1.1 研究背景及意义
2016 年 11 月 4 日生效的《巴黎气候变化协定》彰显着各国对低碳、节能与环保的重大决心。作为世界最大发展中国家和全球应对气候变化的主要参与者，我国政府出台了一系列能源改革政策，包括“电网 2.0”[1]与不断推广的分布式发电，智能电网已经成为电网技术发展的必然趋势。其可有效降低运营成本，促进节能减排，减少用电损耗。中低压配电网自动化实现程度，直接关系到供电的电能质量与可靠性，同时基于全球新能源发展的大环境，光伏、风能、储能与电动汽车等相关行业受到了各界的普遍关注与快速发展，如何实现各分布式电源与大电网间安全接入与即插即用功能的问题也亟待解决，进一步促使电能与计算机、自动化控制有效结合，满足供配侧日益多样化的需求。 近些年来伴随着电力系统规模的持续扩大，诸多大型、超大型电网的投入，不断复杂化的电力系统如何实现电能优化配置与大容量远距离输配电已经成为电网安全可靠运行的关键，同时配电网中存在的新型负载包括不断增加的非线性负载，会造成诸如谐波、无功、电压闪变等电能质量问题。为了较好保证国民生活生产可靠性，电网领域引入了电力电子技术、信息技术和智能管理等相关技术以提高电网输电能力，改善电能质量，维护电网正常运行。目前，高压直流输电（HVDC）、柔性交流输电系统（FACTS）以及有源电力滤波器（APF）、统一电能质量控制器（UPQC）等装置在电力系统中的广泛运用，表明了电力电子化电力系统是未来电力系统的发展方向[2-5]。 “全球能源互联网”作为智能电网的拓展内容，自从前国家电网公司董事长刘振亚先生首次提出后，成为了大众舆论关注的焦点，也一度成为近年来的研究热点课题。能源互联网引进先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术，形成以大量分布式能源、分布式储能装置和各类负载为节点的电力能源互联网络，以实现能量的双向流动、对等交换与共享[6]。能源互联网结合全球绿色节能的时代背景，指出了一条以能源优化、智能控制、系统经济高效的电网发展之路，而以电力电子变流技术与数字化控制为核心的电力电子装置也在其中发挥着至关重要的作用。 配电变压器作为电网与微电网中重要的能量传输媒介设备，其各项技术性能指标直接决定未来电网的智能化程度与供电水平。伴随着大功率高频化电力电子器件水平的不断进步，一种可实现电力系统电气隔离、电压变换与电能质量控制的新型变压器——电力电子变压器得以提出，该变压器又称为固态变压器。
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1.2 电力电子变压器(PET)的提出和发展
PET 的概念是在 1970 年，由美国通用电气公司的 W. Mc Murray 首次提出[9]，其结构是一种简单的高频连接的 AC/AC 变换电路，拓扑结构如图 1.2 所示。之后美国海军于 1980 年提出了一种新的基于 Buck 降压电路的 PET 拓扑[10]。1995 年，美国电力科学研究院对该拓扑进一步改进，研制出的 PET 样机如图 1.3 所示。受限于早期的技术水平，上世纪 PET 结构集中于 AC/AC 结构，且相关的技术方案并未在实际的输配电网络中进行应用，包括美国德州农工大学的 M. Kang 提出的 PET 结构还是以 W.Mc Murray 所提出拓扑结构为基础，其基本结构如图 1.4所示。随着电力变换技术与控制技术的不断发展，20 世纪末，日本学者 Koosuke Harada 在 PET 中实现了一种能够进行功率因数校正的可控智能变压器，并在 3k VA的实验装置上进行了验证，由此 PET 在智能控制领域取得了一定程度的突破[11]。
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第二章 自平衡电力电子变压器拓扑结构及数学建模
2.1 自平衡电力电子变压器拓扑
自平衡电力电子变压器采用了典型的 AC-DC-AC 三级结构，如图 2.2 所示。以 A 相为例，该拓扑分别由级联 H 桥 PWM 整流器构成的高压级，隔离型 LC 谐振式 DC-DC 变换器构成的隔离级以及单相逆变器交错并联的低压级组成。该拓扑结构的主要特点在于：(1)高压级采用多级 H 桥，可以适应较高的电压等级；(2)LC谐振式 DC-DC 变换器可满足软开关条件，提高整机效率；(3)低压级交错并联可以保证三相电压不平衡或者三相负载不对称情况下，另一侧电压电流均可维持平衡。电力电子变压器应用范围逐渐拓展至高压大功率场合，传统两电平整流器的耐压等级并不能满足要求，而 H 桥级联的多电平结构则很好地提升装置的耐压等级与开关频率。 自平衡电力电子变压器高压级结构如图 2.3 所示，每相由三个 H 桥串联构成，三相中性线星型连接。若采用载波移相技术(CPS-PWM)，以该结构为例，三个载波频率与幅值相同，相位依次相差 π/3，装置的等效开关频率提升至 6 倍载波频率，进一步提升高压级输入侧的电压与电流质量。
