式（10）可得

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

在聯(lián)合并網(wǎng)運(yùn)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(duì)10kV交流側(cè)的功率進(jìn)行控制。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，采用交流網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制策略，外環(huán)通過(guò)有功功率環(huán)和無(wú)功功率環(huán)計(jì)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(guò)系統(tǒng)控制級(jí)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(duì)各分區(qū)的運(yùn)行方式、啟停順序以及端口功率運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制與綜合優(yōu)化。本文PET樣機(jī)的4端口運(yùn)行工況復(fù)雜多樣化，正、負(fù)極端口的功率可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，考慮各端口潮流均可雙向流動(dòng)，在實(shí)際運(yùn)行中各端口功率通過(guò)分區(qū)間功率協(xié)調(diào)控制可實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)控特性，并可通過(guò)優(yōu)化端口潮流實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效運(yùn)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(duì)不同運(yùn)行方式下多端口功率運(yùn)行區(qū)間進(jìn)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(fù)極兩個(gè)完整的多變流器系統(tǒng)，每一個(gè)變流器系統(tǒng)可以等效為一個(gè)單輸入多輸出的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的潮流均可雙向流動(dòng)，正、負(fù)極的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D8所示。圖中，PET的正極、負(fù)極變流系統(tǒng)分別可以等效為一個(gè)三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，其中，功率流向以箭頭方向?yàn)檎雎訮ET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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)其運(yùn)行方式可以分為電壓控制節(jié)點(diǎn)和功率控制節(jié)點(diǎn)。在滿(mǎn)足式（12）的節(jié)點(diǎn)功率約束關(guān)系條件下，通過(guò)設(shè)置一定的自由度可以?xún)?yōu)化調(diào)節(jié)端口潮流分布。例如，結(jié)合分時(shí)電價(jià)可以制定節(jié)能調(diào)控方案，在波峰電價(jià)時(shí)，通過(guò)增加±750V端口的儲(chǔ)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(jià)時(shí)，更多地利用10kV交流電網(wǎng)側(cè)有功功率。

3 PET樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文PET樣機(jī)已在蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中開(kāi)展樣機(jī)測(cè)試。為了方便對(duì)各種載荷工況下PET的運(yùn)行特性進(jìn)行測(cè)試，在工程示范現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建了以下實(shí)驗(yàn)環(huán)境，PET實(shí)驗(yàn)原理如圖9所示。

圖9 PET實(shí)驗(yàn)原理

在該實(shí)驗(yàn)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(gè)交流端口運(yùn)行在并網(wǎng)方式下。而直流側(cè)±750V端口和±375V端口則運(yùn)行在離網(wǎng)方式下，且各自將端口正、負(fù)極通過(guò)兩臺(tái)并網(wǎng)變流器連接至交流電網(wǎng)。

測(cè)試環(huán)境中還包括對(duì)各端口的電壓、電流電氣量的測(cè)量，并將測(cè)量信號(hào)接入錄波與功率分析儀中，PET樣機(jī)及測(cè)量?jī)x器如圖10所示。

圖10 PET樣機(jī)及測(cè)量?jī)x器

通過(guò)調(diào)節(jié)并網(wǎng)變流器1號(hào)和2號(hào)的功率可以改變±750V直流端口的潮流，通過(guò)調(diào)節(jié)并網(wǎng)變流器3號(hào)和4號(hào)的功率可以改變±375V直流端口的潮流，通過(guò)改變380V交流分區(qū)功率設(shè)定值可以改變?cè)摻涣鞫丝诘墓β省D11所示為分別調(diào)節(jié)±750V直流端口的功率值時(shí)，±750V直流端口電流750p、750n以及10kV交流側(cè)有功功率10k的動(dòng)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(shí)，-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(dòng)態(tài)波形。這兩個(gè)直流側(cè)功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，10kV交流側(cè)有功功率隨之改變，動(dòng)態(tài)性能良好，并且PET中正、負(fù)極變流器均運(yùn)行至額定功率點(diǎn)。圖13、圖14分別為PET的+750V直流端口運(yùn)行至額定功率時(shí)，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(duì)稱(chēng)，其峰值約為125A。圖14中電壓750p波動(dòng)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(yùn)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(duì)稱(chēng)，三相電流諧波總畸變率分別為2.287%、2.112%和2.189%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PET的4個(gè)端口穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)較好。效率測(cè)試結(jié)果顯示，在該額定工況下，PET的正、負(fù)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(yùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 -750V和-375V直流端口功率調(diào)節(jié)工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖13 10kV交流端口穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖14 +750V直流端口穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖15 -375V直流端口穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16 380V交流端口穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文PET樣機(jī)中，中間環(huán)節(jié)CLLC串聯(lián)諧振變換器的軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行對(duì)PET運(yùn)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(shí)，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(guò)二次側(cè)的H橋產(chǎn)生的方波電壓進(jìn)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(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)期間細(xì)節(jié)進(jìn)行放大的圖17b可以看出，在關(guān)斷時(shí)刻10，二次側(cè)H橋的S2s、S3s的IGBT關(guān)斷，電壓ph、sh開(kāi)始上升，此時(shí)流過(guò)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(shí)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(kāi)通時(shí)刻20，二次側(cè)S1s、S4s的IGBT為零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Zero Current Switching, ZVZCS），同樣S2s、S3s的開(kāi)關(guān)過(guò)程與S1s、S4s相同，開(kāi)關(guān)損耗較小。

