電力電子變壓器是交直流混合配電系統中實現交直流電能變換與管控的核心裝置，中國科學院電工研究所中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室、中國科學院大學、國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院的研究人員高範強、李子欣 等，在2021年第16期《電工技術學報》上撰文，以應用於蘇州同裡交直流混合配電系統中10kV-3MV•A四埠電力電子變壓器樣機為物件，考慮示範工程中多電壓等級的交直流裝置接入需求，針對交直流混合配電接入的複雜應用場景，在電力電子變壓器樣機的電路拓撲設計和分散式控制技術方面開展研究，提出一種適用於多埠、直流真雙極的電路拓撲及其埠協調控制策略。
示範工程現場測試結果驗證了該文中電力電子變壓器樣機設計能夠滿足交直流混合配電系統複雜應用需求，對於電力電子變壓器在交直流混合配電網中推廣應用及發展具有重要意義。
電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）是一種整合電力電子變換器和高頻變壓器的新型電氣裝置，除具備傳統交流變壓器的電壓等級變換和電氣隔離功能外，還可實現交直流變換、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作為柔性互聯裝置，能夠在交直流混合配電網的交流分割槽和直流分割槽間構建起柔性調節通路。
另外，PET在交直流混合配電網中應用，一方面可以減少可再生能源發電系統、儲能和負荷等裝置接入的電能變換環節，提高能源利用效率；另一方面也可實現不同電壓等級的交直流網路互聯互濟，實現分散式能源跨區消納。
針對PET在交直流配電系統中的應用，國內外的高校、科研機構及企業均開展了相關研究，研製了多型別PET樣機，其中部分樣機已經在中高壓配電系統中開展了示範應用。
- ABB、Bombardier公司分別研製用於替換鐵路系統的機車牽引用工頻變壓器的單相AC-DC型PET樣機，其交流側接入15kV/16.7Hz單相交流電網，執行工況較為單一。
- 針對在交流配電系統中替換傳統工頻變壓器的應用，美國電科院採用中點鉗位（Neutral-Point- Clamped, NPC）型電路拓撲，研製了三相AC 2.4kV/ AC 277V的PET樣機。
- GE公司採用10kV SiC- MOSFET器件和直接AC-AC變換型電路拓撲，研製了1MV•A PET樣機，雖然系統執行效率高，但可控性相對較差，且不具備直流裝置接入功能。
- 美國北卡萊羅納州立大學研製了小容量多埠PET樣機，並對其調製和控制策略開展了研究。
- 中科院電工所採用模組化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）和輸入串聯輸出並聯（Input Series Output Parallel, ISOP）型DC-DC變換器的電路拓撲結構，先後研製了兩代10kV PET樣機，並實現了在10kV交流電網和750V直流微電網中的掛網執行]。
- 有學者採用SiC功率器件研製了面向光伏變流器併網應用的1MV•A AC-DC型PET樣機，對其效率最佳化策略開展了研究。
- 華中科技大學研製了可改善工廠供電質量的單向潮流AC-DC型PET樣機。
隨著傳統交流配電網中直流用電負荷及能源的出現與廣泛應用，具有多交直流電壓等級介面的PET對於整合多型別直流電源與負荷具有一定優勢。目前，PET主要呈現兩埠或三埠形式，同時控制模式與執行方式相對簡單，難以滿足交直流混合配電網對多型別能源的靈活接入及柔性調控日益增長的需求。
基於此背景，2017年國家啟動了“基於電力電子變壓器的交直流混合可再生能源技術研究”重點研發計劃專案。專案在國際能源變革論壇所在地蘇州同裡開展示範驗證，建設包含風力發電、光伏發電、太陽能熱發電及熱利用、儲電、儲熱等分散式可再生能源的基於PET的交直流混合配電系統。
該系統依託大容量多埠PET構建交直流混合配電網，可透過直流跨饋線互聯實現電壓支撐和潮流均衡，提高系統可靠性和電能質量，更好地接納分散式電源、儲能裝置和直流負荷，是未來配電網的一個重要發展趨勢。蘇州同裡基於PET的交直流混合配電系統如圖1所示。
圖1 蘇州同裡基於PET的交直流混合配電系統
能夠實現源-荷-儲等多種裝置接入並具備不同電壓等級網路互聯互濟功能的PET是未來交直流混合配電網的核心裝置。中國科學院電工研究所等單位的科研人員針對蘇州同裡交直流混合配電系統中多電壓等級交直流分散式可再生能源、負荷靈活接入的應用需求，開展大容量電力電子變壓器樣機研製工作，重點針對所研製的3MV•A四埠電力電子變壓器（AC 10kV、AC 380V、DC ±750V、DC ±375V埠），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計的關鍵技術進行說明。
圖2 PET樣機及測量儀器
透過PET樣機研製和實際執行，科研人員得出具體研究結論如下：
1）所設計的PET拓撲10kV交流側為三相CHB型電路，DC-DC環節採用CLLC串聯諧振變換器，可實現零電壓開通執行，大幅度降低器件開關損耗。PET所有直流埠均採用真雙極結構，可同時接入375V、750V和1500V三種電壓等級的直流發電、用電裝置。
2）針對PET所接入的交直流混合配電系統多執行場景的複雜工況，提出劃分10kV分割槽、375V分割槽和380V分割槽的分層分散式控制策略，可適用於多種執行工況，示範工程中試驗測試資料驗證了控制策略的有效性。
3）10kV-3MV•A PET樣機在蘇州同裡交直流配電系統中的應用，為PET進一步拓展在低壓配電系統中的應用，實現低壓配電接入靈活可控奠定了實踐基礎。
本文編自2021年第16期《電工技術學報》，論文標題為“面向交直流混合配電應用的10kV-3MV•A四埠電力電子變壓器”，作者為高範強、李子欣 等。