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2.2 自平衡电力电子变压器数学模型
图 2.6(a)为电力电子变压器三级式典型拓扑结构，即由输入级、隔离级和输出级组成。图 2.6(b)为该电力电子变压器拓扑的等效简化模型，高频变压器部分将副边侧折算至原边侧，U’dc2、C’dc2分别为 Udc2、Cdc2的折算量，Ld为变压器高频环境下的等效电感。图 2.7 即为 H 桥电路拓扑，其中 us,is即为交流输入电压与电流，输入侧电感 L滤波后经全桥(全控开关 S11~S14)整流对直流侧电容 C1进行充电，RL为负载电阻。理想情况下，不考虑器件损耗及开关管死区时间，且同一桥臂上下管互补导通，可以得出 H 桥工作状态如表 2.1。
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第三章 自平衡电力电子变压器控制策略 ...... 24
3.1 高压级整流控制 .... 24
3.1.1 载波相移调制技术 ......... 24
3.1.2 分层复合控制 ....... 27
3.2 隔离级变压控制 .... 33
3.3 低压级逆变控制 .... 37
3.4 本章小结 ...... 45
第四章 自平衡电力电子变压器主电路器件设计 .... 46
4.1 高压级的参数设计 ......... 46
4.2 隔离级的参数设计 ......... 50
4.3 低压级的参数设计 ......... 51
4.4 本章小结 ...... 52
第五章 自平衡电力电子变压器仿真验证 ...... 53
5.1 自平衡电力电子变压器仿真参数 ..... 53
5.2 自平衡电力电子变压器仿真模块 ..... 53
5.3 稳定状态下自平衡电力电子变压器仿真 ............. 55
5.4 不稳定状态下自平衡电力电子变压器仿真 ......... 59
5.5 本章小结 ...... 63
第五章 自平衡电力电子变压器仿真验证
根据上述自平衡电力电子变压器控制策略和设计参数，在 MATLAB/Simulink中构建 10k V/380V 的 A-PET 的仿真模型，额定容量为 150k VA，在整机仿真模型中就高压级、隔离级、低压级三个部分进行分析与说明。
5.1 自平衡电力电子变压器仿真参数
如图 5.1 所示为高压级的仿真模块，其中包括高压级主电路模块和控制模块。主电路模块为三级 H 桥单元级联整流器经网侧电感与 10k V 电源相连，且直流侧与后续隔离级连接。控制模块由相间电压控制模块与零序电压分量模块构成的上层控制和相内单元均压模块构成的下层控制两部分构成。隔离级仿真模块如图 5.2所示，在动态性能要求不高或者功率范围变化有限时，可只采用单电压环移相控制。图 5.3 为低压级交错并联仿真模块，以 A 相逆变为例，主电路采用三个单相逆变器并联结构，但三者分别由高压级三相整流得出。控制模块如图中的鲁棒下垂控制模块和虚拟阻抗准 PR 控制两部分。 自平衡电力电子变压器稳态状态下，高压级三相电压平衡，均为峰值为 8165V的 50Hz 正弦波；低压级负载保持三相对称，同时为了便于分析，低压级三相采用纯电阻负载。电力电子变压器整机运行情况下，鉴于 PET 结构相对复杂，为方便叙述对三级环节分别进行分析。
总结
在智能电网广泛推广的进程中，自平衡电力电子变压器因其特有的拓扑结构在中压配电网场合有着较好的应用前景。而控制策略作为电力电子装置中的关键问题，直接决定了系统能否安全可靠运行。本文针对自平衡电力电子变压器拓扑结构与数学模型展开研究，制定三个环节相应的控制策略，在实现电压等级变换和电气隔离的基本功能的同时，还解决了高压级中存在的直流侧电压均衡和低压级并联系统的环流问题，同时控制隔离级 LC 谐振 DC-DC 实现功率传输。最后在MATLAB 环境下建立了系统仿真模型，通过大量的仿真实验证明了所提方案合理性。文章具体内容如下： 第一章主要介绍了本文的选题背景及意义，针对电力电子变压器及直流侧均衡、隔离 DC-DC 变换器结构与控制和并联环流抑制等自平衡电力电子变压器装置相关技术的国内外研究现状，进行阐述。 第二章主要介绍了自平衡电力电子变压器由 H 桥级联整流器、LC 谐振 DC-DC变换器和单相逆变
