中科院电工研究所导师「中科院科研人员结婚」

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电力电子变压器是交直流混合配电系统中实现交直流电能变换与管控的核心设备，中国科学院电工研究所中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室、中国科学院大学、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院的研究人员高范强、李子欣 等，在2021年第16期《电工技术学报》上撰文，以应用于苏州同里交直流混合配电系统中10kV-3MV•A四端口电力电子变压器样机为对象，考虑示范工程中多电压等级的交直流设备接入需求，针对交直流混合配电接入的复杂应用场景，在电力电子变压器样机的电路拓扑设计和分布式控制技术方面开展研究，提出一种适用于多端口、直流真双极的电路拓扑及其端口协调控制策略。

示范工程现场测试结果验证了该文中电力电子变压器样机设计能够满足交直流混合配电系统复杂应用需求，对于电力电子变压器在交直流混合配电网中推广应用及发展具有重要意义。

电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）是一种集成电力电子变换器和高频变压器的新型电气设备，除具备传统交流变压器的电压等级变换和电气隔离功能外，还可实现交直流变换、直流电源/负荷直接接入、无功补偿和谐波治理等功能。因此，PET作为柔性互联装置，能够在交直流混合配电网的交流分区和直流分区间构建起柔性调节通路。

另外，PET在交直流混合配电网中应用，一方面可以减少可再生能源发电系统、储能和负荷等设备接入的电能变换环节，提高能源利用效率；另一方面也可实现不同电压等级的交直流网络互联互济，实现分布式能源跨区消纳。

针对PET在交直流配电系统中的应用，国内外的高校、科研机构及企业均开展了相关研究，研制了多类型PET样机，其中部分样机已经在中高压配电系统中开展了示范应用。

ABB、Bombardier公司分别研制用于替换铁路系统的机车牵引用工频变压器的单相AC-DC型PET样机，其交流侧接入15kV/16.7Hz单相交流电网，运行工况较为单一。针对在交流配电系统中替换传统工频变压器的应用，美国电科院采用中点钳位（Neutral-Point- Clamped, NPC）型电路拓扑，研制了三相AC 2.4kV/ AC 277V的PET样机。GE公司采用10kV SiC- MOSFET器件和直接AC-AC变换型电路拓扑，研制了1MV•A PET样机，虽然系统运行效率高，但可控性相对较差，且不具备直流设备接入功能。美国北卡莱罗纳州立大学研制了小容量多端口PET样机，并对其调制和控制策略开展了研究。中科院电工所采用模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）和输入串联输出并联（Input Series Output Parallel, ISOP）型DC-DC变换器的电路拓扑结构，先后研制了两代10kV PET样机，并实现了在10kV交流电网和750V直流微电网中的挂网运行]。有学者采用SiC功率器件研制了面向光伏变流器并网应用的1MV•A AC-DC型PET样机，对其效率优化策略开展了研究。华中科技大学研制了可改善工厂供电质量的单向潮流AC-DC型PET样机。

随着传统交流配电网中直流用电负荷及能源的出现与广泛应用，具有多交直流电压等级接口的PET对于整合多类型直流电源与负荷具有一定优势。目前，PET主要呈现两端口或三端口形式，同时控制模式与运行方式相对简单，难以满足交直流混合配电网对多类型能源的灵活接入及柔性调控日益增长的需求。

基于此背景，2017年国家启动了“基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术研究”重点研发计划项目。项目在国际能源变革论坛所在地苏州同里开展示范验证，建设包含风力发电、光伏发电、太阳能热发电及热利用、储电、储热等分布式可再生能源的基于PET的交直流混合配电系统。

​该系统依托大容量多端口PET构建交直流混合配电网，可通过直流跨馈线互联实现电压支撑和潮流均衡，提高系统可靠性和电能质量，更好地接纳分布式电源、储能设备和直流负荷，是未来配电网的一个重要发展趋势。苏州同里基于PET的交直流混合配电系统如图1所示。

图1 苏州同里基于PET的交直流混合配电系统

能够实现源-荷-储等多种设备接入并具备不同电压等级网络互联互济功能的PET是未来交直流混合配电网的核心设备。中国科学院电工研究所等单位的科研人员针对苏州同里交直流混合配电系统中多电压等级交直流分布式可再生能源、负荷灵活接入的应用需求，开展大容量电力电子变压器样机研制工作，重点针对所研制的3MV•A四端口电力电子变压器（AC 10kV、AC 380V、DC ±750V、DC ±375V端口），从PET的电路拓扑和控制策略的角度，对电力电子变压器样机设计的关键技术进行说明。

图2 PET样机及测量仪器

通过PET样机研制和实际运行，科研人员得出具体研究结论如下：

1）所设计的PET拓扑10kV交流侧为三相CHB型电路，DC-DC环节采用CLLC串联谐振变换器，可实现零电压开通运行，大幅度降低器件开关损耗。PET所有直流端口均采用真双极结构，可同时接入375V、750V和1500V三种电压等级的直流发电、用电设备。

2）针对PET所接入的交直流混合配电系统多运行场景的复杂工况，提出划分10kV分区、375V分区和380V分区的分层分布式控制策略，可适用于多种运行工况，示范工程中试验测试数据验证了控制策略的有效性。

3）10kV-3MV•A PET样机在苏州同里交直流配电系统中的应用，为PET进一步拓展在低压配电系统中的应用，实现低压配电接入灵活可控奠定了实践基础。

本文编自2021年第16期《电工技术学报》，论文标题为“面向交直流混合配电应用的10kV-3MV•A四端口电力电子变压器”，作者为高范强、李子欣 等。