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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(shí)現(xiàn)交直流變換、直流電源/負(fù)荷直接接入、無功補(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。

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(jī)構(gòu)及企業(yè)均開展了相關(guān)研究，研制了多類型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。
• 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(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)。
• 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，但可控性相對較差，且不具備直流設(shè)備接入功能。
• 美國北卡萊羅納州立大學(xué)研制了小容量多端口PET樣機(jī)，并對其調(diào)制和控制策略開展了研究。
• 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]。
• 有學(xué)者采用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)，對其效率優(yōu)化策略開展了研究。
• 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)。

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接口的PET對于整合多類型直流電源與負(fù)荷具有一定優(yōu)勢。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(yùn)行方式相對簡單，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(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目。項(xiàng)目在國際能源變革論壇所在地蘇州同里開展示范驗(yàn)證，建設(shè)包含風(fēng)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(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、儲能設(shè)備和直流負(fù)荷，是未來配電網(wǎng)的一個重要發(fā)展趨勢。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)

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(jì)功能的PET是未來交直流混合配電網(wǎng)的核心設(shè)備。中國科學(xué)院電工研究所等單位的科研人員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(fù)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(jī)研制工作，重點(diǎn)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?fù)浜涂刂撇呗缘慕嵌龋瑢﹄娏﹄娮幼儔浩鳂訖C(jī)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說明。

圖2 PET樣機(jī)及測量儀器

通過PET樣機(jī)研制和實(shí)際運(yùn)行，科研人員得出具體研究結(jié)論如下：

1）所設(shè)計的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)零電壓開通運(yùn)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1500V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(yùn)行場景的復(fù)雜工況，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)測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了控制策略的有效性。

3）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)。

本文編自2021年第16期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“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”，作者為高范強(qiáng)、李子欣 等。