圖17 CLLC諧振變換器及細(xì)節(jié)放大

4 結(jié)論

能夠?qū)崿F(xiàn)源-荷-儲(chǔ)等多種設(shè)備接入并具備不同電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟(jì)功能的PET是未來(lái)交直流混合配電網(wǎng)的核心設(shè)備。針對(duì)蘇州同里交直流混合配電系統(tǒng)中包含多種電壓等級(jí)（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(jì)了包含AC 10kV、AC 380V、DC ±750V、DC ±375V四種端口的PET拓?fù)洌唧w結(jié)論如下：

1）所設(shè)計(jì)的PET拓?fù)?0kV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(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通運(yùn)行，大幅度降低器件開(kāi)關(guān)損耗。PET所有直流端口均采用真雙極結(jié)構(gòu)，可同時(shí)接入375V、750V和1 500V三種電壓等級(jí)的直流發(fā)電、用電設(shè)備。

2）針對(duì)PET所接入的交直流混合配電系統(tǒng)多運(yùn)行場(chǎng)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(yùn)行工況，示范工程中試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了控制策略的有效性。

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

[1] Huang A Q. Medium-voltage solid-state transformer: technology for a smarter and resilient grid[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2016, 10(3): 29-42.

[2] 蒲天驕, 李燁, 陳乃仕, 等. 基于電力電子變壓器的交直流混合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)及研究框架[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2018, 42(9): 2752-2759.

Pu Tianjiao, Li Ye, Chen Naishi, et al. Key technology and research framework for optimal operation control of hybrid AC/DC system based on power electronic transformer[J]. Power System Tech- nology, 2018, 42(9): 2752-2759.

[3] 吳爭(zhēng), 孔力, 袁曉冬, 等. 基于電力電子變壓器的交直流混合可再生能源關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電工電能新技術(shù), 2019, 38(2): 1-10.

Wu Zheng, Kong Li, Yuan Xiaodong, et al. Key technology of AC/DC hybrid renewable energy based on power electronic transformer[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2019, 38(2): 1-10.

[4] 蘭征, 涂春鳴, 姜飛. 基于虛擬電機(jī)技術(shù)的直流微電網(wǎng)與主電網(wǎng)柔性互聯(lián)策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(8): 1739-1749.

Lan Zheng, Tu Chunming, Jiang Fei. The flexible interconnection strategy between DC microgrid and ac grid based on virtual electric machinery tech- nology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(8): 1739-1749.

[5] 涂春鳴, 黃紅, 蘭征, 等. 微電網(wǎng)中電力電子變壓器與儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(12): 2627-2636.

Tu Chunming, Huang Hong, Lan Zheng, et al. Coordinated control strategy of power electronic transformer and energy storage in microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(12): 2627-2636.

[6] Zhao Chuanhong, Dujic D, Mester A, et al. Power electronic traction transformer-medium voltage proto- type[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(7): 3257-3268.

[7] Steiner M, Reinold H. Medium frequency topology in railway applications[C]//2007 European Conference on Power Electronics and Applications, Aalborg, Denmark, 2007: 1-10.

[8] Lai Jih Sheng, Maitra A, Goodman F. Performance of a distribution intelligent universal transformer under source and load disturbances[C]//Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, Tampa FL, USA, 2006: 719-725.

[9] Das M K, Capell C, Grider D E, et al. 10kV, 120A SiC half H-bridge power MOSFET modules suitable for high frequency, medium voltage applications[C]// 2011 IEEE Energy Conversion Congress and Expo- sition, Phoenix, USA, 2011: 2689-2692.

[10] Zhao Tiefu, Wang Gangyao, Bhattacharya S, et al. Voltage and power balance control for a cascaded H-bridge converter-based solid-state transformer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(4): 1523-1532.

[11] Huang A Q, Zhu Qianlai, Wang Li, et al. 15kV SiC MOSFET: an enabling technology for medium voltage solid state transformers[J]. CPSS Transa- ctions on Power Electronics and Applications, 2017, 2(2): 118-130.

[12] 李子欣, 王平, 楚遵方, 等. 面向中高壓智能配電網(wǎng)的電力電子變壓器研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(9): 2592-2601.

Li Zixin, Wang Ping, Chu Zunfang, et al. Research on medium- and high-voltage smart distribution grid oriented power electronic transformer[J]. Power System Technology, 2013, 37(9): 2592-2601.

[13] Gao Fanqiang, Li Zixin, Wang Ping, et al. Prototype of smart energy router for distribution DC grid[C]// 2015 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe), Geneva, Switzerland, 2015: 1-9.

[14] Liu Tao, Yang Xu, Chen Wenjie, et al. Design and implementation of high efficiency control scheme of dual active bridge based 10kV/1MW solid state transformer for PV application[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(5): 4223-4238.

[15] Wang Dan, Tian Jie, Mao Chengxiong, et al. A 10kV/400V 500kVA electronic power transformer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(11): 6653-6663.

[16] 付超, 武承杰, 孫玉巍, 等. 混合模塊化直流固態(tài)變壓器I工作原理及穩(wěn)態(tài)特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(增刊1): 141-153.

Fu Chao, Wu Chengjie, Sun Yuwei, et al. Hybrid modular DC solid state transformer I: working principle and analysis of steady state characteri- stics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(S1): 141-153.

[17] 付超, 武承杰, 孫玉巍, 等. 混合模塊化直流固態(tài)變壓器Ⅱ: 動(dòng)態(tài)特性及快速響應(yīng)控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(14): 2980-2989.

Fu Chao, Wu Chengjie, Sun Yuwei, et al. Hybrid modular direct current solid state transformer II: dynamic characteristic and rapid response control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 2980-2989.

[18] 李子欣, 高范強(qiáng), 趙聰, 等. 電力電子變壓器技術(shù)研究綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(5): 1274-1289.

Li Zixin, Gao Fanqiang, Zhao Cong, et al. Research review of power electronic transformer technolo- gies[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(5): 1274-1289.

[19] 涂春鳴, 肖凡, 袁靖兵, 等. 級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器直流電壓二次紋波抑制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(14): 2990-3003.

Tu Chunming, Xiao Fan, Yuan Jingbing, et al. DC ripple voltage suppression strategy for cascaded power electronic transformer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 2990-3003.

[20] Dujic D, Zhao C, Mester A, et al. Power electronic traction transformer-low voltage prototype[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(12): 5522-5534.

[21] 張航, 李耀華, 高范強(qiáng), 等. 單相電力電子變壓器中串聯(lián)諧振型雙有源橋電流特性分析[J]. 電工電能新技術(shù), 2019, 38(2): 11-19.

Zhang Hang, Li Yaohua, Gao Fanqiang, et al. Analysis of current characteristics of series resonant dual active bridge in single-phase power electronic transformer[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2019, 38(2): 11-19.

[22] 張航, 李耀華, 高范強(qiáng), 等. 級(jí)聯(lián)H橋型電力電子變壓器隔離級(jí)高頻電流波動(dòng)抑制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(7): 130-150.

Zhang Hang, Li Yaohua, Gao Fanqiang, et al. High-frequency current fluctuation suppression strategy for isolation stage of cascaded H-bridge based power electronic transformer[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(7): 130-150.

[23] Li Zixin, Qu Ping, Wang Ping, et al. DC terminal dynamic model of dual active bridge series resonant converters[C]//2014 IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Beijing, China, 2014: 1-5.

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(qiáng) 男，1984年生，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(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?yàn)殡娏﹄娮幼兞髋c控制技術(shù)。E-mail: lzx@mail.iee.ac.cn（通信作者）

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51707184）和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2019144）資助。

2020-07-11

2020-12-07

（編輯 陳 誠(chéng)）